CN105784512A - 以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法及冲击实验装置 - Google Patents

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CN105784512A CN201610344245.5A CN201610344245A CN105784512A CN 105784512 A CN105784512 A CN 105784512A CN 201610344245 A CN201610344245 A CN 201610344245A CN 105784512 A CN105784512 A CN 105784512A
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Abstract

本发明提供了一种以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法及冲击实验装置，涉及冲击动力学领域，其中以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法包括：S1.制备多个样品靶；S2.制备多个飞片组，每个飞片组包括第一飞片层和用于与样品靶碰撞的第二飞片层，所述第一飞片层与所述第二飞片层贴合，所述第一飞片层的阻抗小于所述第二飞片层的阻抗；S3.每个飞片组与一个样品靶对应，构成一个冲击实验组；S4.对每个冲击实验组进行碰撞实验。在实验中获得的只有动态拉伸应力幅值变化控制的单一变量所引起层裂的实验数据，能显著降低对拉伸应力幅值效应理论分析的难度。本发明还提供了一种冲击实验装置。

Description

以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法及冲击实验装置
技术领域
本发明涉及冲击动力学领域，具体而言，涉及一种以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法及冲击实验装置。
背景技术
动态拉伸实验是冲击动力学和动态高压科学中重要的实验手段，在材料动态拉伸性能研究、结构设计等方面具有广阔的应用背景，也是研究高压、高应变率下材料动态损伤的主要技术之一。其中，冲击动力学是一门以力学、材料学、物理学为基础的力学分支学科，以冲击载荷作用下材料的动力学行为和结构特性为主要研究对象，包括材料构件在动载荷下的运动、变形、破坏和失效现象。主要应用领域有：爆破工程、钻井开矿、机械加工、水下爆炸切割等。
在冲击动力学中，根据外加载荷的不同，材料的断裂形式主要分为拉伸断裂和剪切断裂。这是动态断裂研究的两大主要方向。显而易见，当材料构件受拉伸应力作用而断裂时称为拉伸断裂，受剪切应力作用而断裂时称为剪切断裂。工程实际中大部分为拉伸断裂现象，这种断裂的作用机理为压缩波在自由面反射稀疏波，使得材料构件中的局部区域受力处于拉伸状态，一旦拉伸应力达到一定阈值、作用时间足够长，材料便会发生拉伸断裂，部分材料构件剥落，在断裂面处形成新的自由面，沿新的自由面剥离的部分称为层裂片，这种应力波反射引起的断裂现象称为反射断裂，即通常所说的层裂。
在现有技术中，为了便于研究层裂现象，可采用气炮、电炮等装置(动态拉伸应变率范围104s-1～107s-1，拉伸应力持续时间100ns～5ms)驱动飞片与样品碰撞，从而实现对层裂损伤演化过程的研究。在实验中，普遍采用的方案是通过改变碰撞速度，进而改变碰撞时的冲击波强度，使得冲击波后的压应力大小变化，最终实现对拉伸应力幅值的调节。
但是现有的实验过程中发现，通过改变碰撞速度所引起的层裂变化和理论拉伸应力幅值变化所引起的层裂变化存在较大偏差，严重影响平面冲击实验的准确性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法及冲击实验装置，以改善上述问题。
本发明提供的一种以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，包括：
S1.制备多个样品靶，多个所述样品靶的材质和厚度均相同。
