基于对数应变和正交响应分离的有限应变率-压力依赖本构框架：100 GPa冲击压缩下钴粘结碳化钨的热-弹-粘塑性行为研究

本研究针对极端动态环境下钴粘结碳化钨(WC-Co)的本构建模难题，开发了基于对数应变的热力学一致有限应变框架，通过正交分解实现体积/偏量响应的完全分离。结合过应力粘塑性模型和完整Mie-Grüneisen状态方程，首次解析了100 GPa冲击载荷下WC-3.7wt%Co的稳态结构波传播特性，揭示了HEL(4.45GPa)与非线性的Us-up关系，为装甲材料设计提供了跨尺度力学认知。

　　

在极端动态载荷领域，钴粘结碳化钨(WC-Co)因其卓越的强度-韧性平衡被广泛应用于装甲防护和冲击物理实验的砧材。然而，当这类材料承受超过15倍Hugoniot弹性极限(HEL)的冲击压力时(如100 GPa量级)，其复杂的多相结构会导致显著的应变率强化、压力硬化和热软化耦合效应。传统基于小变形假设的Johnson-Holmquist(JH2)模型或Steinberg-Guinan模型难以准确描述这种有限应变下的动态响应，特别是无法分离体积变形与畸变行为的相互干涉。

为解决这一挑战，Wang和Prakash团队在《Mechanics of Materials》发表了创新性研究。他们通过设计精密的平板撞击实验(使用30mm粉末炮和100mm气体炮)，结合多光束VISAR粒子速度测量，获取了3.7wt%钴含量WC在100GPa冲击下的完整波剖面数据。研究团队发展的本构框架有三大突破：首先采用对数应变度量实现大变形下的体积/偏量解耦；其次建立包含温度效应的正交应力分解方法；最后通过Grüneisen参数将热力学状态与机械响应耦合。

关键技术包括：1) 多规格平板撞击实验系统(Al-1050/Cu-C101飞片组合)；2) 基于〈100〉LiF窗口的界面速度干涉测量；3) 有限变形热力学框架下的弹性/塑性变形梯度乘法分解；4) 人工体积粘度算法处理冲击不连续面。

研究结果揭示：

1. 1.

   波剖面特征：所有试件均观测到双波结构，弹性先驱波对应4.45±0.29 GPa的HEL，后续塑性波速达5.8-6.6 km/s，显著高于体波速(4.97 km/s)，表明强压力依赖性。

2. 2.

   本构响应：通过中间构型下的Mandel应力分析，发现剪切模量在310 GPa保持稳定，但显著低于Steinberg-Guinan模型预测值，证实钴相在高压下优先屈服。

3. 3.

   温度演化：基于修正的Taylor-Quinney系数(β=0.85)，计算出100 GPa冲击时温升约285 K，显示绝热近似在纳秒级冲击中仍适用。

讨论部分强调，该模型首次实现了三个关键突破：1) 通过对数应变的内变量分解，解决了传统方法在高应变(>15%)时的体积锁定问题；2) 建立的U_s=4.97+1.446u_p km/s经验关系为冲击实验设计提供精确输入；3) 揭示的钴相主导的率敏感机制，解释了WC在超高压下仍保持结构完整性的微观机理。这些发现不仅为装甲材料优化提供理论指导，更为极端条件下材料响应预测建立了新范式。