钨合金模拟弹侵彻钢板的实验与细观响应分析.pdf

第5 2 卷第4 期 20 00 年1 1 月 有色金属 N o N F E R R o U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 ．N o4 N o v e m b e r2 00 0 钨合金模拟弹侵彻钢板的实验与细观响应分析 焦彤，张宝钎，张海涛，刘长林 北京理工大学机电工程学院，北京1 0 0 0 8 1 摘要本文通过实验．分析了钨合金弹杆在侵彻过程中的断裂机理及特性以及其微观结构响应的特点，并对比了 9 0 W 、9 3 W 钨合金在侵彻时其微观结构响应的异同点。通过对比发现，二者在侵彻时均能够产生绝热剪切现象。但由于9 0 9 l r 的粘结相体积分数较多，而具有较强的产生绝热剪切带的潜能，因此具有较强的侵彻能力。 关键词钨合金；动态断裂；侵彻；绝热剪切 中图分类号T G l 4 6 ．4 文献标识码A文章编号1 0 0 卜0 2 1 1 2 0 0 0 0 4 一0 0 8 7 一0 5 钨合金是一种由近似于球形的钨颗粒和钨、 镍、铁及少量的钻组成的粘结相在高温下烧结而成 的一种双相合金。由于具备了高密度、高强度和较 好的韧性等优异性能而成为穿甲弹的主要弹芯材 料。但据资料报道【1 J ，钨合金穿甲弹的侵彻能力 不及贫铀合金制成的穿甲弹。究其原因，是由于钨 合金穿甲弹在侵彻过程中头部将形成蘑菇状，不利 于穿甲，而贫铀合金穿甲弹在侵彻过程中将形成绝 热剪切带，钝化的头部不断脱落，即产生所谓“自 锐化”效应，从而提高穿甲能力。但由于贫铀合金 的辐射问题，也不是最佳的穿甲弹弹芯材料。 9 0 W 、9 1 W 等低钨含量钨合金，由于其更可能在 侵彻中形成绝热剪切带而日益受到人们的注意。 我们都知道，穿甲弹在侵彻装甲时，其头部将 遭受到数十乃至近百个G P a 的冲击压力，材料内 部将发生应变率高达1 0 5 s - 1 的高速变形、破坏乞因 此对钨合金在侵彻过程中，头部的微细观结构响应 的分析是十分重要的。本文通过实验对比、分析了 9 0 W 和9 3 W 在动加载时发生断裂的机理和侵彻时 微观结构响应的特点，为寻找更好的穿甲弹的弹芯 材料提供了依据。 1模拟穿甲弹侵彻实验 为更深入地探讨9 0 W 和9 3 W 钨合金在穿甲过 程中受到强烈冲击时其微细观结构响应的异同，我 们将9 0 W 和9 3 W 钨合金分别制成直径为5 r a m ， 长为2 5 m m 的棒。然后利用一级轻气炮驱动钨合金 收稿日期2 0 0 0 0 4 2 0 ；修回日期2 0 0 0 0 5 1 7 作者简介焦彤 1 9 7 2 一 ，女，博士研究生 棒去撞击侵彻4 5 号钢质靶板，具体的实验装置如 图1 所示。其中弹速的测量是靠在炮架侧壁上沿弹 运动方向装的四排测速探针测得的，并且为了导通 探针，在弹托前端贴有铝箔。每排探针间的距离是 事先测得的，当弹通过炮架时，便会依次扫过四排 探针，探针导通后就在示波器上记录下一个脉冲信 号，这样就可以测得每两个脉冲信号间的时间间 隔，也就得到了弹通过每两排探针所用的时阅，从 而求出弹速。具体测得的速度波形如图2 所示。 氇徭 图1 模拟弹实验装置简图 F i g1 P e n e t r a t i o ne x p e r i m e n t 0 1 02 03 0 T i m e ／1 0 6 s 图2 典型的速度波形 F i g2V e l o c i t yc u r v e 根据泰特经验公式[ 2 ] 4 0 0 2 4 6 8 O 0 加 加 加 加 o ≯＼叫ob，105 万方数据 有色金属第5 2 卷 导1 十坠尘粤坚型 1 ’d u n ‘ 计算出直径为5 m m ，长为2 5 m m 模拟穿甲弹对 5 r a m 厚钢板的极限穿透速度为6 0 9 ．8 m ／s 。结合一 级轻气炮加载能力，在实验中我们选取4 5 0 ～ 6 5 0 m ／s 作为实验弹速，部分实验数据见表1 。 表1钨合金弹侵彻钢靶板的实验数据 绳曼 9 2 1 坚』1 2 9 2 里2显然 ’3 6 75 2 78 ．3 2 0 1 0 0 1单层5 r a m 靶板一卑层靶板一 9 0 WJ 8 3 7 l 5 4 68．