1-28 用石英晶体传感器测量自由表面微粒子喷射

曾鉴荣

　　冲击波从金属材料的自由表面进入空气（或真空）并反射一个稀疏波时，自由表面开始运动。如果界面上有划痕、凹坑或夹杂物等缺陷，由于冲击波的相互作用或阻抗失配，缺陷中的部分粒子将获得比自由表面速度大的速度，从而在自由表面前面形成粒子流，这种现象称作微粒子喷射。国外主要采用激光速度干涉仪和高速阴影纹影技术测量材料自由表面的微粒子喷射量。建立了用石英传感器测量材料自由表面微粒子喷射量的方法。

　　实验装置及石英晶体传感器测得的压电讯号波形分别如图1、图2所示。从图1可知，炸药爆轰产生的冲击波到达待测样品自由表面，向真空中传入一个冲击波并反射一个稀疏波时，自由表面开始运动，同时微粒子开始喷射，则电探针I给出的信号是自由表面开始运动和微粒子开始喷射的时间，相应于图2扫描线上的t₀。如果没有微粒子喷射，图2中的扫描线应在自由表面到达（撞击）石英晶体表面时（即t_n）才起跳，实际上，在t₁时刻已开始起跳，即在t₁~t_n之间的压电讯号是由微粒子撞击石英晶体产生的。t₀是微粒子开始喷射的时刻，t₁是第一批微粒子到达石英晶体表面的时刻，石英晶体表面到自由表面的距离h为已知，则第一批微粒子的喷射速度n₁=h/(t_1-t₀)。依此类推，t_i时刻到达石英晶体的微粒子的速度为n_i=h/(t_i-t₀)，而t_i时刻到达石英晶体表面的微粒子作用在石英晶体上的力s_i可从压电波形图上的u_i通过压电公式求出t_i，t_i+1时刻喷射速度为v_i和v_iH 的微粒子作用在石英晶体上的力为s_i与s_i+1。从t_i到t_i+1的Δt_i时间内的微粒子的平均速度为(n_i+n_i+1)/2，平均作用力为(s_i+s_i+1)/2。

　　设在Δt_i时间内，喷射到石英晶体上的微粒子量为Δm_i，则由动量与冲量的关系有

(n_i+n_i+1)Dm_i/2=(s_i+s_i+1)Dt_i/2,则Dm_i=(s_i+s_i+1)Dt_i/(n_i+n_i+1),总喷射量M=，n为Δt_I的划分数。电探针Ⅱ用于确定自由表面到达石英晶体表面的时刻，可以验证t_n。获得石英晶体的压电波形后，确定t_i划分方法，分别测出t_i对应的v_i和s_i，则可确定喷射量M。

　　本方法已测量过LY-12,Pb和2169钢等材料的微粒子喷射量。测得LY-12和Pb的微粒子喷射量与文献报道基本相符。测得的微粒子喷射量与冲击加载压力的关系、微粒子喷射量与表面粗糙度的关系和微粒子喷射量与表面杂质含量的关系等均与微粒子喷射的机理相符。