当期目录

2024年  第38卷  第3期

封面
 2024 年 3 期封面
2024, 38(3)
摘要:
2024 年 3 期目次
2024, 38(3): 1-2.
摘要:
前言
动态载荷下材料多尺度结构与物性专题 • 前言
2024, 38(3): 1-1.
摘要:
动态载荷下材料多尺度结构与物性专题
微秒到秒时间尺度的高压相变动力学和物性研究:回顾、进展及展望
王毫, 赵婷婷, 李梅, 李俊龙, 彭赏, 刘旭强, 赵博浩, 陈彦龙, 林传龙
2024, 38(3): 030101. doi: 10.11858/gywlxb.20240770
摘要:

近年来,基于金刚石对顶砧的快速加载技术(如动态金刚石对顶砧)和时间分辨探测技术的快速发展为高压科学研究开辟了新的研究方向和思路。这些技术使得科学家能够探索微秒到秒级时间尺度的高压非平衡物理过程,填补了静高压与动态冲击波实验之间的空白。本文回顾并总结了近年来在快速加载和时间分辨探测技术上的进展,详细探讨了依赖于加载速率的结构相变动力学、相变途径、亚稳相的形成、微结构、力致发光等现象。希望通过深入思考和系统归纳微秒至秒级时间尺度的高压科学问题和技术挑战,为高压科学领域的研究者提供新的启示和参考。

不同应变率加载下硅的高压相变行为
陈小辉, 柳雷, 张毅, 李守瑞, 敬秋民, 高俊杰, 李俊
2024, 38(3): 030102. doi: 10.11858/gywlxb.20240742
摘要:

高压相变是凝聚态物理、地球与行星科学、材料科学等领域关注的核心问题之一,而加载应变率是相变动力学过程的重要影响因素。由于动态加载下物质相结构原位诊断技术的不足以及宽广加载应变率下物质高压相变系统实验研究的缺失,难以开展基于原子尺度物理机制的相变动力学过程建模和数值模拟研究。由于硅的高压相极其丰富,且拥有大量亚稳相,动力学因素在其高压相变过程中发挥着至关重要的作用,因此,硅是研究高压相变动力学的理想材料,对普适相变动力学过程的理论建模具有重要意义。以硅为例,介绍其在准静态、中等应变率和高应变率加载下的相变行为,探讨加载应变率对其高压相变行为的影响。

纳米钨在高压下的物理力学行为与尺寸效应研究
赵康林, 王齐明, 张友君, 蒋刚, 彭放, 李延春
2024, 38(3): 030103. doi: 10.11858/gywlxb.20230756
摘要:

探究尺寸效应对材料高压物性的影响规律有助于开发具有新颖或者改良特性的新材料。采用金刚石对顶砧结合同步辐射X射线衍射技术,研究了平均晶粒尺寸分别为30和65 nm的多晶钨粉在高压下的静态压缩行为。通过分析每个压力点下X射线衍射图谱的峰位和半高宽等,得到了纳米金属钨在高压下的晶胞体积、晶粒尺寸和微观应变等。通过拟合三阶Birch-Murnaghan方程,得到了30和65 nm钨的体弹模量,分别为257(7) GPa和343(8) GPa。结合前人的研究结果发现,当晶粒尺寸从微米降低至10 nm,钨的屈服强度逐渐增大,10 nm钨的屈服强度较微米晶样品的屈服强度提高了3.5倍;体弹模量呈现先增大后减小的趋势,30 nm钨的体弹模量较65 nm钨减小了25%。

不同应变率下高强钢的拉伸行为及力学性能分析
洛绒邓珠, 刘潇如, 杨佳, 肖礼康, 郭亮, 魏占涛, 周章洋, 易早, 刘艺, 房雷鸣, 熊政伟
2024, 38(3): 030104. doi: 10.11858/gywlxb.20240702
摘要:

