【摘要】：相變是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象,物質(zhì)在一定的壓力和溫度條件下會發(fā)生相轉(zhuǎn)變,物質(zhì)相變前后物理、力學(xué)、化學(xué)和結(jié)構(gòu)等性質(zhì)顯著改變,因此相變是沖擊波物理、材料動力學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一。研究相變的實(shí)驗(yàn)方法主要有靜高壓和沖擊壓縮,近似對應(yīng)等溫線和絕熱線。由熱力學(xué)可知,等熵線介于等溫線和絕熱線之間,準(zhǔn)等熵壓縮(斜波壓縮)研究相變是聯(lián)系這兩種研究方法的橋梁,另外天體物質(zhì)受引力壓縮的主要狀態(tài)更接近等熵壓縮,因此利用斜波加載技術(shù)研究相變具有重要的科學(xué)和工程意義。本文在磁驅(qū)動斜波加載裝置CQ-4上,開展了鐵、鉍和錫等典型金屬的斜波壓縮相變動力學(xué)研究,取得了以下主要結(jié)論和創(chuàng)新:1)完善了適用于相變研究的磁驅(qū)動斜波加載實(shí)驗(yàn)技術(shù),拓展了 CQ-4裝置可覆蓋的熱力學(xué)加載路徑。建立了與CQ-4裝置配套的預(yù)設(shè)樣品初始溫度系統(tǒng),溫度調(diào)節(jié)范圍是-80℃-180℃,精度為0.1℃,其中低溫系統(tǒng)是首次在磁驅(qū)動斜波加載裝置上實(shí)現(xiàn),基于變溫系統(tǒng)可以在更寬的溫度范圍內(nèi)研究熱效應(yīng)對相變動力學(xué)的影響;建立了沖擊-斜波復(fù)雜路徑加載實(shí)驗(yàn)技術(shù),利用此技術(shù)可獲取熱力學(xué)平面上等熵線和沖擊Hugoniot線之間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對建立和校驗(yàn)物理模型具有重要意義;建立了液態(tài)樣品斜波加載實(shí)驗(yàn)技術(shù),為后續(xù)的液液相變、液固相變動力學(xué)研究奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2)基于完善后的磁驅(qū)動斜波加載技術(shù),開展了鐵、鉍、錫等典型金屬的斜波壓縮相變實(shí)驗(yàn),研究了窗口材料、樣品厚度、初始溫度等因素對相變動力學(xué)過程的影響。獲得了鉍含有三次相變信息的速度波剖面,清晰給出了動態(tài)壓縮過程中鉍依次經(jīng)歷I、II、III和V四個固體相,而不是直接由I相直接進(jìn)入III相或V相,體現(xiàn)了斜波壓縮技術(shù)在研究復(fù)雜相區(qū)間材料動態(tài)特性時具有明顯優(yōu)勢。數(shù)值計算結(jié)果再現(xiàn)了鉍斜波壓縮過程中經(jīng)歷的彈塑性轉(zhuǎn)變、3GPa附近和7GPa附近相變,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對現(xiàn)有鉍的Helmholtz自由能表達(dá)式及其參數(shù)進(jìn)行了修正。實(shí)驗(yàn)觀測到鐵樣品(藍(lán)寶石窗口)波剖面在相變混合區(qū)出現(xiàn)了負(fù)斜率。相變混合區(qū)對應(yīng)的速度波剖面波形由界面反射壓縮波強(qiáng)度和相變過程中材料體積塌縮引起的‘稀疏波’強(qiáng)度兩個因素決定,反射壓縮波強(qiáng)度由樣品和藍(lán)寶石窗口聲阻抗決定,體積塌縮引起的'稀疏波'強(qiáng)度由相變引起的體應(yīng)變間斷大小、相變速率決定。三種材料(鐵、鋯、鈦)與窗口的聲阻抗匹配及相變弛豫時間基本一致,而鋯和鈦材料相變引起的體應(yīng)變間斷不足鐵的一半,因此鐵樣品內(nèi)部隨著相 '變的發(fā)生會有強(qiáng)烈的'稀疏波'產(chǎn)生,兩個因素共同作用使其出現(xiàn)負(fù)斜率,鋯和鈦則不會出現(xiàn)。相變對應(yīng)的特征速度隨著樣品初始溫度的提高而減小,這是由于提高樣品初始溫度后材料的兩相Gibbs自由能之差縮小,較小的壓力使材料達(dá)到相變臨界條件。沖擊-斜波加載下鋯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明沖擊壓力較小時可觀測到包含相變信息的三波結(jié)構(gòu)速度波剖面,加載條件相同時隨著撞擊速度的提高樣品后表面速度峰值增加,這是由于沖擊波強(qiáng)度增加會提高樣品的溫度,實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的熱力學(xué)路徑介于等嫡線和Hugoniot線之間。相變起點(diǎn)對應(yīng)的特征速度隨著樣品厚度增加逐漸減小,這是相變弛豫時間、波系演化的結(jié)果,相變波從亞穩(wěn)態(tài)回歸到平衡態(tài)需要一定的時間和傳播距離,薄樣品中相變波還處于壓力較高的亞穩(wěn)態(tài),因此對應(yīng)的特征速度較高。3)建立了適用于斜波加載下材料相變研究的Hayes多相修正模型和基于Helmholtz自由能的鐵、鉍和錫等金屬的多相狀態(tài)方程。基于斜波壓縮過程的熱力學(xué)特點(diǎn)、借鑒Mumaghan等熵狀態(tài)方程對Hayes多相模型中的體模量進(jìn)行了修正,修正后模型同時適用于斜波和沖擊相變過程,未修正的Hayes無法描述斜波壓縮相變實(shí)驗(yàn),說明沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果掩蓋了壓力項(xiàng)的作用而斜波實(shí)驗(yàn)結(jié)果將問題暴露出來。數(shù)值計算結(jié)果表明基于Helmholtz自由能的多相狀態(tài)方程同時適用于斜波和沖擊相變實(shí)驗(yàn)的描述,這是首次利用這種形式的多相狀態(tài)方程開展動態(tài)實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)值模擬。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG111.5
【圖文】：

＇邐進(jìn)行壓縮，加載速率較低，由不可逆熱耗散所引起的熱效應(yīng)成分大大降低，靶內(nèi)逡逑的熵增和溫升很小。鋁的沖擊Ｈｕｇｏｎｉｏｔ線和等熵線見圖１．２，由圖得隨著壓力的逡逑提高兩種熱力學(xué)路徑的差異越來越大，斜波壓縮下材料可以在很高的壓力范圍內(nèi)逡逑１逡逑

５２］。逡逑的準(zhǔn)等熵（斜波）加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究地開展材料相變動力學(xué)的研究，必須有相應(yīng)的經(jīng)過半個多世紀(jì)的努力，人們己經(jīng)成功的發(fā)廣泛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以分為靜高壓壓縮和沖擊認(rèn)為是一個等溫加載過程，加載曲線在Ｐ－Ｖ由于加載速率快，樣品來不及和外界交換熱Ｐ－Ｖ平面上可以看作一條Ｈｕｇｏｎｉｏｔ線。由熱力Ｈｕｇｏｎｉｏｔ線之間。所以，在材料動力學(xué)特性研術(shù)是聯(lián)系靜高壓壓縮和沖擊壓縮技術(shù)的重要對各種物態(tài)方程理論作出關(guān)鍵性的鑒別，并可。逡逑Ｐ袖逡逑

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本文編號：2736774