S2.制备多个飞片组，每个飞片组包括第一飞片层和用于与样品靶碰撞的第二飞片层，所述第一飞片层与所述第二飞片层贴合，所述第一飞片层的阻抗小于所述第二飞片层的阻抗，多个飞片组的第一飞片层的阻抗互不相同，多个飞片组的第二飞片层的厚度、材质均相同。
S3.每个飞片组与一个样品靶对应，构成一个冲击实验组。
S4.对每个冲击实验组进行碰撞实验，用每个冲击实验组中的飞片组撞击对应的样品靶，多个冲击实验组中的飞片组均以相同的碰撞速度撞击对应的样品靶。
以上所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，优选地，每个冲击实验组中的第一飞片层的厚度与第一飞片层的平均声速之比的两倍大于对应的样品靶的厚度与样品靶的平均声速之比。
设计足够厚度的第一飞片层。碰撞时，第一飞片层与第二飞片层贴合，进入第一飞片层的冲击波，将在其自由面反射一束右行稀疏波。右行稀疏波到达第一飞片层与第二飞片层的分层界面时，将再次反射稀疏波，并且透射右行稀疏波进入第二飞片层内。为避免该稀疏波进入到样品靶内部对拉伸应力产生影响，该稀疏波到达第二飞片层与样品靶的碰撞面的时刻，应该晚于样品靶自由面反射的左行稀疏波到达第二飞片层与样品靶的碰撞面的时刻，通过计算可以得出，需要第一飞片层的厚度应该满足：2倍的第一飞片层厚度与其平均声速之比，要大于样品厚度与样品平均声速之比。这样才能够排除稀疏波对样品靶内拉伸应力的影响，保证拉伸应力幅值不变，使得实验中拉伸应力幅值为可控的单一变量，进行实验后，实验的数据更加准确。
以上所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，优选地，所述S2包括，利用公式
其中，ΔP为拉伸应力幅值的变化值
ρ1为不同第一飞片层的密度
C1为平均声速
u1为飞片撞击样品的速度
实现对拉伸应力幅值的变化区间通过第一飞片层的阻抗的差值来进行预估，而第一飞片层的阻抗差值又与密度差值的成线性关系。因此，通过选择不同的第一飞片层的阻抗的差值来对拉伸应力幅值的变化区间进行控制。利用第一飞片层的阻抗的差值可以实现对拉伸应力幅值的变化进行预估和控制，进而实现了我方对实验数据范围的把控，保证了拉伸应力幅值的变化范围可控，便于进行实验和数据收集。如果拉伸应力幅值的变化范围过小，很有可能由于数据点分布过于集中而不能够有效反映出整体的变化，如果拉伸应力幅值的变化范围过大，很有可能使得分析结果的精度降低。
以上所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，优选地，每个冲击实验组的第二飞片层与样品靶的材料相同。第二飞片层与样品靶的材料相同，使得第二飞片层和样品靶内的阻抗相同，从而保证了进入到第二飞片层和样品靶内的冲击波的能量相同，便于对数据进行计算和检测，提高分析效率。
以上所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，优选地，所述以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法还包括设置对照实验组进行冲击实验，所述对照实验组包括对照飞片和对照样品靶，所述对照飞片与每个冲击实验组的第二飞片层的厚度和材料均相同，所述对照样品靶和所述样品靶的厚度和材料均相同，所述对照飞片的速度与每个冲击实验组进行冲击实验时飞片的速度均相同。
设置对照冲击实验组，能够为实验提供基础的参考数据，通过与参考数据的比对能够更加直观和明显的观察分析出拉伸应力幅值的变化对于层裂现象的影响。
以上所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，优选地，S2还包括，根据每个所述样品靶中的拉伸应力持续时间与厚度的对应公式
其中，t为拉伸应力持续时间
h为样品靶的厚度
C为样品靶材料的平均声速
确定相应的样品靶中的拉伸应力持续时间。
通过上述公式能够便于实验人员计算、确定相应的样品靶中的拉伸应力持续时间。通过准确的拉伸应力持续时间的确定，能够更加准确的控制和判断出拉伸应力持续时间的变化，保证实验中，样品靶的层裂只受到动态拉伸应力幅值的变化所带来的影响，提高实验的准确性。
