俞宇穎，習(xí) 鋒，戴誠達(dá)，蔡靈倉，譚 華，李雪梅

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽621999）

金屬玻璃作為原子無序堆垛結(jié)構(gòu)的代表性材料，有獨(dú)特的原子短程有序、長程無序的微觀結(jié)構(gòu)，兼有金屬和玻璃特性，是具有廣泛應(yīng)用前景的新型結(jié)構(gòu)和功能材料［1］。金屬玻璃力學(xué)性能的研究有助于理解其變形和損傷破壞機(jī)理、提高其結(jié)構(gòu)性能。

對一般環(huán)境下金屬玻璃的彈塑性變形、損傷及破壞等力學(xué)性能已有了大量研究，C.A.Schuh等［2］和M.M.Trexler等［3］分別對相關(guān)研究進(jìn)行了綜合評述。在已有研究中，金屬玻璃的屈服強(qiáng)度特性是重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。很多準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，金屬玻璃的屈服強(qiáng)度與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。J.Lu等［4］采用圍壓法研究了受約束狀態(tài)下Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5金屬玻璃的屈服強(qiáng)度特性（最大壓力約2GPa），結(jié)果顯示屈服強(qiáng)度壓力硬化效應(yīng)非常明顯。近年來，高壓、高應(yīng)變率等極端條件下金屬玻璃的沖擊波響應(yīng)特性逐漸引起重視，目前已有Zr基金屬玻璃的沖擊絕熱線［5－6］、層裂現(xiàn)象［7－8］和彈塑性變形行為［9－12］的一些實(shí)驗(yàn)及理論模擬研究。F.P.Yuan等［9］運(yùn)用壓剪炮技術(shù)對 Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5金屬玻璃屈服強(qiáng)度的壓力相關(guān)性進(jìn)行了研究（最大壓力8.8GPa），實(shí)驗(yàn)結(jié)果與準(zhǔn)靜態(tài)不同：壓剪加載下壓力或法向應(yīng)力對屈服強(qiáng)度影響很小；而S.J.Turneaure等［10］和俞宇穎等［11］的27GPa壓力范圍內(nèi)平靶沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋯基金屬玻璃的沖擊加載波陣面存在剪應(yīng)力衰減?？傊饘俨ＡУ那?qiáng)度特性研究限于較低壓力范圍，而且相關(guān)結(jié)論并不一致，須進(jìn)一步研究。此外，表征金屬玻璃強(qiáng)度特性的另外一個(gè)物理量——剪切模量也僅有2GPa壓力范圍內(nèi)的超聲測量結(jié)果［13］，還未見沖擊波加載下的高壓剪切模量數(shù)據(jù)。

本文中，對一種鋯基金屬玻璃進(jìn)行平靶沖擊，通過測量樣品／透明窗口界面沖擊加載－卸載粒子速度剖面，獲得37～66GPa壓力范圍的屈服強(qiáng)度和剪切模量數(shù)據(jù)；結(jié)合實(shí)驗(yàn)測得的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，對鋯基金屬玻璃沖擊波陣面剪應(yīng)力松弛現(xiàn)象［10－11］進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

為簡化沖擊加載－卸載過程樣品中的波系作用，利于粒子速度剖面的處理分析，實(shí)驗(yàn)采用如圖1所示的反向碰撞方式，即由待測樣品（鋯基金屬玻璃）作為飛片直接撞擊透明的單晶LiF窗口。LiF窗口碰撞面鍍有1μm鋁膜作為光學(xué)測試的反射面，為保護(hù)長歷時(shí)測量過程中鋁膜不受破壞，鋁膜前粘接了8μm銅箔。飛片襯墊為低阻抗的聚碳酸酯，實(shí)現(xiàn)對沖擊后樣品的卸載。DISAR（displacement interferometer system for any reflector）技術(shù)［14］用于測量鋯基金屬玻璃樣品／LiF窗口界面粒子速度剖面，飛片速度采用磁測速技術(shù)測量。

