冲击压缩下金属高压熔化规律相关问题的理论及实验研究

论文摘要

本文对当前金属高压熔化规律研究中所涉及的物态方程、熔化判据、熔化区内材料的强度、熔化机制和实验数据分析处理等问题进行了相对系统的研究:1、Anderson所提出的等效Grüneisen系数在地球物理学和铁的高压熔化线的相关计算上得到了应用,并取得了良好的效果。根据Anderson所提出的等效Grüneisen系数的概念,本文在三项式物态方程基础上,对等效Grüneisen方程进行了推导。以等效Grüneisen方程为基础,对多种金属的冲击温度进行了计算,研究表明,该方法使用简便,计算结果与实验数据符合得很好。2、对现有熔化判据进行了分析和比较,在此基础上采用由材料零温物态方程约束的熔化判据对金属熔化线进行了计算和对比分析。研究表明,在一定条件下,该熔化判据与Lindemann熔化判据和平均场理论所给出的熔化判据具有相同的物理内涵。计算表明,该熔化判据能够较好的描述金属的高压熔化曲线。在理论分析及比照分子动力学模拟的基础上,给出了该熔化判据的物理机制。3、在SCG模型和修正的SCG模型基础上,通过引入能量权重,对材料剪切模量在固液混合相区内的变化行为进行了描述,在此基础上,对金属铝沿Hugoniot线的剪切模量进行了分析,得到的结果与实验数据基本相符。4、利用逾渗理论和重整化群方法分析计算了各向同性材料剪切模量在固液混合相区内的临界变化行为。采用Huygens原理对材料在固液混合相区内声波的传播过程进行了分析,在此基础上,通过逾渗理论给出了剪切模量在固液混合相区内随熔化质量分数变化的临界点。当熔化质量分数达到0.313左右时,材料内部出现液相贯通区,假设材料此时开始表现出熔化性质,从而可将该点与光分析法中的纵波声速向体波声速的拐点相对应;当熔化质量分数大于0.687左右时,材料内部将不再存在一个可以贯通相对表面的固相区,因而此时材料的整体剪切模量消失。通过分析材料内部沿剪切作用面上液相区和固相区的组成,给出了九种承剪能力变化较小的简立方格子,在此基础了进行了重整化群变换,计算得到了临界的熔化质量分数,与逾渗理论的计算结果相吻合。5、以铁冲击熔化结束点为参考点,黄海军等解决了长期以来令人困扰的铁动静态测量熔化温度存在差异的问题,但在冲击熔化初始压力点处,如何将Fe的冲击温度修正到平衡熔化温度的问题并没有得到解决。本文对此问题进行了研究,利用计算得到的临界熔化质量分数,在Luo等提出的过热模型的基础上,对Fe在冲击熔化初始压力点处的冲击温度进行了修正,修正得到的平衡熔化温度与黄海军等的计算结果以及Ma和Shen的实验结果能够落在同一条Lindemann熔化线上。6、采用动高压手段和光分析方法对Ly12Al高压熔化温度进行了实验研究和理论分析。Ly12Al的阻抗较低,对其高压熔化规律进行实验测量存在较大的难度,通过实验测量了Ly12Al在100Gpa附近的辐射光谱,拟合所得温度结果经理论分析初步认定为熔化温度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 高压下金属熔化规律的研究意义、研究现状
• 1.1 高压下金属熔化规律的研究意义
• 1.2 高压下金属熔化规律的研究现状
• 1.2.1 描述金属高压熔化的理论判据
• 1.2.2 金属高压熔化规律的实验测量
• 1.2.3 金属高压熔化曲线的数值模拟
• 1.3 本文研究内容简介
• 参考文献
• 第二章 等效Grüneisen 方程及冲击温度的理论估算
• 2.1 引言
• 2.2 Grüneisen 方程及Grüneisen 系数
• 2.2.1 Grüneisen 方程的理论基础
• 2.2.2 Grüneisen 系数及其形式
• 2.3 等效Grüneisen 方程的演化过程
• 2.3.1 晶体点阵和电子贡献的分离
• 2.3.2 金属中自由电子的状态方程
• 2.3.3 等效Grüneisen 方程
• 2.4 基于等效Grüneisen 方程的冲击温度估算
• 2.4.1 传统的冲击温度估算方法
• 2.4.2 冲击温度估算方法的改进
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 高压下金属的熔化曲线
• 3.1 引言
• 3.2 各种熔化判据间的演化及其在高压下的适用性
• 3.3 零温物态方程约束的熔化方程
• 3.3.1 零温物态方程约束的熔化方程及其演化
• 3.3.2 零温物态方程的性质及形式
• 3.3.3 计算结果及讨论
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 直达液相边界的高压本构模型
• 4.1 引言
• 4.2 常用的高温高压本构及其局限
• 4.2.1 常用的高温高压本构
• 4.2.2 材料在一维应变加载条件下的声速
• 4.2.3 材料剪切模量在固液混合相区的状态
• 4.3 直达液相边界本构方程的建立
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 熔化区内的材料剪切模量及冲击压缩下铁的过热分析
• 5.1 引言
• 5.2 逾渗理论对熔化区内材料剪切模量变化行为的估算
• 5.2.1 逾渗理论简介
• 5.2.2 熔化区内材料剪切模量的逾渗模型
• 5.2.3 结果讨论及分析
• 5.3 熔化区内材料剪切强度的重整化群解析
• 5.3.1 重整化群理论概述
• 5.3.2 熔化区内材料剪切强度的重整化群模型
• 5.3.3 结果分析
• 5.4 冲击压缩下铁的过热分析
• 5.4.1 铁动静态熔化温度测量的差异
• 5.4.2 相变动力学及过热模型
• 5.4.3 铁动静态熔化温度测量差异的解释
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 冲击压缩下Ly12 铝熔化温度的实验测量
• 6.1 引言
• 6.2 金属冲击温度的测量及光分析法对熔化区间的判定
• 6.2.1 辐射法测温的原理和基本假设
• 6.2.2 金属冲击温度的测量方法
• 6.2.3 光分析法对冲击熔化区间的判定
• 6.3 冲击波能量在窗口/样品间隙沉积及其影响
• 6.4 Ly12 铝的熔化温度实验结果
• 6.4.1 实验装置及实验实施
• 6.4.2 描述混合物固液相变的两个模型
• 6.4.3 实验结果的分析比较
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 全文总结与下一步的工作展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 下一步的工作展望
• 致谢
• 附录 冷能冷压约束的熔化判据物理说明
• 作者在学期间取得的学术成果