强冲击加载下金属近表层状态的显微结构表征及其动力学特性关联研究

The dynamic behavior of particles in near free surface layer of metal flyer under high impact loading is significantly different from that of internal part due to near-surface effects (the width of the shock front and the boundary condition of zero stress at a free surface). To clarify the characteristics of the microstructure and the dynamic behavior of the near-surface is very important for understanding the micro-spall phenomenon and the solid-state shell remaining in shock melting, which now are highly concerned in the shock wave field. In this project, we will study the perfect shock recovery samples of pure iron undergone the solid-solid phase transition, based on our well research background on the phase transformation of iron. Our research work will combine the impact loading test together with the characterization of microstructure evolution. During impact loading, we will measure accurately the free surface velocity profile and the evolution of the longitudinal stress profile of the shocked sample. After achieving the recovery sample, we will characterize the microstructure step by step from the back free surface to inside to get the quantitative information about the phase transition state associated with the location. On the basis of an integrated analysis of all the information, the near-surface characteristics of the microstructures with the quantitative information about the interface of phase transition and the dynamic behavior will be discovered, and the physical mechanism of the remains near free surface will be presented. The results achieved in the project will be benefited the follow-up researches on the solid-state remains in solid-liquid phase transition and the micro-spall phenomena.

强冲击加载下金属材料因近表层效应（加载波前沿宽度和自由面质点的单侧零压）导致其表层和内部呈现明显不同的动力学特征,掌握其近表层状态特征及动力学特性对认识目前冲击波领域重点关注的微层裂现象以及冲击熔化的表面固态相残留问题具有极其重要的意义。本申请拟选用本研究团队有较强研究基础的纯铁作为研究对象，借助冲击加载固-固相变样品可完整回收的特点,将材料动载力学行为测试与相应回收样品的微观结构演化表征相结合进行系统研究。准确地获得动载样品自由面速度以及不同位置的应力-时间历程；对回收样品从自由表面到样品内部逐个坐标位置进行微观结构表征，精确地获得动态形变、相变等位置关联量化信息；综合分析对比，给出样品近表层残留未相变区的厚度和界面形态及其与动载力学行为和动载参量的关系，获得金属近表层未相变区残留的物理机制，为后续研究强冲击加载下发生固-液相变金属样品的表面固态相残留问题及深入认识微层裂现象奠定基础。

强冲击加载下金属材料因近表层效应（加载波前沿宽度和自由面质点的单侧零压）导致其表层和内部呈现明显不同的动力学特征，掌握其近表层状态特征及动力学特性对认识目前冲击波领域重点关注的微层裂现象以及冲击熔化的表面固态相残留问题具有极其重要的意义。由于在冲击加载过程中，金属样品无论是发生固液相变还是固固相变，其自由表面对加载冲击波均有反射作用，均可能在自由表层附近造成与内部明显不同的状态特征；因此固固相变的未相变层在形成物理机制上与固体壳层残留有一定的相似性和类比性。.我们利用Fe冲击加载α→ε→α固固相变以及固体样品易于完整回收的优势, 开展了在强冲击加载下Fe样品近表层的结构状态和动力学特性研究。成功建立了用磁驱动发射高速飞片撞击样品及精确测量飞片和样品速度剖面的动态实验装置系统；在5-80 GPa加载压力下对Fe多晶样品进行了平面冲击加载系列实验，准确获取样品自由面速度并实现样品完整回收；对回收试样的不同位置截面进行了微观结构分析，辨别发生动态相变与逆相变的特征结构，并以距样品自由表面的位置坐标进行标定；特别是对回收样品经历冲击波在与自由表面相互作用后的自由面近表层未相变区域的尺寸范围及结构特征进行了研究表征，发现近表层宽度远大于以往的预期。例如，17GPa和27GPa的冲击样品，其近表层宽度分别达到130μm和85μm。对于冲击样品近表层无相变区宽度与动载力学行为和动载参量关系的研究结果，为后续研究强冲击加载下发生固-液相变金属样品的表面固态相残留问题及微层裂现象奠定了基础。在对α→ε→α可逆相变机制和特征结构的深入研究中，不仅发现了几种小角晶界为可逆相变的特征结构，还获得了冲击加载下形变孪晶及可逆相变产物所有可能的晶体学取向角度差。更为重要的是，制作出所有形变孪晶及可逆相变的衍射图谱，发展出了用电子衍射图直接判别α→ε→α可逆相变的简易而可行的方法，对该研究领域实际应用有着及其重要的意义。此外，发现了冲击加载α-Fe中{332}孪晶常以二次孪晶为其特征形成规律。