以上所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，优选地，S4之后包括记录样品靶的冲击波速度及冲击波后粒子速度，利用公式P≈ρ0Du
其中，P为冲击波后压力，
ρ0为材料的零压密度
D为冲击波速度，D＝C0+λu，C0为材料的零压声速，λ为材料的Grüneisen状态参数，
u为冲击波后粒子速度，
计算出冲击实验组的样品靶的冲击波后压力。
同时对样品靶软回收，通过样品靶表征技术，获得样品损伤程度、微结构和断裂特征信息，将每个冲击实验组的数据分别记录，比对分析，通过不同的冲击波后压力的大小，进一步分析得出不同拉伸应力幅值对于层裂的影响。通过计算，得出准确的冲击波后压力的大小，根据冲击波后压力与拉伸应力幅值的线性对应关系，得出不同拉伸应力幅值下不同实验后的结果进行记录和分析，能够准确的得出实验中拉伸应力幅值的大小，便于提供准确的实验数据，观察和分析不同的拉伸应力幅值作为单一变量所引起的层裂现象。
以上所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，优选地，S4之后包括利用任意反射面的速度干涉仪(VISAR，Velocityinterferometersystemforanyreflector)记录样品靶的自由面粒子速度在时间上的变化，以时间为横轴，以自由面粒子速度为纵轴，绘制自由面粒子速度-时间图，从图中采集自由面粒子速度的最大值与第一个极小值的差值记为Δu，采集自由面粒子速度的最大值到第一个极小值所经历的时间记为Δt，通过公式
其中为拉伸应变率
cb为材料体波声速
Δu为自由面粒子速度的最大值与第一个极小值的差值
Δt为Δu段所经历的时间
计算出不同样品靶的拉伸应变率。
通过任意反射面的速度干涉仪计算出样品靶的拉伸应变率，从而能够准确的得出拉伸应变率的大小，确保拉伸应变率的值不发生变化，从而保证实验中，层裂现象的变化只受到拉伸应力幅值的变化的影响，而不受到拉伸应变率的变化的影响，提高了实验的准确性。
本发明还提供一种应用于以上所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法的冲击实验装置，包括飞片组和样品靶。
所述飞片组包括第一飞片层和用于与所述样品靶碰撞的第二飞片层，所述第一飞片层与所述第二飞片层贴合，所述第一飞片层的阻抗小于所述第二飞片层的阻抗，多个飞片组的第一飞片层的阻抗互不相同，多个飞片组的第二飞片层的厚度、材质均相同。
第一飞片层和第二飞片层贴合，第一飞片层与第二飞片层的材料不同，其中第一飞片层的阻抗低于第二飞片层，第二飞片层为与样品靶碰撞的飞片，第二样品靶的材料与样品靶的材料相同。飞片组以一定的速度撞击样品靶时，由第二飞片层的碰撞面向样品靶和第二飞片层中分别产生冲击波。样品靶中的冲击波到达样品靶的自由面时，将反射一束左行稀疏波。第二飞片层中的冲击波，到达飞片分层界面时，将向第一飞片层中透射一个冲击波，同时反射一束右行稀疏波。该右行稀疏波的卸载能力，与向第一飞片层中透射的冲击波有关，而第一飞片层中透射的冲击波又与第一飞片层的阻抗相关，通过选择不同阻抗的第一飞片层，改变右行稀疏波的卸载能力，实现对两束稀疏波交汇后拉伸应力大小和幅值大小的控制。
以上所述的动态损伤实验方法的冲击实验装置，优选地，所述样品靶的厚度为6mm，所述第二飞片层厚度为3mm。采用该方案，既能够保证实验效果比较明显，同时还能够保证较低的实验成本。
相对于现有技术，本发明提供的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法包括以下有益效果：将第一飞片层和第二飞片层贴合，第一飞片层与第二飞片层的材料不同，其中第一飞片层的阻抗低于第二飞片层，第二飞片层为与样品靶碰撞的飞片。飞片组以一定的速度撞击样品靶时，由第二飞片层的碰撞面向样品靶和第二飞片层中分别产生冲击波。样品靶中的冲击波到达样品靶的自由面时，将反射一束左行稀疏波。第二飞片层中的冲击波，到达第一飞片层与第二飞片层的分层界面时，将向第一飞片层中透射一个冲击波，同时反射一束右行稀疏波。该右行稀疏波的卸载能力，与向第一飞片层中透射的冲击波有关，而第一飞片层中透射的冲击波又与第一飞片层的阻抗相关，因此通过选择不同阻抗的第一飞片层，便能够改变右行稀疏波的卸载能力，该右行稀疏波与样品靶自由面反射的左行稀疏波交汇，卸载后的合力便为拉伸应力，因此，通过改变第一飞片层的阻抗便能够实现对两束稀疏波交汇后的拉伸应力大小的控制。