高强钢因强度高、塑性好、耐腐蚀性优异而得到广泛应用。然而,高强钢具有显著的应变率敏感性。为此,针对2种高强钢(Ultrafort 401和Ferrium S53钢),开展了不同应变率下(10−4~103 s−1)的拉伸试验,获得了屈服强度、抗拉强度、硬化指数等性能参量,并深入分析了其随应变率变化的规律。不同应变率下,Ferrium S53钢的拉伸性能始终优于Ultrafort 401钢,但两者却表现出不同的变化趋势。随着应变率的增加,Ultrafort 401钢的屈服强度和抗拉强度均增大,而Ferrium S53钢的屈服强度增大,抗拉强度先减小后增大。结合微观结构表征发现,Ferrium S53钢所具有的较高的屈服强度与其初始晶粒尺寸更小有关,2种高强钢的抗拉强度随应变率增加所表现出的不同变化趋势则与应变硬化响应差异有关。随着应变率的升高,Ultrafort 401钢的韧窝尺寸增大,而Ferrium S53钢的韧窝尺寸先减小后增大,说明2种高强钢的应变硬化水平随着应变率升高而呈现不同的变化趋势。研究结果为高强钢在不同加载条件下的力学性能评估提供了科学依据,对高强钢的工程应用具有一定的指导意义。

相场模拟研究AZ31B镁合金的动态再结晶
许可, 盛杰, 刘瑜, 黄厚兵, 施小明, 宋海峰
2024, 38(3): 030105. doi: 10.11858/gywlxb.20230780
摘要:

镁合金被广泛应用于材料科学、航空航天及军事装备等领域。实验发现,镁合金材料在动态加载下的力学响应与介观尺度不连续动态再结晶紧密相关。为此,构建了镁合金动态再结晶的相场模型,以AZ31B镁合金为研究对象,模拟了不同温度(250~400 ℃)、低应变率(0.01~1.00 s−1)加载下的不连续动态再结晶演化过程。再结晶相场模型耦合了塑性应变,实现了应力-应变曲线与再结晶组织演化的迭代求解。模拟发现,再结晶晶粒的体积分数和平均晶粒尺寸随温度的升高而明显增大,随应变率的增大而减小。

不同波形加载下[100]单晶铝层裂破坏的分子动力学模拟研究
杨向阳, 吴楯, 祝有麟, 李俊国, 张睿智, 张建, 罗国强
2024, 38(3): 030106. doi: 10.11858/gywlxb.20240786
摘要:

采用分子动力学方法模拟了[100]单晶铝在等冲量斜波和方波作用下的形变和层裂行为,分析了加载波形与层裂行为之间的相关性。研究表明,脉冲形状与热力学路径的协同作用影响了材料层裂。不同加载波形下单晶铝层裂强度的差异并非受缺陷主导的非均匀孔洞形核影响,而是由不同热力学路径下温升的差异决定。例如:当最大加载速度为3.00 km/s时,单晶铝均经历均匀层裂,但斜波加载下铝的层裂强度较方波加载时提升56.6%。斜波加载会产生逐渐增强的压缩波,使单晶铝产生相比于冲击加载更轻度的损伤。这一现象随着加载速度的提高而变得更加显著。

〈111〉方向单轴应变下金刚石和硅的广义层错能
黄丽丽, 彭丽, 陈实, 张红平, 李牧
2024, 38(3): 030107. doi: 10.11858/gywlxb.20240765
摘要:

晶体中原子层面剪切所带来的能量称为广义层错能,它是描述晶体中纳米尺度塑性变形的关键参数,如位错分解、成核和孪晶。在冲击加载过程中,弹塑性转变发生在一维弹性应变之后,因此,单轴应变下的广义层错能对于理解塑性流动的发生具有重要意义。应用基于密度泛函理论的第一性原理,计算了在$ \text{[}\text{111}\text{]} $方向单轴应变下硅和金刚石的glide (111)面的广义层错能面。基于广义层错能面的平移对称性,通过傅里叶级数展开,拟合得到了广义层错能面的表达式,并给出了$ [\overline{\text{1}}\text{10}\text{]} $ (111)和$ \text{[}\text{11}\overline{\text{2}}\text{]} $ (111)方向的广义层错能曲线。结果表明,随着应变的增加,本征层错能和不稳定层错能出现明显的变化,且不稳定层错能与本征层错能之比减小,说明在$ \left\langle{\text{111}}\right\rangle $方向的单轴应变下晶体中的位错不容易发生分解。该结果解释了在四代光源上开展的位错演化动态实验结果,即沿$ \left\langle{\text{111}}\right\rangle $方向加载的层错信号出现的速度和强度均远不如沿$\left\langle{\text{110}}\right\rangle $方向和$\left\langle{\text{100}}\right\rangle $方向加载的结果。

高温高压下UH3结构稳定性及其冲击分解
王玉锋, 郝龙, 吴凤超, 耿华运, 李俊
2024, 38(3): 030108. doi: 10.11858/gywlxb.20240709
摘要:

利用统计物理模型构建了UH3晶体及其化学分解产物的状态方程,通过比较Gibbs自由能获得了UH3的高温高压相图,并将其应用于疏松和密实UH3冲击压缩性质研究中。结果表明:等温压缩下,UH3晶体在压力约74.0 GPa时发生化学分解,提高温度有助于化学分解的发生,但压力对UH3化学分解相边界的影响是非单调的;冲击加载下,密实UH3在35~50 GPa压力范围内发生化学分解,并且由于冲击分解伴随着明显的体积塌缩,分解产物的雨贡纽曲线位于等温压缩线下方,曲线位置关系反常;UH3的冲击分解压力随着疏松度的增大而减小,当UH3材料的初始疏松度为1.5时,在化学分解转变压力范围内,UH3的分解产物比UH3晶体更难压缩,表现出类似大疏松度材料在冲击作用下的“反常膨胀”现象。研究结果丰富了对UH3材料动态压缩特性的认识,为锕系金属氢化物的高温高压物理化学性质研究提供了理论参考。

聚合物在冲击荷载下的物性及“相变”实验研究进展
叶世佳, 郝龙, 王玉锋, 李守瑞, 耿华运, 李俊
2024, 38(3): 030109. doi: 10.11858/gywlxb.20230787
摘要:

聚合物被广泛应用于国防和国民经济的各个领域,在服役过程中,不可避免地暴露于高温高压等极端环境,因此,有必要研究其在冲击荷载下的物性及“相变”问题。聚合物具有独特的分子链结构,表现出异于金属等大多数材料的性能。聚合物的雨贡纽曲线低压外推的截距明显高于零压体波声速,且低压下的波剖面呈现带弧形的波系结构。在20~30 GPa压力范围,其雨贡纽曲线存在明显的转折,说明材料在冲击下发生了“相变”。首先,对该“相变”反映的化学分解和晶格结构转变进行了解释,并对其中蕴含的“相变”动力学问题进行了研究。然后,简单介绍了基于化学分解的物态方程的建模方法。最后,对聚合物在冲击荷载下的物性和“相变”研究提出了展望。

高压下硝酸肼结构演化的中远红外光谱和第一性原理计算研究
曾阳阳, 朱刚贝, 王文涛, 白莎, 郑朝阳, 于国洋, 杨延强
2024, 38(3): 030110. doi: 10.11858/gywlxb.20230804
摘要:

对于含能材料,6 THz(200 cm−1)以内的晶格振动模式对外部压力变化引起的结构变化非常敏感,因此,中远红外振动光谱可作为研究含能材料高压相变的有力手段。利用基于空气等离子体产生的中远红外超宽带光谱技术,结合金刚石对顶砧,获得了含能材料硝酸肼的高压振动光谱。同时,采用第一性原理方法,计算了硝酸肼的晶体结构和红外光谱,在此基础上对分子间的相互作用进行了分析。综合实验和计算结果,揭示了压力作用下分子间氢键和范德瓦尔斯相互作用对材料中分子结构和堆垛变化的影响,获得了硝酸肼的相变过程。

中国绵阳研究堆高压中子衍射谱仪在材料研究中的应用
孙嘉程, 陈喜平, 谢雷, 房雷鸣
2024, 38(3): 030111. doi: 10.11858/gywlxb.20230790
摘要:

中国绵阳研究堆(CMRR)的高压中子衍射谱仪(凤凰,HPND)由中子聚焦系统、探测器系统、高压加载与集成系统等部分组成,可进行常压高低温、高压环境下的中子衍射实验,其中子衍射实验的原位室温高压加载最高可达30 GPa,高温高压加载最高可达2000 K、10 GPa。目前,凤凰谱仪已被广泛应用于材料研究领域,如过渡金属氮化物、锂离子材料、磁性材料、含能材料、铁电陶瓷等。利用常规中子衍射、高低温中子衍射以及高压中子衍射技术,获得材料的原子精确占位、磁结构、晶体结构以及相变等信息。

特别约稿与研究综述
大腔体压机腔体压强28 GPa的标定方法
葛雨非, 由存, 王星淋, 连敏, 赵鑫宇, 丰丙涛, 马孝慈, 陶强, 胡阔, 刘兆东, 周强, 朱品文
2024, 38(3): 030201. doi: 10.11858/gywlxb.20230807
摘要:

在大腔体压机中,一般利用压标物质相变时的电阻变化进行腔体压强标定,但目前仍缺少在22.5~34.5 GPa区间的相变压标物质。地球深部矿物50%MgSiO3-50%Al2O3(En50Cor50)在高温高压下转变为钙钛矿结构,且在27 GPa以上钙钛矿结构MgSiO3中溶解的Al2O3含量随压力升高而增加。为此,选取En50Cor50作为大腔体压机中28 GPa的压标物质进行高压腔体压强的间接标定。首先,利用常用压标物质的相变进行腔体压强标定,得到低压区系统油压-腔体压强的校正曲线(6.0~22.5 GPa);随后,根据低压区校正曲线及前人对En50Cor50的研究结果,估算28 GPa腔体压强对应的系统油压;将En50Cor50在预估油压、2000 K温度条件下保温3~7 h;最后,利用X射线衍射、拉曼光谱、电子探针等手段对En50Cor50进行测试分析。结果表明:在该条件下成功合成了布里奇曼石,且Al2O3的溶解度大于13.7%,对照前人的研究结果,确定样品腔体压强约为29 GPa。该方法成功标定了大腔体压机在28 GPa附近的腔体压强,填补了大腔体压机在该压强范围的标定空白。

地球内核超离子态铁合金及其效应
何宇, 孙士川, 李和平
2024, 38(3): 030202. doi: 10.11858/gywlxb.20240707
摘要:

超离子态介于固态与液态之间,被认为广泛存在于地球和行星内部。计算研究发现,在地球内核温度压力条件下,铁-氢、铁-碳、铁-氧合金处于超离子态,表现为氢、碳、氧等元素在固态铁合金中像液体一样快速流动。流动的轻元素导致铁合金软化及地震波速降低,与地球物理观测到的内核密度亏损和低剪切波速的特征一致。内核超离子态铁-氢合金可以与地磁场发生相互作用,在偶极地磁场的驱动下形成定向排列组构,从而解释了内核的各向异性结构成因。内核超离子态铁-轻元素合金的发现更新了人们对内核物态的认知,对掌握地球内核的结构、组成和演化以及内核结构与地球磁场的关系等具有重要意义。

