不同构型加载状态下纯铁的冲击相变行为研究

Loading condition can seriously affect the shock-induced phase transition behavior in iron, which may result in large differences in some important parameters, such as transition ratio, transition pressure and the microstructure of recovered samples. However, this issue has not received enough attention until now. In this program, we plan to focus on this point and undergo experimental research. First, we design the one dimensional plane impact experiment , pre-radial-strain plane impact experiment and cylindrical loading experiment to generate the shock induced phase transition of iron under different loading conditions. By comparing the free surface velocity profile and the microstructure information of recovered sample, simultaneously combining with the molecular dynamic simulation and phase field study, we look forward to reveal the relationship between the loading condition and phase transition, to reveal the basic mechanism of the shock-induced phase transition of iron.

不同构型加载状态对纯铁的冲击相变行为具有重要影响，可导致相变份额、相变压力、微观结构等一系列重要参数和行为特征明显不同，且目前缺乏系统深入研究。本项目拟针对这一重要问题展开研究，通过设计一维平面加载实验、径向预应力下一维平面加载实验、柱面加载实验，实现不同构型加载状态下纯铁的冲击相变过程。对比分析样品自由面速度曲线、回收样品微观结构表征结果等关键特征数据信息；同时结合分子动力学、相场动力学模拟，揭示不同构型加载状态对纯铁冲击相变影响的物理本质，加深对纯铁冲击相变机制的认识。

铁及铁基材料是各类尖端武器中的重要组成部分，其在冲击加载条件下的相变行为将直接影响材料的基础物理性能，从而影响武器的可靠性和有效性。在建立精密的材料物理模型时，如果充分考虑材料冲击相变物理过程，将有效支撑武器设计。不同构型加载状态对纯铁的冲击相变行为具有重要影响，可导致相变份额、相变压力、微观结构等一系列重要参数和行为特征的差异。本项目采用对比实验研究，结合相场动力学模拟方法和分子动力学模拟方法，分析了不同构型加载状态对纯铁冲击相变影响的物理本质。首先，本项目采用流体物理研究所先进电磁驱动飞片平台CQ-4、电磁驱动固体套筒平台FP-1以及一级轻气炮装置，设计了一维平面加载和柱面加载实验装置和技术，并开展了不同压力和构型加载状态对纯铁冲击相变行为影响规律的实验研究。采用自由面激光干涉测速、样品软回收EBSD微观表征等方法，获得了高精度、可对比的实验数据。同时，设计了能够有效保证加载状态一致性的高通量一维平面加载试验装置和技术，开展了不同晶粒度和冷轧工艺对纯铁冲击相变的影响研究。各类实验数据的对比分析发现，柱面加载下纯铁的相变阈值显著低于平面加载状态，其主要原因是柱面加载下剪切应力作用将有效促进相变过程，从而显著降低相变阈值。分子动力学模拟结果验证了剪切应力对相变过程的促进作用的结论，且指出应力三轴度是评判不同构型加载下纯铁冲击相变的关键参数。通过本项目的研究，系统认识了纯铁相变过程是一个具有时间尺度效应的动力学过程，其与加载构型、加载压力、加载应变率、样品微介观结构以及相变动力学弛豫等众多因素相关。其中，加载压力影响相变前序的塑性过程，从而影响相变的起始点，也会影响相变速率，从而影响相变份额；样品微介观结构影响相变成核密度和相变扩散速率，非均匀成核状态下，相变扩散速率在相转变过程中起主导作用。后续冲击相变物理模型研究中，需要进一步考虑加载应力状态、相变弛豫过程以及样品微观结构的耦合影响。