这两束反射稀疏波在样品靶中相遇，样品靶中形成拉伸区域。之后，当从样品靶的自由面反射的稀疏波传播至飞片组与样品靶的撞击面，由于撞击面只能够承受压力而不能够承受拉伸力而分离，该束稀疏波将会在界面位置再次进行反射，形成压缩波，同时波的传播方向再次指向样品靶的自由面，同时该压缩波所到之处应力变为零，终止了损伤发展，样品中拉伸应力持续时间将停止，由此可见，在拉伸应力幅值不变的情况下，保证第二飞片层与样品靶的厚度相同，实现对拉伸应力持续时间的控制。另外，由于飞片层的总厚度相同，样品靶的厚度也相同，当飞片层以相同的速度撞击样品靶的时候，样品靶所受到的拉伸应变率不会发生变化，通过上述方法，实现了对拉伸应力幅值的解耦，使得本实验能够观察和分析不同的拉伸应力幅值作为单一变量所引起的层裂现象。
在本发明中，由于限定了飞片组第二飞片层的厚度和样品靶的厚度不变，同时，要求每个冲击实验组中飞片组均采用同样的速度撞击样品靶。这样就限制了拉伸应力持续时间和拉伸应变率的变化，通过对不同冲击实验组的第一飞片层的阻抗的改变，实现对实验中拉伸应力幅值的单独变化的控制。
本发明能够实现对动态拉伸应力幅值单一因素进行控制，排除其他因素的干扰。在实验中，保持碰撞速度和基本几何结构不变，通过引入改变稀疏波卸载强度的结构，调控稀疏波交汇后的拉伸应力幅值，获得的只有动态拉伸应力幅值变化控制的单一变量所引起层裂的实验数据，能显著降低对拉伸应力幅值效应理论分析的难度。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明第一实施例提供的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法的示意图。
其中，附图标记与部件名称之间的对应关系如下：第一飞片层101，分层界面102，第二飞片层103，碰撞面104，样品靶105，再反射稀疏波106，透射右行稀疏波107，透射冲击波108，碰撞冲击波109，右行稀疏波110，左行稀疏波111，拉伸应力持续时间112，右行压缩波114。
具体实施方式
在现有技术中，为了便于研究层裂现象，可采用气炮、电炮等装置(动态拉伸应变率范围104s-1～107s-1，拉伸应力持续时间100ns～5ms)驱动飞片与样品碰撞，从而实现对层裂损伤演化过程的研究。在实验中，普遍采用的方案是通过改变碰撞速度，进而改变碰撞时的冲击波强度，使得冲击波后的压应力大小变化，最终实现对拉伸应力幅值的调节。
但是现有的实验过程中发现，通过改变碰撞速度所引起的层裂变化和理论拉伸应力幅值变化所引起的层裂变化存在较大偏差，严重影响平面冲击实验的准确性。
本发明提供了一种以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法来改善上述问题。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
本发明中第一、第二、第三等均为区别示意，并不是限定。
图1是本发明第一实施例提供的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法的示意图。如图1所示，本发明第一实施例提供的一种以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，包括：
S1.制备多个样品靶105，多个所述样品靶105的材质和厚度均相同。
S2.制备多个飞片组，每个飞片组包括第一飞片层101和用于与样品靶105碰撞的第二飞片层103，所述第一飞片层101与所述第二飞片层103贴合，所述第一飞片层101的阻抗小于所述第二飞片层103的阻抗，多个飞片组的第一飞片层101的阻抗互不相同，多个飞片组的第二飞片层103的厚度、材质均相同。
S3.每个飞片组与一个样品靶105对应，构成一个冲击实验组。
S4.对每个冲击实验组进行碰撞实验，用每个冲击实验组中的飞片组撞击对应的样品靶105，多个冲击实验组中的飞片组均以相同的碰撞速度撞击对应的样品靶105。