實(shí)驗(yàn)用金屬玻璃為Zr51Ti5Ni10Cu25Al9（原子百分比），平均密度為約6.740g／cm3，超聲測量的常態(tài)縱波和橫波聲速分別為4.820和2.193km／s［6］。根據(jù)測定的縱波和橫波聲速，可以得到體波聲速為4.101km／s，剪切模量為32.4GPa，泊松比為0.369。樣品名義尺寸為?28mm×3mm，表面拋光處理，平行度2～5μm。LiF窗口尺寸為?28mm×12mm，密度為2.638g／cm3，沖擊波速度 D＝5.148km／s＋1.353u（u為粒子速度）［15］。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental setup

2 結(jié)果與分析

在?30mm二級輕氣炮上進(jìn)行了4發(fā)沖擊加載－卸載實(shí)驗(yàn)，沖擊速度為2.889～4.480km／s，鋯基金屬玻璃樣品產(chǎn)生的壓力為37～66GPa。實(shí)驗(yàn)的參數(shù)列于表1中，其中ρ0為鋯基金屬玻璃樣品初始密度，Hs為樣品厚度，W 為沖擊速度，σH為沖擊壓力，τH＋τc為屈服強(qiáng)度，G為剪切模量。

表1 平靶沖擊實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Table 1 Experimental conditions and results for four plate－impact experiments

由DISAR測得的4發(fā)實(shí)驗(yàn)鋯基金屬玻璃樣品／LiF窗口界面粒子速度剖面如圖2所示。卸載過程中呈現(xiàn)明顯的彈塑性特征，表明在66GPa沖擊壓力范圍內(nèi)鋯基金屬玻璃沒有發(fā)生沖擊熔化。根據(jù)波傳播特性，可由粒子速度剖面（見圖2），得到沿著卸載過程的拉格朗日縱波聲速：

式中：Ds為樣品的沖擊波速度，t為來自樣品后界面的卸載波到達(dá)樣品／窗口界面時(shí)間（以碰靶為起始時(shí)刻）。在18～100GPa沖擊壓力范圍，該鋯基金屬玻璃的沖擊波速度Ds＝4.241km／s＋1.015u［6］。

圖3給出了由上述加載－卸載粒子速度剖面得到的卸載過程拉格朗日縱波聲速cL隨粒子速度u的變化。其中，粒子速度u由樣品／窗口界面粒子速度uw結(jié)合增量型阻抗匹配法計(jì)算得到，由此得到的粒子速度計(jì)及了卸載波在樣品／窗口界面反射造成的影響［16］。與金屬材料相類似，鋯基金屬玻璃卸載過程也呈現(xiàn)準(zhǔn)彈性行為特征，即卸載過程彈、塑性波速為光滑過渡，而沒有發(fā)生突降［17］。盡管沖擊壓力不同，但塑性聲速與粒子速度關(guān)系基本一致。將塑性段聲速線性外延可得相應(yīng)的拉格朗日體波聲速cB。

根據(jù)J.R.Asay等［18］提出的雙屈服面強(qiáng)度測量方法，對沿卸載過程的聲速進(jìn)行計(jì)算，可得到：

式中：uH和uc分別為Hugoniot狀態(tài)對應(yīng)粒子速度和卸載進(jìn)入塑性屈服時(shí)對應(yīng)的粒子速度（見圖3），τH和τc分別為Hugoniot狀態(tài)剪應(yīng)力和臨界剪應(yīng)力，τH＋τc為屈服強(qiáng)度。

沖擊壓縮下（Hugoniot態(tài)）的剪切模量：

式中：ρ0為材料的初始密度，ρ為沖擊壓縮下（Hugoniot態(tài)）的密度，cL和cB分別為Hugoniot態(tài)對應(yīng)的拉格朗日縱波和體波聲速（見圖3）。

圖2 樣品／窗口界面粒子速度剖面Fig.2 Particle velocity profiles measured at sample／window interface

圖3 卸載過程的拉格朗日縱波和體波聲速Fig.3 Longitudinal and bulk Lagrangian wave speed during unloading

