冲击相边界传播过程中梯度材料的形成.pdf

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1、第17卷第2期高压物理学报Voi.17，No.22003年6月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSJune，2003文章编号：1000-5773（2003）02-0111-06*冲击相边界传播过程中梯度材料的形成戴翔宇，唐志平（中国科学技术大学力学和机械工程系，中科院材料力学行为和设计开放实验室，安徽合肥230027）摘要：采用一种基于简单混合物模型的本构，研究了不可逆相变材料中一维的冲击相边界的传播规律，发现在突加载荷并连续卸载的应力边界条件下，样品内部有梯度材料形成。分析

2、了边界条件对材料梯度变化的影响，并且用基于特征线的数值方法计算了不同的边界条件下材料的梯度分布，从而提出利用冲击相边界的传播制备梯度材料的可能性。最后对这种方法的利弊做了探讨。关键词：相边界；相变；梯度材料中图分类号：O347.1文献标识码：A!"引"言梯度材料（FunctionaiiyGradedMateriais，简称FGMs）通常指通过连续（或准连续）的改变两种材料的结构、组分等因素，使其内部界面减小乃至消失，从而得到的相应于其成分与结构的变化而性能渐变的新型非均质复合材料。梯度材料现已不局限于用作热应

3、力缓和的结构材料，而是包括电、磁、声、光、［1］核以及生物等多种功能在内的新型功能材料。然而，常用的制备方法如叠层粉末冶金、共沉降法等［2］难以消除内部界面和控制材料的梯度。相变材料受冲击载荷时，材料内部传播的相边界区分开相变区和未相变区。材料发生相变后，实际上已变为另一种材料，所以，也可以说相边界是一种材料界面。不可逆相变材料，当受一维冲击载荷并连续卸载时，材料中传播的相边界即相变冲击波后方的应力幅值随着传播距离的增加而衰减直至相边界消失。相边界后方的材料也逐渐由纯新相过渡为新相和母相的混合相。在混合相区，

4、新相的成分逐渐减少，而母相的成分逐渐递增，从而构成梯度材料。因此，可以设想利用这种现象制备梯度材料。［3］采用Tang等在研究CdS冲击相变时提出的一种基于简单混合物模型的本构，并应用王文强［4］等提出的基于特征线理论的数值方法，给出了在各种边界条件下，一维的相边界传播问题的解。研究了相边界传播过程中，组分连续变化的梯度材料生成的机理、过程及控制方式。［5］我们也注意到，Gray等在纯铁的气炮实验中，在冲击诱发!-"相变的回收样品中观察到了梯度效应。与本研究不同的是，!-"相变是可逆相变，他们在实验中观察到的

5、梯度效应是可逆相变过程中留下的一些不可逆痕迹，如损伤、位错等，并未得到组分连续变化的梯度材料。然而，他们的实验说明了利用冲击相变制备梯度材料是有可能的。#"模"型［6］［7］一般的相变本构都需要引入动力学关系，Bruno等指出：若假定马氏体相变无限快，则可用应*收稿日期：2002-09-17；修回日期：2002-11-14基金项目：国家自然科学基金（10072058，10176029）作者简介：戴翔宇（1978—），男，硕士研究生.112高压物理学报第17卷变准则来判断相变的开始与结束，无需引入动力学关系来描

6、述相变过程，同样可以得到与实验相吻合的结果。通常马氏体相变过程非常迅速，因此本研究所用的模型（图1）亦采用临界应变来判断相变的开始与结束（在本文中以拉为正，故图中纵向应力和应变!、"加负号表示受压）。此模型是Tang［3］等在研究CdS的冲击相变时提出的，对混合相有较好的描述，我们假定此模型也可推广应用于一般的广义马氏体相变。图中OB段为纯!相（广义奥氏体），BE段为混合相，EF为纯"相（广义马氏体）；B点为相变起始点，E点为相变完成点，F点为OB延长线与EF的交点。当材料从纯!相开始加载时，其加载曲线沿图1

7、不可逆相变材料的加卸载曲线OBEF。而从任一应力应变点卸载时，不发生逆相变，Fig.1LoadingandunIoadingcurvesofmateriaIs由简单混合物关系，其卸载路径沿该点与F点的连undergoingirreversibIephasetransition线（图1中UG，EH等）。该模型的数学表述为：加载!=E1"（I"ISI"BI）{!=!B+EM（"-"B）（I"BII"EI）卸载!F-!max!=!max+（"-"max）

8、（2）"F-"max（1）式中：E1、EM、E2分别表示纯!相、混合相和纯"相的纵向模量；!B、"B和!E、"E表示B点和E点的应力和应变。需要注意的是，（1）式表示的是从纯!相开始加载的应力应变关系。如果是从混合相开始加载，如G点，则加载路径沿GUEF，（1）式中E1和!B、"B需作相应改动。（2）式中的!max、"max表示该物质点加载历史上曾经达到的最大应力和应变。由于卸载时不发生逆相变，则材