经过研究人员的长期研究发现，在动态拉伸实验中，拉伸应力幅值、拉伸应变率和拉伸应力持续时间112这三个因素相互耦合，共同对样品材料的损伤演化动力学过程和终态损伤产生影响。这种多因素的综合效应，给实验结果的解读和数据理论分析带来极大困难。因此，建立单一动力学因素作用下的动态拉伸实验方法，是解决该困难的有效途径，也是提升材料动态损伤研究水平的手段之一。
拉伸应力幅值对材料损伤及破坏的影响，一直是材料学和力学中重点关注的问题。对于动态拉伸实验的拉伸应力控制，主要是通过改变飞片撞击样品靶105的速度来调控。飞片组与样品靶105发生碰撞时，在碰撞面104将向第二飞片层103和样品靶105中分别产生碰撞面冲击波109，碰撞面冲击波109的强度受碰撞速度控制。在冲击波的作用下第二飞片层103和样品靶105进入压应力状态，压应力大小与冲击波强度相关。冲击波到达第二飞片层103和样品靶105的自由面时，将会分别反射生成右行稀疏波110和左行稀疏波111，当两束稀疏波交汇后，样品进入拉伸应力状态，其拉伸应力的大小与压应力状态时的应力大小相当。因此，通过改变碰撞速度来改变碰撞时的冲击波强度，使得冲击波后的压应力大小随之变化，最终实现对拉伸应力幅值的调节。
但是，经过我方研究人员的长期研究发现，在实验中，当碰撞面冲击波109分别运动到第二飞片层103和样品靶105的自由面时，将会分别反射，形成右行稀疏波110和左行稀疏波111，对材料的压缩状态进行卸载。其中，第一道稀疏波是以高压状态下的声速传播，其速度与冲击波后的压力大小相关。当碰撞速度变化时，第一道稀疏波的速度将随之改变，一方面影响到稀疏波对压应力卸载的快慢，其体现为拉伸应变率的变化。另一方面，第一道稀疏波速度变化，会影响到样品靶105自由面和碰撞面104再次反射压缩波的时刻的变化，进而改变拉伸应力的终止时刻，导致拉伸应力持续时间112的变化。因此，改变碰撞速度的方法，在解耦拉伸应变率和拉伸应力的持续时间存在困难，影响对单一因素影响下材料损伤的认识。为了获得拉伸应力幅值单一因素作用下，材料损伤规律的准确认识，需要设计调节拉伸应力幅值单一因素的实验方法。
本实施例提供的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法包括以下有益效果：将第一飞片层101和第二飞片层103贴合，第一飞片层101与第二飞片层103的材料不同，其中第一飞片层101的阻抗低于第二飞片层103，第二飞片层103为与样品靶105碰撞的飞片。飞片组以一定的速度撞击样品靶105时，由第二飞片层103的碰撞面104向样品靶105和第二飞片层103中分别产生碰撞面冲击波109。样品靶105中的碰撞面冲击波109到达样品靶105的自由面时，将反射一束左行稀疏波111。第一飞片层103中的碰撞面冲击波109，到达第一飞片层101与第二飞片层103的分层界面102时，将向第一飞片层101中透射一个透射冲击波108，同时反射一束右行稀疏波110。该右行稀疏波110的卸载能力，与向第一飞片层101中透射的透射冲击波108有关，而第一飞片层101中透射的透射冲击波108又与第一飞片层101的阻抗相关，因此通过选择不同阻抗的第一飞片层101，便能够改变右行稀疏波110的卸载能力，该右行稀疏波110对左行稀疏波111进行卸载，卸载后的合力便为拉伸应力，因此，通过改变第一飞片层101的阻抗便能够实现对两束稀疏波交汇后的拉伸应力大小和幅值的大小的控制。
右行稀疏波110和左行稀疏波111在样品靶105中相遇，造成样品靶105的拉伸区域。之后，当从样品靶105的自由面反射的左行稀疏波111传播至飞片组与样品靶105的撞击面104，由于撞击面104只能够承受压力而不能够承受拉伸力而分离，该束左行稀疏波111将会在撞击面104位置再次进行反射，形成右行压缩波114，同时右行压缩波114的传播方向再次指向样品靶105的自由面，同时该右行压缩波114所到之处应力变为零，终止了损伤发展，样品中拉伸应力持续时间112将停止，由此可见，在拉伸应力幅值不变的情况下，保证第二飞片层103与样品靶105的厚度相同，实现对拉伸应力持续时间112的控制。另外，由于飞片层的总厚度相同，样品靶105的厚度也相同，当飞片层以相同的速度撞击样品靶105的时候，样品靶105所受到的拉伸应变率不会发生变化，通过上述方法，实现了对拉伸应力幅值的解耦，使得本实验能够观察和分析不同的拉伸应力幅值作为单一变量所引起的层裂现象。