計(jì)算得到的屈服強(qiáng)度和剪切模量列于表1中。屈服強(qiáng)度和剪切模量隨沖擊壓力的變化如圖4所示。在涉及的沖擊壓力范圍，Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金屬玻璃的屈服強(qiáng)度和剪切模量均隨沖擊壓力的增加而增加，出現(xiàn)了壓力硬化效應(yīng)。其中，屈服強(qiáng)度在0～37GPa壓力范圍變化很小，這與F.P.Yuan等［9］應(yīng)用壓剪炮技術(shù)測量的6.3～8.8GPa壓力范圍Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5金屬玻璃屈服強(qiáng)度變化情況一致；在37～66GPa范圍，屈服強(qiáng)度則明顯增加。

圖4 屈服強(qiáng)度和剪切模量隨沖擊壓力的變化Fig.4 Variation of yield strength and shear modulus with shock pressure

與上述的壓力硬化效應(yīng)不同，已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明金屬玻璃的沖擊加載波陣面存在剪應(yīng)力衰減現(xiàn)象。S.J.Turneaure等［10］對17GPa沖擊壓力范圍內(nèi)的實(shí)測 Zr56.7Cu15.3Ni12.5Nb5.0Al10.0Y0.54金屬玻璃粒子速度剖面進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)采用應(yīng)變軟化強(qiáng)度模型計(jì)算的剖面才能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。俞宇穎等［11］則通過軸向應(yīng)力與靜水壓線的比較獲得了10～27GPa沖擊壓力范圍Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金屬玻璃的沖擊加載波陣面剪應(yīng)力，表明該金屬玻璃的沖擊加載波陣面剪應(yīng)力存在明顯衰減，而且衰減幅度隨著沖擊壓力的增加而增加。

通常，材料強(qiáng)沖擊導(dǎo)致的損傷／破壞和高溫是造成材料強(qiáng)度降低的兩種主要因素。如果金屬玻璃沖擊加載波陣面剪應(yīng)力衰減是由沖擊加載導(dǎo)致的損傷／破壞所引起的，那么由損傷／破壞材料的Hugoniot態(tài)卸載獲得的屈服強(qiáng)度和剪切模量也應(yīng)出現(xiàn)衰減，但本文中強(qiáng)度測量結(jié)果顯示一定程度的壓力硬化效應(yīng)，基于此可以排除損傷／破壞因素；如果金屬玻璃沖擊加載波陣面剪應(yīng)力衰減是由溫度軟化所引起的，同樣由Hugoniot態(tài)卸載獲得的屈服強(qiáng)度和剪切模量也應(yīng)出現(xiàn)衰減，而且應(yīng)隨沖擊壓力增加而更明顯衰減，這顯然與本文中強(qiáng)度測量結(jié)果不相符，溫度因素也可以排除。因此，導(dǎo)致金屬玻璃沖擊加載波陣面剪應(yīng)力衰減的，并非損傷／破壞或溫度軟化，而應(yīng)有其他控制因素。最近，B.Arman等［12］對平面沖擊波加載下二元體系Cu46Zr54金屬玻璃的塑性、層裂及原子結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)金屬玻璃沖擊波陣面上的剪應(yīng)力衰減與加載過程材料內(nèi)部具有較強(qiáng)剪切的原子團(tuán)簇?cái)?shù)量減少有關(guān)。但由于分子動力學(xué)模擬的粒子速度剖面與實(shí)測結(jié)果還存在一定差異，因此上述剪應(yīng)力衰減的微觀機(jī)理還需進(jìn)一步研究確認(rèn)。

3 結(jié) 論

對Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金屬玻璃進(jìn)行了反向碰撞實(shí)驗(yàn)，測得了金屬玻璃樣品／LiF窗口界面粒子速度剖面，由此獲得了37～66GPa壓力范圍的屈服強(qiáng)度和剪切模量數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，在上述實(shí)驗(yàn)壓力范圍金屬玻璃的屈服強(qiáng)度和剪切模量均隨沖擊壓力的增加而增加，具有一定程度的壓力硬化效應(yīng)；進(jìn)一步分析表明，金屬玻璃沖擊加載波陣面剪應(yīng)力的衰減，并非由沖擊損傷／破壞或溫度軟化等因素導(dǎo)致。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程系沈軍教授提供樣品了材料，張毅、王為、葉素華、傅秋衛(wèi)、汪小松、景海華、藍(lán)強(qiáng)、方茂林、向曜明和靳開誠等在實(shí)驗(yàn)測試中給予了幫助，在此表示感謝。

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