电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究
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金属压缩实验报告金属压缩实验报告引言:金属是一种常见的材料,广泛应用于工业生产和日常生活中。
了解金属的物理性质对于优化金属材料的使用具有重要意义。
本次实验旨在通过金属压缩实验,探究金属在不同条件下的变形行为及其影响因素。
实验目的:1. 了解金属在压缩过程中的变形行为;2. 探究金属的变形特性与压缩力、温度等因素的关系;3. 分析金属的力学性质,如屈服强度、抗拉强度等。
实验材料和仪器:1. 实验材料:铝合金、钢材等;2. 实验仪器:万能试验机、温度计、测量尺等。
实验步骤:1. 准备工作:a. 清洁实验材料,确保表面无杂质;b. 标定万能试验机,确保准确测量压缩力;c. 温度计校准,确保测量温度的准确性。
2. 实验设计:a. 选择不同金属材料进行压缩实验;b. 设定不同压缩力和温度条件,进行多组实验。
3. 实验操作:a. 将待测金属样品放置在万能试验机上;b. 设定初始压缩力和温度,开始实验;c. 记录每次实验的压缩力、温度和变形情况;d. 重复实验,获取更多数据。
实验结果与讨论:1. 压缩力与变形行为的关系:实验结果表明,随着压缩力的增加,金属材料的变形程度逐渐增加。
当压缩力达到一定值时,金属开始出现塑性变形,即不可逆变形。
这表明压缩力是影响金属变形的重要因素。
2. 温度对金属变形的影响:实验结果显示,温度对金属的变形行为有显著影响。
在较低温度下,金属的变形主要表现为弹性变形,而在较高温度下,金属更容易发生塑性变形。
这是因为高温下金属的晶格结构更容易发生位错滑移,从而导致塑性变形的发生。
3. 力学性质的分析:通过实验数据的分析,可以计算出金属的屈服强度、抗拉强度等力学性质。
这些性质可以用来评估金属材料的可靠性和适用性,并为工程设计提供参考。
结论:通过金属压缩实验,我们了解了金属在不同条件下的变形行为及其影响因素。
压缩力和温度是影响金属变形的重要因素,而力学性质的分析则可以评估金属材料的性能。
这些实验结果对于优化金属材料的使用和设计具有重要意义,为工业生产和日常生活中金属材料的应用提供了科学依据。
(46)冷压缩变形对45钢组织性能影响的研究周原(上海柴油机股份有限公司,上海200438)摘要冷压缩变形对材料组织性能有着较大的影响,而材料的性能对工业制成品的最终质量有着较大的影响。
通过对45钢试样进行试验,经冷压缩变形,使45钢的晶粒度得到了细化,从而其强度得到了提高。
关键词:冷压缩45钢晶粒度强度Research on Influence of Cold CompressionDeformation on 45SteelZhou Yuan(Shanghai Diesel Engine Company Limited,Shanghai 200438,China)Abstract :Cold compression deformation has tremendous influence on material property,while material property has significant effect on quality of industrial product.A test is carried out to 45steel.By applying cold compression deformation to a 45steel sample,the grain size of the sample is refined,thus the strength of the sample being enhanced.Key words:cold compression,45steel,crystal grain,intensity 柴油机设计与制造Design &Manufacture of Diesel Engine2009年第1期第16卷(总第126期)来稿日期:2008-12-20作者简介:周原(1984-),男,助理工程师,主要研究方向为金属材料加工工艺。
金属压缩实验报告一、实验目的本次金属压缩实验的主要目的是研究金属材料在承受压缩载荷时的力学性能,包括屈服强度、抗压强度、弹性模量等,以及观察金属在压缩过程中的变形和破坏模式,为工程设计和材料选择提供可靠的实验依据。
二、实验材料与设备(一)实验材料本次实验选用了_____型号的铝合金、_____型号的铜合金和_____型号的钢铁作为实验材料。
实验前,对材料进行了切割和打磨处理,以确保试件的尺寸精度和表面平整度。
(二)实验设备1、万能材料试验机:能够施加最大_____kN 的载荷,精度为_____kN。
2、测量工具:游标卡尺,精度为_____mm,用于测量试件的尺寸。
3、应变测量仪:用于测量试件在压缩过程中的应变。
三、实验过程(一)试件制备根据相关标准,制备了圆柱形试件,其直径为_____mm,高度为_____mm。
在制备过程中,严格控制试件的尺寸误差在允许范围内。
(二)实验步骤1、用游标卡尺测量试件的初始直径和高度,并记录下来。
2、将试件放置在万能材料试验机的工作台上,确保试件的轴线与加载方向一致。
3、启动试验机,以_____mm/min 的加载速度对试件进行压缩加载。
4、在加载过程中,通过应变测量仪实时记录试件的应变数据。
5、当试件出现明显的屈服现象或达到规定的压缩变形量时,停止加载。
6、卸载后,再次测量试件的尺寸,观察其变形和破坏情况。
四、实验结果与分析(一)铝合金的实验结果与分析1、屈服强度:通过实验数据计算得出铝合金的屈服强度为_____MPa。
屈服现象表现为试件表面出现微小的屈服线,且加载曲线出现明显的转折点。
2、抗压强度:铝合金的抗压强度达到了_____MPa,在达到抗压强度后,试件发生了明显的塑性变形。
3、弹性模量:根据加载初期的应力应变曲线,计算出铝合金的弹性模量为_____GPa。
4、变形和破坏模式:铝合金试件在压缩过程中,首先在试件的端部出现局部屈曲,随着载荷的增加,屈曲逐渐向中部扩展,最终导致试件整体失稳破坏。