3161002叠放的两层5 m m 靶板见图3叠放的两层靶板见图 9 0 WJ 8 5 5 76 5 08 ．4 5 3叠放的两层m m l 0 0 35 m m 靶板见图4叠放的两层靶板见图 9 3 WJ 8 _ 3 0 5 6 4 8 ．2 5 7 单层2 0 ．0 1 0 0 4 2 00 m m 靶板 见图5单层靶板见图 9 0 W ， 8 ．5 6 0 6 5 5 8 ．4 5 3 1 0 0 5单层1 9 ．4 m m 靶板见图6卑层1 ．靶板见图 由于轻气炮加载能力的限制，钨合金棒不能做 的太粗太长，否则加上弹托的质量后使弹丸变得太 重，弹丸速度难于提高。为了防止弹托所携带的动 能作用在靶板上，我们设计了一个卡板，只允许钨 棒通过，而阻挡弹托。但由于钨棒固定在弹托上， 故弹托与卡板相撞时，会降低钨棒对靶板的撞击速 度，表1 所列仅为弹托与卡板碰撞前测得的弹速。 图3 实验1 0 0 2 剩余弹杆形状 F i g3 T h er e m a i n e dp e n e t r a t o r o fe x p e r i m e n t1 0 0 2 实验1 0 0 1 的结果见图7 。可以看到靶板已经 被穿透，从穿孔边缘被拉断的迹象可看出此时已接 近于穿透极限状态，但所测到的实际穿透极限速度 小于计算结果。可见，经验公式在弹径较小，弹速 较低的情况下与实验结果相差较远。实验中，我们 发现在本实验的速度范围内，钨合金棒的质量损失 很小，仅在头部有明显的墩粗现象。而且，随着速 度的增加、靶板厚度的加大，钨棒头部的墩粗现象 越来越严重，靶板的翘屈也越来越小。 图4 实验1 0 0 3 剩余弹杆形状 F i g4T h er e m a i n e dp e n e t r a t o r o fe x p e r i m e n t1 0 0 3 图5 实验1 0 0 4 剩余弹杆形状 F i g5T h er e m a i n e dp e n e t r a t o r o fe x p e N m e n t1 0 0 4 图6 实验1 0 0 5 剩余弹杆形状 F i g6T h er e m a i n e dp e n e t r a t o r o fe x p e r i m e n t1 0 0 5 实验1 0 0 2 和1 0 0 3 中的杆弹材料分别为9 0 W 和9 3 W ，侵彻速度也相差不大，但从回收的钨棒 的情形看9 3 W 1 0 0 3 棒墩粗得更严重，蘑菇头 也较9 0 W 棒大。当然，9 3 W 的密度比9 0 W 略大， 而且1 0 0 3 中9 3 W 棒的着靶速度也较大，因而侵彻 动能也较大，使得9 3 W 受到更强烈的作用是一个 原因。但我们认为，9 0 W 中粘结相的比重多于 9 3 W 也是一个重要原因。把回收的9 3 W 钨合金和 9 0 W 钨合金棒沿轴线切开，制成金相试样在扫描 电镜下观察其微观结构。发现9 3 W 棒的头部，钨 万方数据 第4 期焦彤等钨合金模拟弹侵彻钢板的实验与细观响应分析 8 9 图7 实验1 0 0 1 的实验结果 F i g7T h er e s u l to fe x p e r i m e n t1 0 0 1 颗粒变形十分剧烈 图8 ，由原来的近似于球形 变成椭球形，且椭球的长轴方向基本上是与侵彻方 向垂直的。并且有很多地方钨颗粒紧密相连，已分 不出w w 界面，似乎融化在一起，从中也可以 看出钨颗粒在高温下具有极好的变形能力。 而9 0 W 棒的头部钨颗粒基本未变形，仅在头 部的最底层有少量的变形颗粒 图9 。因此我们 可以认为在钨合金中粘结相承受着主要的塑性变 形。当侵彻开始时，9 0 钨合金弹杆头部也同样受 到了强烈的冲击挤压，但由于在材料内部，粘结相 含量相对较多，因此大部分的塑性变形都由粘结相 承担，从而钨颗粒的塑性变形程度相对较低，“逃 避”了强烈的变形过程。 图89 3 W 头部晶粒变形 F i g8 D e f o r m a t i o no fW g r a i ni n9 3 W 在实验1 0 0 4 和1 0 0 5 中均采用了厚靶 靶板厚 度为2 0 m m 左右 ，实验结束后，靶板均未被穿透， 且背面也没有任何突起。