一种直接测量材料高压强度的磁压剪实验技术

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    自20世纪60年代以来，国内外学者提出了多种方法来测量高压下材料的剪切强度。受限于不同实验技术的加载状态、加载应变率以及其计算材料强度的基本原理和基础假定的差异，不同的动高压实验给出的材料高压强度数值往往分散性较大。发展新的实验技术，弱化强度计算过程中对实验材料和加载状态的物理约束，获取不同状态下材料的强度数据，将有助于深入分析压力、温度、应变率、初始变形等因素对材料强度的影响。

2008年，J.R.Asay等人将冲击实验中的双屈服面方法应用到等熵压缩实验中来，开辟了研究等熵压缩下材料强度的新途径。2010年，C.S.Alexander提出了磁驱动压剪联合加载测量材料强度的思想，并进行了验证性实验。该方法物理概念清晰、数据处理简单，在材料的动高压强度测量方面展示了很大的应用前景。我们利用流体物理研究所磁驱动加载装置CQ-4，设计了用于磁压剪实验的脉冲强磁场发生器，发展了低速横向测速技术，在此基础上，开展了磁驱动压-剪联合加载下纯铝的强度测量实验。

1  压剪联合加载的理论分析与数值模拟

完成了一维轴向应变和剪切应变加载下材料微元的应力状态分析。假定材料在动态加载下满足Von-Mises屈服准则，则应力张量的偏量S_ij和材料屈服强度Y之间满足下式约束：

此处x方向为压缩方向，y向为剪切方向。注意到剪切应力S_xy为外部驱动力，当S_xy达到其最大值时，变量S_xx将减小至零，此时，轴向应力σ_xx状态下材料的屈服强度与切向应力的关系为

    采用流体动力学程序LS-DYNA模拟了斜波压剪联合加载的动力学过程。图1给出了样品前后界面和样品中心位置的纵向应力和切向应力变化，受限于样品的剪切强度，经过样品的剪切波强度明显变化。图2给出了样品中心的各应力分量对式(1)的满足情况。

2  磁压剪实验设计与实验结果

完成了脉冲强磁场发生器设计与实验。脉冲强磁场发生器由储能电容器组、半导体开关和线圈组成，线圈外半径4.6 cm，内半径3 cm，线圈内7 mm直径磁场空间不均匀性<2%。图3为充电8 kV时线圈组的放电电流和线圈中心位置磁场随时间变化曲线，放电电流峰值13.3 kA，磁场峰值8.8 T。在磁场峰值50 ms时间窗口内，磁场变化偏差<0.2%，在CQ-4装置放电周期(T_1/4?500 ns)内可看作稳恒磁场。

基于CQ-4装置，开展了磁驱动压剪联合加载下纯铝的强度测量。实验靶区结构如图4所示。加载电极为1.5 mm厚高强度钼板，样品为0.11 mm厚纯铝，窗口材料为高强度ZrO₂单晶。窗口表面研磨粗糙度0.1 mm，并在其自由面镀铝成漫反射面。通过±15°倾角的PDV测试探头测量ZrO₂单晶自由面速度，再将PDV测量结果分解到纵向和横向，进而获得轴向速度和切向速度(见图5)。由于ZrO₂单晶在20 GPa内仍保持弹性状态，因此可通过窗口材料的弹性波速、纵向速度以及切向速度计算传入窗口的纵向应力和切向应力，进而获得样品的纵向应力和切向应力，计算样品的屈服强度，计算公式为

图6给出了采用磁压剪方法测量的碾压成薄片的纯铝和研磨成薄片纯铝的强度数据，明显可见，材料的细观结构对其强度数据有明显影响。