金属压缩实验报告金属压缩实验报告引言:金属是人类社会中重要的材料之一,其在工业生产和科学研究中发挥着重要的作用。
了解金属的力学性质对于设计和制造高效的金属结构至关重要。
本实验旨在通过金属压缩实验,研究金属在受力下的变形行为和力学性质。
实验目的:1. 了解金属在受力下的变形行为;2. 掌握金属压缩实验的基本操作;3. 研究金属的力学性质。
实验装置和材料:1. 金属压缩机:用于对金属样品进行压缩实验;2. 金属样品:选取常见的铝合金作为实验材料;3. 计算机数据采集系统:用于记录和分析实验数据。
实验步骤:1. 准备工作:a. 清洁金属样品,确保表面无杂质;b. 将金属样品固定在压缩机上。
2. 实验操作:a. 打开压缩机,设定压力和变形速率;b. 开始压缩实验,记录实验过程中的压力和变形数据;c. 当金属样品达到预设的压缩程度时,停止实验。
3. 数据分析:a. 绘制压力-变形曲线,分析曲线的特征;b. 计算金属的屈服强度、抗拉强度和延伸率等力学性质。
实验结果与讨论:通过实验,我们获得了金属压力-变形曲线,并进行了数据分析。
根据曲线的特征,我们可以得出以下结论:1. 曲线的初始阶段为弹性变形阶段,金属样品在受力下发生弹性变形,应力和应变成正比关系;2. 曲线的中间阶段为塑性变形阶段,金属样品开始发生塑性变形,应力逐渐增加,应变继续增加;3. 曲线的末端阶段为断裂阶段,金属样品在达到极限应力后发生断裂。
根据实验数据和曲线分析,我们还可以计算出金属的力学性质。
例如,通过计算曲线上的最大应力点,我们可以得到金属的屈服强度;通过计算断裂点的应变,我们可以得到金属的延伸率。
这些力学性质的研究对于设计和制造金属结构具有重要的参考价值。
结论:通过金属压缩实验,我们深入了解了金属在受力下的变形行为和力学性质。
实验结果表明,金属在受力下会发生弹性变形和塑性变形,并在达到一定应力后发生断裂。
金属的力学性质可以通过压力-变形曲线的分析和计算得到。
45钢的抗压实验报告
实验目的:研究45钢在受压力作用下的抗压性能。
实验原理:抗压实验是通过加载垂直于试样轴线方向的压力,观察试样的变形情况来研究材料的抗压性能。
实验中一般采用圆柱形试样,加载到试样开始出现明显的变形为止。
实验步骤:
1. 预先准备好45钢的圆柱形试样,确保试样表面光洁平整。
2. 将试样放置在试验机的加载装置上,调整试样与加载装置的位置,使其对齐。
3. 在实验机上设置好加载参数,如加载速度、最大加载力等。
4. 开始加载,并记录试样的变形情况,包括加载力与位移的关系。
5. 当试样出现明显的变形或达到预设的最大加载力时停止加载,并记录加载力和试样的变形情况。
6. 对实验数据进行处理和分析,得出45钢的抗压性能参数,如抗压强度、屈服强度等。
实验结果:通过对实验数据的处理和分析,得出45钢的抗压强度为XXX MPa,屈服强度为XXX MPa,变形情况如下图所示(可根据实验结果插入相关图片)。
实验结论:根据实验结果,可以得出45钢具有较好的抗压性能,适用于承受较大压力的工程应用。
注意事项:
1. 实验过程应严格遵守安全操作规范,避免发生意外。
2. 实验中需要控制加载参数使其在合理范围内,避免试样破裂或加载过度。
3. 实验后应及时清理实验设备,保持实验环境整洁。
直流稳恒磁场条件下45钢小位移摩擦磨损试验研究董霖;刘雄;刘志伟;杨杰;文桥【期刊名称】《中国工程机械学报》【年(卷),期】2016(014)003【摘要】基于HSR-2M高速式往复摩擦磨损试验机,试验了直流稳恒磁场条件,往复速度、法向载荷、往复行程、磁场强度等对45钢的摩擦系数和磨损量的影响,通过磨痕形貌分析了其磨损机制.试验结果表明:磨损主要为黏着磨损、剥落并伴有氧化磨损;载荷的增大使得摩擦热增多,摩擦副表面的塑性增强,磨损量加大;同时摩擦副表面接触区域的真实接触面积变大,造成摩擦系数减小;试验的研究结果对在施加直流稳恒磁场情况下45钢摩擦磨损性能的正确评估有重要的意义.【总页数】4页(P263-266)【作者】董霖;刘雄;刘志伟;杨杰;文桥【作者单位】西华大学机械工程学院,西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,四川成都610039;西华大学机械工程学院,西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,四川成都610039;西华大学机械工程学院,西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,四川成都610039;西华大学机械工程学院,西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,四川成都610039;西华大学机械工程学院,西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,四川成都610039【正文语种】中文【中图分类】TH117【相关文献】1.直流稳恒磁场对45钢摩擦磨损性能的影响 [J], 商剑;张永振;邱明;徐永智2.永磁场条件下45#钢与GCr15钢摩擦磨损性能试验研究 [J], 文桥;董霖;杨杰;刘志伟;刘雄3.直流磁场条件下45#钢干滑动摩擦磨损性能的研究 [J], 徐永智;邱明;张永振4.干摩擦条件下45号钢渗硫层的摩擦磨损性能试验研究 [J], 程建辉;葛培琪;刘鸣5.直流稳恒磁场条件下45钢的磨损性能研究 [J], 王秀丽;上官宝;张永振;魏永辉因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
45#钢试件疲劳损伤的磁记忆检测李一;于岩;肖爱武;潘文【摘要】通过对45#钢U 型缺陷平板试件反复加载-卸载的疲劳试验数据进行分析,测量了试件表面法向的漏磁场分布,分析了U 型缺陷对磁记忆信号的影响,以及固定位置的磁场值随循环次数的变化关系。
发现试件在15万次循环周次时(最终循环周次的30%左右)磁记忆信号出现反转现象。
将磁信号特征参量K max 的变化规律与损伤力学模型中材料损伤参量D 进行对比后发现,材料损伤参量D 可以通过磁信号特征参量K max 进行表述,为金属磁记忆检测技术用于评估材料的疲劳损伤程度做了一定的铺垫。
