锆在冲击载荷下弹塑性耦合α→ω相变的实验与非静水热力学建模研究

为解决冲击载荷下固体材料马氏体相变建模难题，中国工程物理研究院流体物理研究所团队通过轧制工艺制备三种不同微介观结构的锆样品，在完全一致的加载条件下测量其动态响应，揭示了剪切应力与弹塑性耦合对纯锆α→ω相变的显著影响。研究首次报道了沿不同弹塑性耦合路径获得的对比实验数据，并建立基于非静水热力学的理论模型，数值模拟结果与实验测量高度吻合，为冲击诱导相变机理研究提供了新范式。

　　

在材料科学和国防科技领域，固体材料在冲击载荷下的相变行为一直是困扰研究人员的难题。自Bancroft首次报道铁的冲击诱导α→ε相变以来，虽然学术界对马氏体相变的研究已持续数十年，但剪切应力和弹塑性耦合对动态相变的影响机制始终未能阐明。特别是在航空航天、核能装备等关键领域，锆合金的α→ω相变行为直接关系到材料在极端条件下的服役性能，建立精确的相变模型具有重要战略意义。

中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室的Ying-Hua Li团队针对这一科学难题，创新性地采用对比实验与理论建模相结合的研究策略。研究人员通过精密轧制工艺制备了粗晶(BG)、中晶(MG)和细晶(FG)三种不同微观结构的纯锆样品，在58mm气炮装置上开展平板撞击实验，利用激光干涉仪(DLHV)同步测量三个样品的自由面速度剖面。实验数据首次清晰显示，虽然三组样品在相同加载条件下，但其相变诱导的剖面分裂特征存在显著差异，证明弹塑性耦合路径对相变动力学具有决定性影响。

研究团队运用多项关键技术：采用电子背散射衍射(EBSD)表征轧制样品的晶粒/亚晶结构；通过气炮加载实现GPa级冲击压力；应用位移干涉仪(DISAR)精确测量飞片速度；采用直径<1mm的激光测点保证测量精度优于1‰。理论建模方面，创新性地将非静水热力学框架与弹塑性耦合效应结合，推导出广义非静水化学势和Clausius-Clapeyron关系，建立包含相变应变与塑性应变的本构方程。

研究结果部分，首先在"2.1样品制备"中证实三种锆材料的晶粒尺寸梯度分布：原始锆晶粒达200μm，轧制后晶粒细化且位错密度增加。关键的"2.2实验测量"显示，虽然三组样品的弹塑性波分裂结构几乎相同，但相变诱导的剖面分裂特征差异显著：BG样品相变最早启动，FG样品最晚，且分裂幅度依次递减。在"3.1基本框架"建立的热力学模型中，通过引入有效温度T^e和有效压力p^e等概念，成功量化了剪切应力对相变势垒的影响。

"4.理论模拟与讨论"部分揭示重要发现：数值模拟显示相变触发时三组样品的温度相近(约301.35K)，但压力(2.368-2.382GPa)均显著高于理论静水相变压力(1.872GPa)。图4展示的第二偏应力不变量J₂演化曲线证实，不同样品经历了差异显著的弹塑性耦合路径。特别值得注意的是，图5显示相变诱导的剖面分裂实际发生在11GPa以上，远高于相变触发压力，这一发现对传统通过剖面分裂判断相变压力的方法提出了质疑。

该研究在《Journal of Materials Research and Technology》发表的重要意义在于：实验上首次获得相同加载条件下不同弹塑性耦合路径的对比数据；理论上建立首个考虑弹塑性耦合的非静水热力学相变模型。研究证实位错密度通过参数ξ显著影响相变阻力势(ξ_BG=0.8<>_FG=1.6)，而临界相变比例η_c的梯度变化(η_c-BG=0.35>η_c-FG=0.5)揭示了缺陷积累对相变的双重作用。这些发现为精确预测材料在冲击载荷下的相变行为提供了新思路，对国防装备设计和核材料开发具有重要指导价值。