在本发明中，由于限定了飞片组的总厚度和样品靶105的厚度不变，同时，要求每个冲击实验组中飞片组均采用同样的速度撞击样品靶105。这样就限制了拉伸应力持续时间112和拉伸应变率的变化，通过对不同冲击实验组的第一飞片层101的阻抗的改变，实现对实验中拉伸应力幅值的单独变化的控制。
本发明能够实现对动态拉伸应力幅值单一因素进行控制，排除其他因素的干扰。在实验中，保持碰撞速度和基本几何结构不变，通过引入改变稀疏波卸载强度的结构，调控稀疏波交汇后的拉伸应力幅值，获得的只有动态拉伸应力幅值变化控制的单一变量所引起层裂的实验数据，能显著降低对应变率效应理论分析的难度。
本发明第二实施例提供的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，包括：
S1.制备多个样品靶105，多个所述样品靶105的材质和厚度均相同。
S2.制备多个飞片组，每个飞片组包括第一飞片层101和用于与样品靶105碰撞的第二飞片层103，所述第一飞片层101与所述第二飞片层103贴合，所述第一飞片层101的阻抗小于所述第二飞片层103的阻抗，多个飞片组的第一飞片层101的阻抗互不相同，多个飞片组的第二飞片层103的厚度、材质均相同。
所述S2包括，利用公式
其中，ΔP为拉伸应力幅值的变化值
ρ1为不同第一飞片层的密度
C1为平均声速
u1为飞片撞击样品的速度
实现对拉伸应力幅值的变化区间通过第一飞片层101的阻抗的差值来进行预估，而第一飞片层101的阻抗差值又与密度差值的成线性关系。因此，通过选择不同的第一飞片层101的阻抗的差值来对拉伸应力幅值的变化区间进行控制。利用第一飞片层101的阻抗的差值可以实现对拉伸应力幅值的变化进行预估和控制，进而实现了我方对实验数据范围的把控，保证了拉伸应力幅值的变化范围可控，便于进行实验和数据收集。如果拉伸应力幅值的变化范围过小，很有可能由于数据点分布过于集中而不能够有效反映出整体的变化，如果拉伸应力幅值的变化范围过大，很有可能使得分析结果的精度降低。
S2还包括，根据每个所述样品靶105中的拉伸应力持续时间112与厚度的对应公式
其中，t为拉伸应力持续时间112
h为样品靶105的厚度
C为样品靶105材料的平均声速
确定相应的样品靶105中的拉伸应力持续时间112。
为了便于实验人员进行观察和实验，计算、确定相应的样品靶105中的拉伸应力持续时间112，通过准确的拉伸应力持续时间112的确定，能够准确的控制拉伸应力持续时间112的变化，保证实验中，样品靶105的层裂只受到动态拉伸应力幅值的变化所带来的影响，提高实验的准确性。
S3.每个飞片组与一个样品靶105对应，构成一个冲击实验组；
S4.对每个冲击实验组进行碰撞实验，用每个冲击实验组中的飞片组撞击对应的样品靶105，多个冲击实验组中的飞片组均以相同的碰撞速度撞击对应的样品靶105。
S4之后包括记录样品靶105的冲击波速度及冲击波后粒子速度，利用公式P≈ρ0Du
其中，P为拉伸应力幅值，
ρ0为材料的零压密度
D为冲击波速度，D＝C0+λu，C0为材料的零压声速，λ为材料的Grüneisen状态参数，
u为冲击波后粒子速度，
计算出冲击实验组的样品靶105的拉伸应力幅值。
同时对样品靶105软回收，通过表征样品靶105，获得样品损伤程度、微结构和断裂特征信息，将每个冲击实验组的数据分别记录，比对分析，通过不同的冲击波后压力的大小，进一步分析得出不同拉伸应力幅值对于层裂的影响。通过计算，得出准确的冲击波后压力的大小，根据冲击波后压力与拉伸应力幅值的线性对应关系，得出不同拉伸应力幅值下不同实验后的结果进行记录和分析，能够准确的得出实验中拉伸应力幅值的大小，便于提供准确的实验数据，观察和分析不同的拉伸应力幅值作为单一变量所引起的层裂现象。进一步地，每个冲击实验组中的第一飞片层101的厚度与第一飞片层101的平均声速之比的两倍大于对应的样品靶105的厚度与样品靶105的平均声速之比。