%Tablet samples of 45 # steel with U-type defects were tested under repeated loading and unloading for fatigue test and were analyzed by measuring the leakage magnetic field of the sample surface normal distribution. The effect of U-shaped defects on the magnetic memory signals was analyzed and the relationship between magnetic field values and the cycle at the fixed position was also analyzed.It was found that an inversion phenomenon of the magnetic signal appeared at 150,000 cycles times (about 30% final week cycle times)for the parison was made for the variation of the magnetic signal characteristic parameters K max and the material damage parameter D in damage mechanics model and it was found that the parameter D could be expressed by the K max ,which might provide a means for using the metal magnetic memory testing technique to evaluate the extent of material damages.【期刊名称】《无损检测》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】4页(P46-49)【关键词】疲劳损伤;磁记忆检测;应力集中;定量评估【作者】李一;于岩;肖爱武;潘文【作者单位】国核电站运行服务技术有限公司,上海 200233;国核电站运行服务技术有限公司,上海 200233;国核电站运行服务技术有限公司,上海 200233;国核电站运行服务技术有限公司,上海 200233【正文语种】中文【中图分类】TG115.2845#钢属中碳钢,这类钢具有较高的强度和硬度,其塑性和韧度随含碳量的增加而逐步降低,经调质处理后,能获得较好的综合力学性能。
·脉冲功率技术·带窗口磁驱动准等熵压缩实验模拟*阚明先, 王刚华, 刘利新, 南小龙, 计 策, 何 勇, 段书超(中国工程物理研究院 流体物理研究所,四川 绵阳 621900) 摘 要: 在二维磁驱动数值模拟程序MDSC2中增加了LiF 材料的材料参数和功能模块,使MDSC2程序具有了求解带窗口磁驱动准等熵压缩实验的能力。
采用MDSC2程序,对大电流脉冲功率装置上的exp-3-window 、exp-6-window 带窗口磁驱动准等熵压缩实验进行了模拟。
数值模拟结果表明,二维磁驱动数值模拟程序MDSC2能正确模拟带窗口磁驱动准等熵压缩实验exp-3-window 和exp-6-window 的全过程,模拟的飞片/窗口界面速度在飞片/窗口界面速度的上升阶段、峰值附近和卸载阶段与实验测量基本一致,验证了新程序的计算有效性。
MDSC2程序对带窗口磁驱动准等熵压缩实验的正确模拟有助于磁驱动样品物性实验的研究。
关键词: 磁驱动准等熵压缩实验; 二维磁驱动数值模拟程序; 飞片/窗口界面速度; 磁流体力学;数值模拟中图分类号: O361.3 文献标志码: A doi : 10.11884/HPLPB202133.200329Simulation of magnetically driven quasi-isentropiccompression experiments with windowsKan Mingxian , Wang Ganghua , Liu Lixin , Nan Xiaolong , Ji Ce , He Yong , Duan Shuchao(Institute of Fluid Physics , CAEP , P. O. Box 919-111, Mianyang 621900, China )Abstract : The material parameters and functional modules of LiF are added to the two-dimensionalmagnetically driven simulation code (MDSC2), which makes MDSC2 code have the ability to simulate themagnetically driven quasi-isentropic compression experiments with windows. Magnetically driven experiments withwindows, shots of exp-3-window and exp-6-window, which were carried out in a large pulsed power device, aresimulated and analyzed by the MDSC2 code. The simulated flyer plate/window interface velocities agree well with theexperimental records by Velocity Interferometry System for Any Reflector (VISAR). The magneto-hydrodynamiccode can correctly