[論文レビュー] Non-isentropic layers in matter behind shock and ramp compression waves

K. V. Khishchenko, Alexander E. Mayer|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2014

High-pressure geophysics and materials参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、金属の衝撃およびラムプ荷重の際、界面付近に形成される非等エントロピー層（エントロピーが上昇または低下した領域、それに伴う温度のずれを伴う）を調査する。破損塑性に基づくモデルと数値シミュレーションを用いて、衝撃およびラムプ荷重の下で高エントロピー層が形成され、ラムプ荷重またはインピーダンスが異なる材料の界面では低エントロピー層が出現することを示した。これらは表面現象（溶融や赤外測定）に影響を与える。

ABSTRACT

According to the ideal fluid dynamics approach, the temperature and entropy values of a medium undergo a jump increase in the shock front as well as on contact interface between different materials after the shock wave propagation, but remain constant behind the shock front out of the contact interface. In the real condensed matter, the shock fronts and transition regions near the interfaces have finite thicknesses; therefore, the temperature field is disturbed around the interfaces. In this work, such disturbances are numerically analyzed for the problems of formation of the steady shock wave at impact and ramp loading of metals, reflection of the steady shock wave from a free surface, and the shock wave passing through the interface between two different materials. Theoretical analysis and computations show that the non-isentropic layers (the high-entropy ones with the increased temperature and the low-entropy ones with the decreased temperature) arise near the interfaces in the above problems of shock and ramp loading. The impact produces the high-entropy layer; while the ramp loading can result in the both high- and low-entropy layers. At the shock wave passing through the interface, the high-entropy layer is formed in the lower-impedance material and the low-entropy in the higher-impedance one. These high- and low-entropy layers should be taken into account in simulations of shock-wave processes in thin targets or in other cases where surface effects are important. For example, melting can take place in the high-entropy layer on the interface between colliding plates at shock intensities lower than the bulk melting threshold; also the temperature perturbations near the studied surface can affect the result of pyrometric measurements. A mathematical model with accounting for the dislocation plasticity is described here as well as the appropriate numerical scheme is proposed.

研究の動機と目的

• 理想流体力学の仮定を越えて、衝撃およびラムプ荷重下における現実の凝縮相物質の界面近傍における温度およびエントロピーの不均一性を分析すること。
• 有限な衝撃波フロントの厚さおよび界面効果に起因する、エントロピーが増加または減少する非等エントロピー層の形成を調査すること。
• 衝撃波過程におけるこれらの熱的およびエントロピー的異常を正確にシミュレートできるように、結晶欠険塑性を組み込んだ数学的モデルの構築。
• これらの層が薄い標本や界面支配系において、溶融や赤外測定などの表面現象に与える影響を評価すること。

提案手法

• 破損塑性に基づくモデルを用いて、金属における衝撃波の定常状態形成を衝撃およびラムプ荷重条件下で数値解析する。
• 自由表面からの衝撃波の反射および二種の材料からなる界面を通過する衝撃波の伝播をシミュレートし、界面に起因するエントロピー変動を検討する。
• 移行領域におけるエントロピーおよび温度の変化を考慮した、有限差分法による数値スキームを用いて支配方程式を解く。
• 界面近傍の非平衡効果を捉えるために、熱機械的モデルに結晶欠陥塑性を組み込む。
• 有限厚さの衝撃波フロントおよびエントロピーと温度が等エントロピー的挙動から逸脱する遷移領域を、計算モデルで解明する。
• さまざまな荷重条件における界面近傍のエントロピーおよび温度プロファイルを分析し、高エントロピーおよび低エントロピー層の特定を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属に衝撃およびラムプ荷重を加えた際、界面付近にどのような非等エントロピー層（高エントロピーまたは低エントロピー）が形成されるか？
• RQ2 荷重タイプ（衝撃 vs ラムプ）が、高エントロピーおよび低エントロピー層の形成にどのように影響を与えるか？
• RQ3 二種の材料の界面におけるインピーダンス対比が、界面でのエントロピー異常発生位置および性質をどのように決定するか？
• RQ4 これらの非等エントロピー層が、溶融や赤外測定などの表面現象に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ5 結晶欠陥塑性を効果的にモデル化するには、どのようにすれば、衝撃圧縮材料におけるエントロピーおよび温度のずれを捉えることができるか？

主な発見

• 衝撃荷重の下では、圧縮領域の温度およびエントロピーが上昇するため、界面付近に高エントロピー層が形成される。
• ラムプ荷重では、材料の性質および荷重履歴に応じて、高エントロピー層および低エントロピー層の両方が生成される可能性がある。
• 二種の材料の界面において、衝撃波の透過に伴い、インピーダンスが低い材料側に高エントロピー層が発生し、インピーダンスが高い材料側に低エントロピー層が形成される。
• これらの非等エントロピー層は、特に薄い標本において、体積融解閾値未満の衝撃強度でも溶融を引き起こす可能性がある。
• 界面近傍の温度のゆらぎは、赤外測定に顕著な影響を与え、考慮されない場合には誤差を引き起こす可能性がある。
• 提示された結晶欠陥塑性モデルおよび数値スキームは、現実的な熱機械的挙動を伴う、衝撃圧縮材料における非等エントロピー的挙動を的確に捉えている。