设计足够厚度的第一飞片层101。通过第一飞片层101与第二飞片层103贴合，进入第一飞片层101的透射冲击波108将在其自由面反射一束透射右行稀疏波107。透射右行稀疏波107到达第一飞片层101与第二飞片层103的分层界面102时，将形成再反射稀疏波106，并且透射右行稀疏波107进入第二飞片层103内。为避免透射右行稀疏波107进入到样品靶105内部对拉伸应力产生影响，该透射右行稀疏波107到达第二飞片层103与样品靶105的碰撞面104的时刻，应该晚于样品靶105自由面反射的左行稀疏波111到达时刻，通过计算可以得出，需要第一飞片层101的厚度应该满足：2倍的第一飞片层101厚度与其平均声速之比大于样品靶105厚度与样品靶105平均声速之比。这样能够排除透射右行稀疏波107对样品靶105内拉伸应力的影响，保证拉伸应力不变，使得实验中拉伸应力幅值为可控的单一变量，进行实验后，实验的数据更加准确。
本实施例中，每个冲击实验组的第二飞片层103与样品靶105的材料相同。第二飞片层103与样品靶105的材料相同，使得第二飞片层103和样品靶105内的声波传导速度相同，便于最后对数据进行计算和检测，提高分析效率。
进一步地，所述以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法还包括设置对照实验组进行冲击实验，所述对照实验组包括对照飞片和对照样品靶105，所述对照飞片与每个冲击实验组的第二飞片层103的厚度和材料均相同，所述对照样品靶105和所述样品靶105的厚度和材料均相同，所述对照飞片的速度与每个冲击实验组进行冲击实验时飞片的速度均相同。
设置对照冲击实验组，能够为实验提供基础的参考数据，通过与参考数据的比对能够更加直观和明显的观察出拉伸应力幅值对于层裂现象的影响。对照冲击实验组其碰撞速度、第一飞片层103厚度和样品厚度均相同。通过系列实验的开展，确保现有技术方案的数据可用，同时为本案例的方案提供对比和支撑。
本发明第三实施例还提供一种应用于以上实施例的冲击实验装置，包括飞片组和样品靶105。
所述飞片组包括第一飞片层101和用于与所述样品靶105碰撞的第二飞片层103，所述第一飞片层101与所述第二飞片层103贴合，所述第一飞片层101的阻抗小于所述第二飞片层103的阻抗，多个飞片组的第一飞片层101的阻抗互不相同，多个飞片组的第二飞片层103的厚度、材质均相同。
第一飞片层101和第二飞片层103贴合，第一飞片层101与第二飞片层103的材料不同，其中第一飞片层101的阻抗低于第二飞片层103，第二飞片层103为与样品靶105碰撞的飞片，第二飞片层103的材料与样品靶105的材料相同。飞片组以一定的速度撞击样品靶105时，由第二飞片层103的碰撞面向样品靶105和第二飞片层中分别产生冲击波109。样品靶105中的冲击波109到达样品靶105的自由面时，将反射一束左行稀疏波111。第二飞片层中的碰撞面冲击波109，到达飞片的分层界面102时，将向第一飞片层101中透射一个透射冲击波108，同时反射一束右行稀疏波110。该右行稀疏波110的卸载能力，与向第一飞片层101中透射的透射冲击波108有关，而第一飞片层101中透射的透射冲击波108又与第一飞片层101的阻抗相关，通过选择不同阻抗的第一飞片层101，改变右行稀疏波110的卸载能力，实现对右行稀疏波110和左行稀疏波111交汇后拉伸应力大小和幅值大小的控制。
本实施例中，进一步地，所述样品靶105的厚度为6mm，所述第二飞片层厚度为3mm。采用该方案，既能够保证实验效果比较明显，同时还能够保证较低的实验成本。
实验时一般采用加载装置(如气炮)发射，携带飞片101对样品靶105进行撞击。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，其特征在于，包括：
S1.制备多个样品靶，多个所述样品靶的材质和厚度均相同；
S2.制备多个飞片组，每个飞片组包括第一飞片层和用于与样品靶碰撞的第二飞片层，所述第一飞片层与所述第二飞片层贴合，所述第一飞片层的阻抗小于所述第二飞片层的阻抗，多个飞片组的第一飞片层的阻抗互不相同，多个飞片组的第二飞片层的厚度、材质均相同；
S3.每个飞片组与一个样品靶对应，构成一个冲击实验组；
