斜波加载下铋、锡等典型金属材料的相变动力学研究

摘要

相变是自然界普遍存在的一种现象，物质在一定的压力和温度条件下会发生相转变，物质相变前后物理、力学、化学和结构等性质显著改变，因此相变是冲击波物理、材料动力学研究的重要领域之一。
　　研究相变的实验方法主要有静高压和冲击压缩，近似对应等温线和绝热线。由热力学可知，等熵线介于等温线和绝热线之间，准等熵压缩（斜波压缩）研究相变是联系这两种研究方法的桥梁，另外天体物质受引力压缩的主要状态更接近等熵压缩，因此利用斜波加载技术研究相变具有重要的科学和工程意义。本文在磁驱动斜波加载装置CQ-4上，开展了铁、铋和锡等典型金属的斜波压缩相变动力学研究，取得了以下主要结论和创新:
　　1)完善了适用于相变研究的磁驱动斜波加载实验技术，拓展了CQ-4装置可覆盖的热力学加载路径。
　　建立了与CQ-4装置配套的预设样品初始温度系统，温度调节范围是-80℃～180℃，精度为0.1℃，其中低温系统是首次在磁驱动斜波加载装置上实现，基于变温系统可以在更宽的温度范围内研究热效应对相变动力学的影响;建立了冲击-斜波复杂路径加载实验技术，利用此技术可获取热力学平面上等熵线和冲击Hugoniot线之间的实验数据，对建立和校验物理模型具有重要意义;建立了液态样品斜波加载实验技术，为后续的液液相变、液固相变动力学研究奠定实验基础。
　　2)基于完善后的磁驱动斜波加载技术，开展了铁、铋、锡等典型金属的斜波压缩相变实验，研究了窗口材料、样品厚度、初始温度等因素对相变动力学过程的影响。
　　获得了铋含有三次相变信息的速度波剖面，清晰给出了动态压缩过程中铋依次经历Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ四个固体相，而不是直接由Ⅰ相直接进入Ⅲ相或Ⅴ相，体现了斜波压缩技术在研究复杂相区间材料动态特性时具有明显优势。数值计算结果再现了铋斜波压缩过程中经历的弹塑性转变、3GPa附近和7GPa附近相变，通过实验结果对现有铋的Helmholtz自由能表达式及其参数进行了修正。
　　实验观测到铁样品（蓝宝石窗口）波剖面在相变混合区出现了负斜率。相变混合区对应的速度波剖面波形由界面反射压缩波强度和相变过程中材料体积塌缩引起的‘稀疏波’强度两个因素决定，反射压缩波强度由样品和蓝宝石窗口声阻抗决定，体积塌缩引起的‘稀疏波’强度由相变引起的体应变间断大小、相变速率决定。三种材料（铁、锆、钛）与窗口的声阻抗匹配及相变弛豫时间基本一致，而锆和钛材料相变引起的体应变间断不足铁的一半，因此铁样品内部随着相变的发生会有强烈的‘稀疏波’产生，两个因素共同作用使其出现负斜率，锆和钛则不会出现。
　　相变对应的特征速度随着样品初始温度的提高而减小，这是由于提高样品初始温度后材料的两相Gibbs自由能之差缩小，较小的压力使材料达到相变临界条件。冲击-斜波加载下锆的实验结果表明冲击压力较小时可观测到包含相变信息的三波结构速度波剖面，加载条件相同时随着撞击速度的提高样品后表面速度峰值增加，这是由于冲击波强度增加会提高样品的温度，实验对应的热力学路径介于等熵线和Hugoniot线之间。
　　相变起点对应的特征速度随着样品厚度增加逐渐减小，这是相变弛豫时间、波系演化的结果，相变波从亚稳态回归到平衡态需要一定的时间和传播距离，薄样品中相变波还处于压力较高的亚稳态，因此对应的特征速度较高。
　　3)建立了适用于斜波加载下材料相变研究的Hayes多相修正模型和基于Helmholtz自由能的铁、铋和锡等金属的多相状态方程。
　　基于斜波压缩过程的热力学特点、借鉴Murnaghan等熵状态方程对Hayes多相模型中的体模量进行了修正，修正后模型同时适用于斜波和冲击相变过程，未修正的Hayes无法描述斜波压缩相变实验，说明冲击实验结果掩盖了压力项的作用而斜波实验结果将问题暴露出来。数值计算结果表明基于Helmholtz自由能的多相状态方程同时适用于斜波和冲击相变实验的描述，这是首次利用这种形式的多相状态方程开展动态实验过程的数值模拟。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 相变动力学理论研究进展

1．2．1 相变临界准则

1．2．2 相变动力学

1．2．3 多相状态方程

1．3 适用相变研究的准等熵(斜波)加载实验技术研究进展

1．3．1 分离式Hopkillson压杆

1．3．2 斜波发生器技术

1．3．3 阻抗梯度飞片加载技术

1．3．4 磁驱动斜波加载技术

1．4 本文的主要章节安排

第2章 适用于相变的磁驱动斜波加载实验技术研究

2．1 冲击-斜波加载实验技术

2．2 预设固态样品初始温度系统设计

2．2．1 升温系统

2．2．2 降温系统

2．3 液态样品盒设计及验证实验

2．3．1 液态样品盒设计

2．3．2 水的斜波压缩相变实验

2．4 实验不确定度分析

2．4．1 极板／样品／窗口厚度不确定度分析

2．4．2 粒子速度误差分析

2．5 本章小结

第3章 典型金属的斜波加载相变实验研究

3．1 界面速度测试技术

3．2 负载区样品布局和加载一致性验证实验

3．2．1 负载区样品布局

3．2．2 加载一致性验证实验

3．3 铁的磁驱动斜波压缩相变实验

3．3．1 窗口特性对相变影响实验

3．3．2 样品厚度对相变影响实验

3．4 铋的磁驱动斜波压缩相变实验

3．4．1 样品厚度对相变影响实验

3．4．2 初始温度对相变影响实验

3．5 锡的磁驱动斜波压缩相变实验

3．5．1 样品厚度对锡相变影响实验

3．5．2 初始温度对锆相变影响实验

3．6 钛和锆的磁驱动斜波压缩相变实验

3．6．1 窗口特性对相变影响实验

3．6．2 窗口特性对相变影响实验

3．7 锆的冲击-斜波加载实验

3．8 本章小结

第4章 斜波加载下材料多相状态方程和数值模拟

4．1 Hayes多相状态方程适用性分析

4．2 基于Helmholtz自由能的多相状态方程(F-MEOS)

4．3 程序结构

4．4 程序验证

4．5 数值计算结果与分析

4．5．1 铁的数值计算与分析

4．5．2 铋变温实验的数值计算与分析

4．5．3 锡的数值计算与分析

4．5．4 锆的数值计算与分析

4．5．5 钛的数值计算与分析

4．6 本章小结

5．1 全文总结

5．2 主要创新点

5．3 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果