simulate the magnetically driven experiments with windows, which is helpful to understand thephysical mechanism of sample material behaviors in magnetically driven experiments with windows.Key words : magnetically driven quasi-isentropic compression experiment ; two-dimensional magneticallydriven simulation code ; flyer plate/window interface velocity ; magneto-hydrodynamics ; numerical simulation自1999年美国圣地亚国家实验室使用Z 装置开展平面准等熵压缩和飞片发射实验以来,磁驱动平面实验取得了巨大进展。
斜波驱动下固体材料的准等熵压缩固体材料的磁驱动等熵压缩(Isentropic Compression Experiments, ICE)是近几年发展起来的一种新型实验加载和研究技术,目的是测量材料的等熵压缩线,可作为Grüneisen方程或其他理论状态方程的重要参考线, 改进对偏离Hugoniot状态(off-Hugoniot)的认识。
对于某些过程较长的爆炸装置,用等熵压缩描述其中材料状态的变化,可能更接近于真实的情况。
根据热力学第二定律,沿等熵线()v s p的比内能函数()v s e,即是压力s p对比容积分的负值⎰-dv s p。
()v s p和()v s e一起组成了Grüneisen型状态方程的另一类参考线,可以提供准等熵状态下材料动力可压缩性质的重要信息。
另一方面,磁驱动等熵压缩实验的等熵程度较高,压缩过程中材料样品的温升较低,避免了冲击压缩中材料升温甚至融化、气化,给物态方程测量带来的不确定性。
在一定的压力、温度范围内,依据等熵压缩绝对测量数据可给出关于高压状态方程的有用信息。
众所周知相对于冲击压缩而言,同样压力幅值下等熵压缩可得到更高的物质密度。
磁驱动等熵压缩是材料动力学研究途径的重大创新,非但具有很高学术价值,而且具有范围广泛、意义深远的应用前景。
材料中磁驱动压力波的幅值随时间而上升,其前沿越来越陡,在一定传播距离后会转变为冲击波,此时使用离片技术可驱动很高速度的飞片,例如把厚度为几十至几百微米、直径为厘米左右的金属飞片加速到20~50 km/s 范围,并且保持很好的完整性、平面性和初始状态。
除了地下核试验之外,这是目前在实验室中高速驱动所达到的最高水平,已经应用于状态方程的实验研究。
由于较强动力压缩下材料发生塑性变形、粘性流动等不可逆耗散过程,不可能做到严格的等熵压缩。
当整个过程中耗散所生成的热量比压缩能量小得多,并且过程进行得很快,可忽略样品与外界的热交换,则可通过样品在实验中的温升数据对其熵增作出估计。
华中科技大学硕士学位论文AbstractThe isentropic compression experiments (ICE) is a shockless process where very high pressure conditions can be accessed, and the accompanying temperature rise is much less severe than shock experiments. Without shocking (so as not to heat the sample), ICE need less energy to compress the sample to a given pressure the shock experiments. And an isentropic experiment yields a continuum of points along the isentropic loading path. So, isentropic loading is necessary for achieving cool or moderate dense states of matter, obtaining equation of state (EOS) and efficient performance of inertially confined fusion implosions. The investigation of isentropic compression has great significance in science research, energy, national defense.The research development of isentropic compression at home and abroad is described. Important concepts and basic theories about isentropic compression are introduced. Based on Gruneisen EOS and cohesion material practical EOS, the isentropes of aluminum are calculated, which are in good agree with each other. The isentropic sound speed of solid material is researched, the methods of computing temperature rise and entropy increment are introduced, which are important to predict ideal isentropic loading pressure wave profile and determine the isentropic extent. Research scenario is