S4.对每个冲击实验组进行碰撞实验，用每个冲击实验组中的飞片组撞击对应的样品靶，多个冲击实验组中的飞片组均以相同的碰撞速度撞击对应的样品靶。
2.根据权利要求1所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，其特征在于，每个冲击实验组中的第一飞片层的厚度与第一飞片层的平均声速之比的两倍大于对应的样品靶的厚度与样品靶的平均声速之比。
3.根据权利要求1所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，其特征在于，所述S2包括，利用公式
其中，ΔP为拉伸应力幅值的变化值
ρ1为不同第一飞片层的密度
C1为平均声速
u1为飞片撞击样品的速度
通过第一飞片层的阻抗的差值来实现对拉伸应力幅值的变化区间进行预估，选择第一飞片层的阻抗对拉伸应力幅值的变化区间进行控制。
4.根据权利要求1所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，其特征在于，每个冲击实验组的第二飞片层与样品靶的材料相同。
5.根据权利要求1所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，其特征在于，所述以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法还包括设置对照实验组进行冲击实验，所述对照实验组包括对照飞片和对照样品靶，所述对照飞片与每个冲击实验组的第二飞片层的厚度和材料均相同，所述对照样品靶和所述样品靶的厚度和材料均相同，所述对照飞片的速度与每个冲击实验组进行冲击实验时飞片的速度均相同。
6.根据权利要求1所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，其特征在于，S2还包括，根据每个所述样品靶中的拉伸应力持续时间与厚度的对应公式
其中，t为拉伸应力持续时间
h为样品靶的厚度
C为样品靶材料的平均声速
确定相应的样品靶中的拉伸应力持续时间。
7.根据权利要求1所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，其特征在于，S4之后包括记录样品靶的冲击波速度及冲击波后粒子速度，利用公式P≈ρ0Du
其中，P为拉伸应力幅值，
ρ0为材料的零压密度
D为冲击波速度，D＝C0+λu，C0为材料的零压声速，λ为材料的Grüneisen状态参数，
u为冲击波后粒子速度，
计算出冲击实验组的样品靶的拉伸应力幅值，
同时对样品靶软回收，通过样品靶表征技术，获得样品损伤程度、微结构和断裂特征信息，将每个冲击实验组的数据分别记录，比对分析，得出不同拉伸应力幅值对于层裂的影响。
8.根据权利要求7所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法，其特征在于，S4之后包括利用任意反射面的速度干涉仪(VISAR，Velocityinterferometersystemforanyreflector)记录样品靶的自由面粒子速度在时间上的变化，以时间为横轴，以自由面粒子速度为纵轴，绘制自由面粒子速度-时间图，从图中采集自由面粒子速度的最大值与第一个极小值的差值记为Δu，采集自由面粒子速度的最大值到第一个极小值所经历的时间记为Δt，通过公式
其中为拉伸应变率
cb为材料体波声速
Δu为自由面粒子速度的最大值与第一个极小值的差值
Δt为Δu段所经历的时间
计算出不同样品靶的拉伸应变率。
9.一种应用于权利要求1-8任意一项所述的以动态拉伸应力幅值为变量的实验方法的冲击实验装置，其特征在于，包括飞片组和样品靶，
所述飞片组包括第一飞片层和用于与所述样品靶碰撞的第二飞片层，所述第一飞片层与所述第二飞片层贴合，所述第一飞片层的阻抗小于所述第二飞片层的阻抗，多个飞片组的第一飞片层的阻抗互不相同，多个飞片组的第二飞片层的厚度、材质均相同。
10.根据权利要求9所述的动态损伤实验方法的冲击实验装置，其特征在于，所述样品靶的厚度为6mm，所述第二飞片层厚度为3mm。
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