冲击波作用于自由面时,因界面反射,加载波特定的前沿宽度势必会对自由面附近一定深度范围内的质点产生影响,导致前沿宽度影响区域内的质点无法达到高应力状态,加上相变时间弛豫的影响,可能造成典型的介观(甚至宏观)上的状态非均匀性。冲击加载自由面几何非均匀起因的微喷射、以及熔化起因的微层裂与上述机制复杂耦合,可能导致自由面附近区域的质点与内部质点的状态存在较大差异,基于精密物理实验机制认识的需求,对该区域的特征物理行为和量化尺度有必要予以深入研究。本文主要研究爆轰加载十几个至数十个吉帕的冲击压力作用下冲击波前沿对金属内部不同位置质点的加卸载过程以及相变过程的影响规律,重点关注波前沿宽度和相变弛豫对金属飞层自由面近表面层的动力学行为的影响规律和近表面层的相变行为,探讨加载波前沿与自由面作用下衍生的近表面层的状态。借助纯铁多晶样品在冲击加载下的固-固多形相变,模拟类比相关材料冲击加载下的固-液相变行为,将材料的动载力学行为测试与相应回收样品的微观结构演化表征结合,凭借近年来快速发展的各类精密测试手段,同时对回收样品进行微观结构表征,获得材料不同位置相变与逆相变等微观结构演化信息,特别关注金属近表面层残留的未相变区的厚度和组织形态分布,分析样品内部不同位置处的微观组织结构与对应实验中加载前沿特征及相应位置质点材料动载力学行为的关系。将实验结果与宏观连续介质力学相场模型的数值模拟结果进行系统地比对分析,并参考分子动力学数值模拟结果,分析强冲击下冲击波前沿对材料内部的应力历程的影响规律,认识冲击相变过程和近表面层区域状态非均匀性形成的物理机制。采用CQ-4磁驱动装置发射高速飞片加载亚毫米厚度多晶工业纯铁样品,分别获得了7GPa-80GPa的加载压力,并使用激光干涉测速系统测量不同加载压力下纯铁样品自由面的速度曲线,获取样品内冲击波与自由面作用后的波剖面信息。根据实验得到的波剖面分析了样品内的冲击波前沿与自由面的作用过程,初步估计了近自由面高压无法进入的区域的厚度。通过对加载实验的合理设计,完整回收到了30GPa以内加载压力下的冲击后样品。对回收样品沿撞击面到自由面的不同深度位置进行显微硬度测试,发现自撞击面起的一定深度范围内,回收样品的显微硬度较高,而接近自由面时,其显微硬度逐渐下降。对回收样品的纵剖面自撞击面至自由面采用精细电子背散射衍射技术进行微观结构分析,发现样品内自由面近表面层位置的孪晶结构与接近撞击面位置的孪晶结构有显著的不同,在自由面近表面层位置,纯铁α←→ε可逆相变的特征产物(三组呈三次对称的{112}<111>孪晶簇)逐渐减少直至完全消失；通过对相变特征产物的标定,获得了回收样品内部沿深度方向的相分区(尤其是重点关注的近表面层未相变区)的量化信息。分别采用宏观连续介质的相场方法和相变动力学方法计算模拟样品内部的动力学过程,复现自由面波剖面曲线和样品内部相分区历程的信息,并分别与实验得到的波剖面曲线和微结构表征的相分区历史结果相比对,评估和矫正计算模型,获得计算模型的关键性参数,并评估两者在描述冲击波前沿对样品动力学过程的影响方面的适用性。通过实验和数值模拟的比对分析发现,冲击波前沿和相变弛豫共同影响近自由面相变的非均匀性,且相变弛豫可能是导致近表面层初始项残留的主要原因。通过数值模拟对80GPa强冲击下纯铁样品的近表面层状态进行了预测,过驱单波加载下的样品近自由面状态的预测,结果表明,即便在极高的压力下,加载波合并为过驱单波结构时,近自由面未相变层也始终存在。