discussed. The maximum rate of change of pressure with respect to time is confined. According to the ablative pressure scaling relationship, the ideal pulse waveform can be obtained. To achieve isentropic compression requires driven pressure which increases smoothly. And laser direct-drive isentropic compression requires laser pulse with long leading part and high energy. The method of evaluating isentropic extent is also discussed.Also, the description of isentropic compression is discussed in this thesis. In case of no phase transformation and that the pressure waves induced in the material are referred to as simple waves, the entropy increment calculated, based on theory isentrope, is negligible without regard to thermal conduction and suprathermal electron. So, it is reasonable to determine isentropic extent by the free surface velocity history. If the velocity history rises smoothly, the compression process is isentropic.Key words: Dynamic loading technology Isentropic compressionLaser driven isentropic compression Entropy Entropy increment独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
激光驱动准等熵压缩实验研究李牧;赵祥杰;张红平;袁红;赵剑衡;孙承纬【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2010(031)008【摘要】利用激光驱动的等离子体实现平面准等熵压缩是近年发展起来的一种新型动高压加载方式,同时也是目前加载应变率最高的准等熵压缩方式,该技术为研究材料准等熵压缩特性和物态方程提供了一条新的途径.探索了激光驱动下平面准等熵压缩的实验技术,在100J固体激光器上成功开展了金属样品的准等熵压缩实验,利用位移干涉测速技术获取了Al/LiF样品界面的速度历史,在样品中获得了接近500m/s的原位粒子速度,应变率达106s-1,准等熵压缩峰值约7GPa.【总页数】6页(P1084-1089)【作者】李牧;赵祥杰;张红平;袁红;赵剑衡;孙承纬【作者单位】中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900【正文语种】中文【中图分类】TN249【相关文献】1.激光驱动的1维准等熵压缩数值计算 [J], 周素云;袁孝;程坤2.激光驱动气库材料实现准等熵压缩理论模型分析 [J], 韩茂兰;黄永盛;田宝贤;李业军;梁晶;王钊;汤秀章3.基于神光Ⅲ原型装置开展的激光直接驱动准等熵压缩研究进展 [J], 薛全喜;江少恩;王哲斌;王峰;赵学庆;易爱平;丁永坤;刘晶儒4.激光驱动准等熵压缩透明窗口LiF的透明性∗ [J], 张志宇;赵阳;薛全喜;王峰;杨家敏5.基于天光一号装置的激光直接驱动准等熵压缩研究 [J], 张品亮;王钊;李宇;田宝贤;李业军;殷倩;汤秀章因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
磁驱动准等熵平面压缩和超高速飞片发射实验技术原理、装置及应用孙承纬;赵剑衡;王桂吉;张红平;谭福利;王刚华【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2012(042)002【摘要】利用脉冲大电流产生随时间平滑上升的磁压,实现对样品的准等熵平面压缩和超高速飞片发射,是近十年来发展和完善起来的一种新型的强动态斜波加载技术(ramp wave loading).本文简述了其原理、加载装置及数据处理方法等方面的研究进展,同时着重评述利用该技术和方法开展高压物态方程、材料动力学响应方面的研究进展,并对该技术在冲击动力学、天体物理和高能量密度物理等方面的应用前景进行了展望.%It is a new loading technique characterized as ramp wave loading developted to explore the rapid response of material at pressures,temperatures and stress or strain rate not attainable in conventional shock experiments,which was firstly developed on Sandia Z accelerator in 1999.In this paper,its principle;and progress in loading apparatus and methodology for the analysis of experimental data are presented,and its applications in the study of EOS data and dynamic response of material characterization are reviewed.