高压下物质的动态响应
热腐蚀和热冲击下炭化釜Q245R钢本构关系的研究
刘志远, 陈文飞, 谢作然, 蒋昊成, 李进, 朱珏
2024, 38(3): 034101. doi: 10.11858/gywlxb.20230813
摘要:

采取电化学加速腐蚀试验对Q245R钢试样进行处理,以模拟炭化釜的实际腐蚀工况,通过电化学腐蚀拉伸试验,发现腐蚀不仅改变试样的几何尺寸,而且导致材料力学性能退化。对Q245R钢材料进行不同温度、腐蚀率、应变率(10−3~1 s−1低应变率、10~102 s−1中应变率、103 s−1高应变率)的拉伸试验,并运用MATLAB在Johnson-Cook本构方程的基础上进行拟合,增加特征强度与热处理温度、腐蚀率的关系,从而确定了材料的本构关系。结果显示,本构曲线与真实拉伸试验数据吻合较好,拟合效果良好。

“碳纤维-石墨烯”混合体系在3D打印聚氨酯复合材料力学及微波后处理工艺中的协同作用
王久强, 李永存, 刘朝阳, 雷科明, 郭章新, 栾云博
2024, 38(3): 034102. doi: 10.11858/gywlxb.20230814
摘要:

为研究“碳纤维-石墨烯”(carbon fiber-graphene,CF-G)增强热塑性聚氨酯(TPU)复合材料3D打印试件的力学性能以及微波后处理的影响,通过螺杆挤出工艺制备了CF-G增强TPU(G+CF/TPU)复合材料线材,然后采用熔融沉积成型技术和微波后处理工艺,制备了G+CF/TPU复合材料3D打印试件。研究表明,CF-G异质结构能够协同提高TPU复合材料的力学性能,特别是采用新型微波后处理工艺后,G+CF/TPU试件的拉伸强度和韧性得到进一步提高。其原因是CF-G异质结构与微波的协同作用促进了增强相与基体之间的界面黏结,减少了3D打印过程中点、层和道之间的内部缺陷。研究结果对于探索3D打印材料的力学性能强化和后处理工艺优化具有积极的意义。

错位多次打击下UHPC靶体损伤破坏效应的数值模拟研究
宗香华, 王银, 孔祥振, 姜雅婷, 孙留洋, 袁俊成, 杨涛春
2024, 38(3): 034201. doi: 10.11858/gywlxb.20230834
摘要:

基于LS-DYNA三维数值建模方法和修正的Kong-Fang混凝土材料模型,考虑多次打击时弹着点的二维正态分布规律,开展了某弹体错位多次打击下超高性能混凝土靶损伤破坏效应的数值模拟研究。首先对已有弹体先侵彻后爆炸一次打击试验进行了数值模拟,验证了数值建模方法和材料模型参数选取的准确性。在此基础上,开展了10组(圆概率误差(circular error probable,CEP)为3 m时5组,CEP为1 m时5组,每组随机生成3个弹着点)错位多次打击工况的数值计算,探讨了CEP和打击次数对靶体损伤破坏与侵彻深度的影响。数值模拟结果表明:第1枚弹体侵彻后的后续计算过程中,损伤演化均沿第1枚弹体侵彻后的材料损伤区域继续发展,随着打击次数增加,侵彻深度逐渐增加;当多次打击过程的CEP相同时,考虑爆炸工况时计算的侵彻深度比不考虑爆炸工况时大;CEP越小,相对侵彻深度越大,当CEP为1 m时,相对侵彻深度约为1.7,当CEP为3 m时,相对侵彻深度约为1.2。研究结果表明,在多次打击下,现有防护设计规范中遮弹层厚度的设计方法偏危险。

高压科学应用
HMX含量对PBT基推进剂撞击感度和非冲击点火反应特性的影响
杨年, 马腾, 过光飞, 吴三震, 夏语, 黄寅生, 刘大斌, 徐森
2024, 38(3): 035201. doi: 10.11858/gywlxb.20230824
摘要:

为了研究HMX的含量对PBT基推进剂撞击感度和非冲击点火反应特性的影响,开展了BAM落锤撞击感度试验、脆性试验和Susan试验。结果表明:随着HMX含量的增加,PBT基推进剂爆炸概率为50%时的特性落高(H50)减小,即推进剂的撞击感度随着HMX含量的增加而增大。对于HMX的质量分数分别为0、5%、10%和15%的PBT基推进剂,其临界撞击点火速度分别为168、147、136、131 m/s,临界撞击点火速度随HMX含量的增加而减小;在撞击速度为120~300 m/s的非冲击作用下,4种PBT基推进剂的反应等级为爆炸或部分爆轰,相同撞击速度下,HMX的质量分数为10%的PBT基推进剂相较于其他3种PBT基推进剂具有更剧烈的反应等级。

刚性和柔性多孔材料作用下氢气爆轰胞格结构的演化规律
罗荣钦, 彭澳, 张静雯, 王珺, 陈先锋, 申利远, 师吉浩, 孙绪绪
2024, 38(3): 035202. doi: 10.11858/gywlxb.20230776
摘要:

多孔材料作为高效吸波耗能介质,广泛应用于爆轰衰减研究中。为进一步揭示多孔材料的抑爆机理,系统研究了柔性(海绵)和刚性(金属丝网)2种典型多孔材料对氢氧爆轰胞格结构的影响,以及海绵和金属丝网厚度、孔隙率对爆轰胞格结构、尺寸等参数的影响。采用烟熏板技术记录爆轰波的胞格图案,并计算得到爆轰胞格尺寸;采用压力传感器记录爆轰波到达时间,进而计算得到爆轰波的平均传播速度。结果表明,爆轰胞格结构与海绵和金属丝网的厚度、孔隙率密切相关,此外研究发现了多个爆轰传播阶段,包括爆轰失效、加速和再起爆。爆轰胞格尺寸也与海绵和金属丝网的厚度、孔隙率密切相关,增大多孔材料厚度和减小孔隙率均能显著增大爆轰胞格尺寸。通过对比分析海绵与金属丝网对爆轰胞格尺寸的影响发现,在相同条件下,刚性多孔材料对爆轰的抑制作用更强,但这种差距会随着多孔材料厚度的增加而减小。最后,通过引入无量纲参数DH/λ量化分析爆轰传播极限。对于柔性和刚性多孔材料而言,其爆轰传播极限可分别近似量化为DH/λ≈3.0和DH/λ≈3.1。

基于WOA-RF的边坡稳定性预测模型
张建涛, 刘志祥, 张双侠, 郭腾飞, 袁丛祥
2024, 38(3): 035301. doi: 10.11858/gywlxb.20230837
摘要:

为有效地预测边坡稳定性和预防边坡失稳事故的发生,提出了鲸鱼优化算法(whale optimization algorithm,WOA)和随机森林(random forest,RF)相结合的混合模型WOA-RF;基于所收集的边坡案例,采用混淆矩阵的分类性能指标和受试者工作特征曲线及线下面积评估混合模型WOA-RF的分类和泛化性能;使用WOA对4种广泛应用的机器学习模型进行优化,并将优化后的机器学习模型与WOA-RF模型进行对比分析。结果表明:WOA可以有效地优化超参数和提升模型性能;最优WOA-RF模型在训练集和测试集上的准确率分别为0.99和0.94,优化后,准确率、精确率、召回率、精确率和召回率的加权平均值分别提升了11.9%、19.0%、4.8%和11.9%;对比分析各个模型的预测性能后发现,WOA-RF模型的各项指标均优于其他模型;确定了特征重要性排序,发现容重是影响边坡稳定性的最敏感特征。WOA-RF模型可有效地预测边坡稳定性,预测结果可为防护措施的制定提供依据。