【总页数】14页(P206-219)【作者】孙承纬;赵剑衡;王桂吉;张红平;谭福利;王刚华【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TP273.2【相关文献】1.基于CQ一4装置的磁驱动准等熵压缩与超高速飞片发射研究 [J], 罗斌强;2.磁驱动准等熵平面压缩和超高速飞片发射实验技术 [J], 赵剑衡3.一维平面磁驱动等熵加载发射飞片技术 [J], 赵剑衡;孙承纬;谭福利;彭其先;王桂吉4.磁场准等熵驱动飞片技术原理性实验研究 [J], 张朝辉;刘仓理;杨礼兵;顾元朝;邹杰;黄显宾;欧阳凯;李军;刘乔;邓向阳5.磁驱动平面准等熵加载装置、实验技术及应用研究新进展 [J], 王桂吉;罗斌强;陈学秒;张旭平;种涛;蔡进涛;谭福利;孙承纬因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
第28卷 第6期高压物理学报Vol.28,No.6 2014年12月CHINESE JOURNAL OF HIGH PRESSURE PHYSICS Dec.,2014 文章编号:1000-5773(2014)06-0705-04电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究*王刚华,王桂吉,阚明先,张红平,孙承纬,赵剑衡,谭福利(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳 621999) 摘要:在已有的众多准等熵加载技术中,磁驱动准等熵加载技术具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点。
利用中物院流体物理研究所建成的磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5(最高加载压力为50GPa),成功开展了45钢的准等熵压缩实验,对装置的主要参数进行了介绍;利用激光干涉测试系统DPS获得了45钢飞片的自由面速度历史,通过反积分处理给出了材料准等熵压缩的p-V关系。
通过分析实验数据,获得了45钢3种形式的等熵方程的参数。
实验获得的最高等熵压力为47.5GPa。
关键词:准等熵压缩;磁驱动;流场反演方法;Lagrange分析;等熵方程 中图分类号:TN249;O521 文献标志码:A doi:10.11858/gywlxb.2014.06.0101 引 言 等熵压缩是研究材料偏离Hugoniot(off-Hugoniot)性质的一种重要加载手段,其实验材料的温升较小、压缩程度较高,对于高能量密度物理和武器物理的基础研究有重要意义。
等熵压缩是一个压力缓慢变化的过程,加载速率较低,靶内温升较小,材料的物理力学参量的变化主要由压力因素决定。
因此,对材料进行等熵压缩,基本上可以解耦温度和压力因素对相关物理力学参量的影响,是深入细致地研究材料在动载荷下的响应特性、高压物态方程、高压本构方程和高压物性的重要技术手段[1-2]。
在已有的众多准等熵加载技术中,磁驱动准等熵加载技术既能将样品材料压缩到较高的压力水平,又能保持较高的等熵程度,具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点[3]。
目前,磁驱动准等熵加载技术能达到数百吉帕的等熵压力,已成为国外各个核武器物理实验室的研究前沿和热点[4-5],在武器相关材料性质和数据库的精密研究方面有广阔的应用前景。
本工作利用流体物理研究所的CQ-1.5装置,对45钢进行磁驱动准等熵加载实验,使用激光干涉测试技术测量飞片自由面速度,通过反积分数据处理方法推算45钢的等熵压缩线参数。
2 实验仪器与方法2.1 磁驱动准等熵压缩实验装置CQ-1.5 CQ-1.5是放电电流上升时间为500ns、峰值1.5MA左右的小型脉冲功率装置(见图1)[6],装置设计的峰值加载电压为50GPa,利用电容器储能,电流通过平行板传输线和爆炸开关流向负载。
该装置由4台低电感(≤25nH)脉冲型储能电容器并联供电,每台电容器的额定电压为80kV,额定储*收稿日期:2012-09-10;修回日期:2013-03-15 基金项目:国家自然科学基金(11172277);中国工程物理研究院科学发展基金(2010A0201006);国家自然科学基金联合基金重点项目(11176002) 作者简介:王刚华(1976—),男,博士,副研究员,主要从事磁流体力学模拟研究.E-mail:wanggh@caep.cn 通讯作者:王桂吉(1976—),男,博士,副研究员,主要从事电磁驱动技术研究.E-mail:wangguiji@126.com图1 小型磁驱动准等熵压缩和驱动飞片实验装置CQ-1.5结构示意图Fig.1 Schematic of small magnetically drivenquasi-isentropic compression and flyer-driving experimental device CQ-1.5能12.8kJ。
装置通过一个4点导通爆炸逻辑网络开关向负载放电,开关的响应时间可控制在55ns以内,而放电电流的上升时间一般为500ns左右,故该响应时间对装置的放电电流曲线影响很小,同步性满足要求。
装置的能量传输采用平行板传输线,与同轴结构的传输线相比,该传输结构更能确保较低的电感,并且便于与负载连接。
2.2 速度测量技术 速度测量技术是准等熵压缩实验中最为关键的测试技术。
由于测试样品一般比较薄,只有0.4~2.5mm,传统的电探针或内嵌式拉格朗日量计难以应用,且容易产生电磁干扰,故通常采用无接触的光测技术对样品自由面或者样品/窗口界面进行测量。
目前,激光干涉测试仪器有2类:(1)位移激光干涉仪,例如全光纤位移干涉仪[7];(2)速度激光干涉仪,例如基于多普勒效应的任意反射面速度干涉仪(Velocity Interferometer for Any Reflector,VISAR)[8]、法布里-珀罗(F-P)干涉仪[9]。
在磁驱动准等熵压缩实验中,采用中国工程物理研究院流体物理研究所自行研制的多普勒探针干涉仪(Doppler Pins System,DPS)[10],它属于全光纤位移激光干涉仪,其性能指标已达到国际先进水平。
DPS是一种有源光纤探针激光位移干涉仪,其基本工作原理是利用光纤传输激光照射运动靶面,接收携带多普勒频移的反射光,与光纤端面反射的光束形成干涉,或直接与光源引出的参考光混频,从而检测出代表靶面运动的多普勒频移信号。
根据干涉条纹信号出现的时刻和频率变化历史可以得知样品的起始运动时刻和运动速度剖面。
采用光纤分束器将激光分至多个光纤探头,可实现多点测量。
DPS对被测表面位移的改变具有较高灵敏度,非常适合低压条件下对激波到达时间的精确测量,其时间分辨能力达纳秒级,测试精度为1%~2%,具有时间响应快、信噪比高、体积小巧等优点,非常适合磁驱动实验中样品区空间小的场合。
3 实验结果与分析 进行两次准等熵压缩实验,分别采用厚度为1.98、2.3mm和1.98、2.46mm的45钢平行样品对。
图2 DPS记录的样品自由面速度历史Fig.2 DPS records of free surfacevelocity of 45steel samplesDPS的实验测量结果如图2所示,4个样品的自由面速度历史呈现出较明显的弹性前驱波,整个过程没有出现冲击现象。
实验获得了样品材料自由面的速度历史,为了得到样品的等熵压缩线,可以采用反积分方法进行计算处理[11]。
与一般流体力学计算中对流体力学方程组进行空间离散、再进行时间推进计算不同,采用Hayes提出的反积分方法,先对流体力学方程组进行时间离散,然后将DPS测量得到的样品后自由面的速度历史作为输入数据,再进行空间反演计算,通过调整等熵方程参数使样品对在加载面处的压力历史一致,从而得到样品材料的等熵压缩线(见图3)。
图3中,等熵线位于Hugoniot线下方。
607 高 压 物 理 学 报 第28卷 在对本实验结果进行反积分处理时,考虑了3种形式的等熵方程,表1列出了这3种等熵方程表达式及相应参数。
图4所示为得到的加载面处的压力历史,重合度不够好的原因可能是没有考虑弹性前驱波的影响,因此本实验的精度和数据处理方法还有待提高。
两次实验获得的最高等熵压力分别为41.0和47.5GPa。
图3 实验获得的样品加载面处的压力历史Fig.3 Pressure history of samplesat the loading surface图4 实验得到的准等熵压缩线与Hugoniot线比较Fig.4 Comparison of the experimental quasi-isentropiccompression curve with Hugoniot curve表1 实验得到的45钢准等熵压缩方程参数Table 1 Parameters of quasi-isentropic compression equation of 45steel determined by experimentIsentropicequationEquation formpmax/(GPa)ParametersBirchp(V)=32B0V0V()73-V0V()53[]×1-ξV0V()23-1[]{}41ξ=0.5,B0=65.4GPaHugoniot p=p0+ρ0c201-VV0()1-λ1-VV0()[]241 c0=3 104m/s,λ=2.495Polynomial p=∑mj=1BjV0V-1()j,m=1,2,3,…41 B1=37GPa,B2=110GPa,B3=5 100GPa4 结 论 利用磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5成功开展了45钢的准等熵压缩实验,利用激光干涉测试仪器DPS获得了两发实验4个样品的自由面速度历史,实验中没有产生冲击现象,证实利用磁驱动获取材料的等熵压缩线是可行的。
利用反积分方法处理实验数据,得到了45钢材料3种形式的准等熵压缩的p-V关系参数,等熵压力最大值为47.5GPa。
实验中产生了明显的弹性前驱波,然而数据处理时没有考虑其影响,使数据处理的精度受到影响,故还需进一步优化数据处理方法。
References:[1] Hawke R S,Durre D E,Huebel J G,et al.Method of isentropically compressing materials to several megabars[J].J Appl Phys,1972,43(6):2734-2741.707 第6期 王刚华等:电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究[2] Cauble R,Reisman D B,Asay J R,et al.Isentropic compression experiments to 1Mbar using magnetic pressure[J].J Phys:Condens matter,2002,14(44):10821-10824.[3] Sun C W.Magnetically driven isentropic compression and high-speed flyers experimental techniques[J].Detona-tion Waves &Shock Waves,2005,(2):84-92.(in Chinese)孙承纬.磁驱动等熵压缩和高速飞片的实验技术[J].爆轰波与冲击波,2005,(2):84-92.[4] Knudson M D,Hanson D L,Bailey J E,et al.Principal Hugoniot,reverberating wave,and mechanical reshock meas-urements of liquid deuterium to 400GPa using plate impact techniques[J].Phys Rev B,2004,69(14):144209.[5] Hall C A.Isentsropic compression experiments on the Sandia Z accelerator[J].Phys Plasmas,2000,7(5):2069-2075.[6] Wang G J,Sun C W,Tan F L,et al.The compact capacitor bank CQ-1.5employed in magnetically driven isentropiccompression and high velocity flyer plate experiments[J].Rev Sci Instrum,2008,79(5):053904.[7] Wang X,Wang W,Fu Q Y,et al.Development of a novel all fiber optical system for measuring projectile velocity[J].Opto-Electronic Engineering,2004,31(10):43-46.(in Chinese)王 翔,王 为,傅秋卫,等.一种新型全光纤弹速测量系统的研制[J].光电工程,2004,31(10):43-46.[8] Barker L M,Hollenback R E.Laser interferometer for measuring high velocity of any reflecting surface[J].J ApplPhys,1972,43(11):4669-4675.[9] Chau H H,Mcmilan C F,Osher J E.Application of Fabry-Perot velocimeter to high speed experiments,UCRL-98483[R].Livermore:Lawrence Livermore National Laboratory,1988.[10] Zhang Y Y,Gong K,He S F,et al.Progress in laser Doppler velocity measurement techniques[J].Laser &Infrared,2010,40(11):1157-1162.(in Chinese)张艳艳,巩 轲,何淑芳,等.激光多普勒测速技术进展[J].激光与红外,2010,40(11):1157-1162.[11] Wang G H,Bai J S,Sun C W,et al.Backward integration method for tracing isentropic compression field[J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2008,22(2):149-152.(in Chinese)王刚华,柏劲松,孙承纬,等.准等熵压缩流场反演技术研究[J].高压物理学报,22(2),2008:149-152.Magnetically Driven Isentropic Compression of 45SteelWANG Gang-Hua,WANG Gui-Ji,KAN Ming-Xian,ZHANG Hong-Ping,SUN Cheng-Wei,ZHAO Jian-Heng,TAN Fu-Li(Institute of Fluid Physics,CAEP,Mianyang621999,China)Abstract:The technique of magnetically driven isentropic compression has many advantages overprevious experimental techniques of quasi-isentropic compression,such as the smoothly increasingpressure loading to a high magnitude without any initial shocks,the ability to investigate severalsamples under identical loading conditions in one shot,high benefit-cost ratio,etc.The main parame-ters of CQ-1.5rebuilt by Institute of Fluid Physics,CAEP,are detailed.This apparatus aims at isen-tropic compression and driving high-speed flyers,its designed maximum pressure is 50GPa.The sam-ples of 45steel are isentropically compressed by CQ-1.5to a pressure as high as 47.5GPa without anyappearance of shock,a Doppler pins system(DPS)is used to record the velocity history of flyers.Weuse a backward integration method to treat the experimental data,and obtain the p-Vrelation of45steel under quasi-isentropic compression.We also ascertain the parameters of 3forms of isentropicequation of 45steel.The maximum isentropic pressure in this work is 47.5GPa.Key words:isentropic compression;magnetically driven;backward integration method;Lagrangeanalysis;isentropic equation807 高 压 物 理 学 报 第28卷 。