实验1 0 0 5 中弹杆插入靶 中，取出弹杆后，杆断头部呈硕大的球状 直径 9 r a m 左右，实验1 0 0 3 中头部直径仅为6 r a m 左 右 ，穿深为3 ．9 3 m m 。我们将其沿轴线切开，包 埋后磨制成金相试样，在S E M 下进行金相观察。 其头部的形状如图6 所示，弹杆头部晶粒变形情况 如图1 0 所示。我们从图中可以清楚的看出弹杆头 部的塑性流动情况，发生了塑性流动的材料就象一 个帽子一样盖在弹杆头部，沿流动方向变形的晶粒 与垂直于碰撞轴线变形的晶粒有一个明显的分界 线。并且在塑性流动的“帽子”内发现了一条裂纹 如图1 1 所示 。沿裂纹传播方向放大 如图1 2 所 示 ，发现在裂纹中似乎有熔融物质存在，而且裂 纹区域附近的晶粒变形更强烈，而且大多沿裂纹方 向，与区域外颗粒的变形方向不一致，这说明这条 条裂纹实际上是由绝热剪切带引起的。 在实验1 0 0 4 中，穿深为4 ．5 2 m m ，弹杆被破 坏为三部分，如图5 所示。其中每一块的断口方向 都与碰撞轴线呈4 5 。夹角，且断口表面呈亮灰色， 图99 0 W 头部晶粒变形 F i g9 D e f o r m a t i o no fW g r a i ni n9 0 W 图1 0 实验1 0 0 5 中头部晶粒变形 F i g1 0 D e f o r m a t i o no fW g r a i n i ne x p e r i m e n t1 0 0 5 图1 1 绝热剪切裂纹 F i g1 1 F r a c t u r ed u et oa d i a b a t i cb a n d 万方数据 有色金属第5 2 卷 图1 2 绝热剪切裂纹 F i g1 2 F r a c t u r ed u et oa d i a b a t i cb a n d 并有明显的流状条纹，与拉伸断口的粗糙表面有很 大不同，这说明该断口是由材料内部形成的绝热剪 切带产生的。断口表面的亮灰色也表明，由绝热剪 切带产生的裂纹基本上是沿晶断裂。 上述现象可以从能量角度得到解释。由于粘结 相的熔点比包颗粒的要低很多，因此当剪切带传到 钨颗粒表面时。则选择所需能量相对较少的钨颗粒 与钨颗粒接触的界面或粘结相中继续向前传播，如 示意图1 3 所示。当剪切带传到B 、C 两处时，由 于路径被扭向大剪应力的方向，仍在粘结相中沿界 面传播。同时，由于在剪切带中存在高温、高压、 高应变以及高应变率，因此剪切带中的钨颗粒发生 沿剪切带方向的严重变形。 将钨合金中绝热剪切带的产生过程可以总结如 下钨合金材料在冲击载荷作用下首先发生塑性变 形，钨颗粒被压扁。当材料中的某局部能量聚集到 一定程度，并难以向外扩散时，材料中就会发生塑 性失稳，产生绝热剪切带，并沿最大剪应力方向沿 w M 界面向前传播。因此，可以说钨合金中的 剪切带是以钨颗粒剧烈变形、软化与粘结相破坏为 特征的方式进行的。 图1 3 绝热剪切带裂纹传播的路径[ 3 】 F i g1 3P r o p a g a t i o nr o t l t eo ff r a c t u r e d u et oa d i a b a t i cb a n d 2讨论 从上述实验中我们可以看出，在钨合金中，粘 结相主要起着粘结钨颗粒，阻止裂纹扩展，提高合 金韧性，并且在受载时承担主要的塑性变形，调整 合金中的应力分布等作用。而钨颗粒在受载时则承 担主要的应力，以使材料表现出较好的强度，并且 在高温下脆性钨颗粒还能表现出非常好的变形能 力。这与许多实验观测相吻合。他们通过对绝热剪 切带的金相观测以及对带中钨颗粒的显微硬度的测 量，发现钨颗粒在高温下具有极好的塑性变形能 力，并未发现钨颗粒的破坏。在带中仅发现显著变 形后完整存在的钨颗粒和熔融的粘结相。 钨合金在侵彻过程中能否形成绝热剪切带是我 们关心的重要问题。普遍认为钨合金是绝热剪切不 敏感材料。而且许多研究者只观察到钨合金中存在 形变型绝热剪切带，而没有看到由绝热产生相变而 形成的转变型绝热剪切带【4 】。 通过我们的对比可以初步认为，在侵彻的过程 中9 0 钨合金与9 3 钨合金都能够产生绝热剪切带， 但相比之下，9 0 钨合金具有较好的形成绝热剪切 带的潜能，并且其侵彻能力也较之于9 3 钨合金略 高。9 0 W 与9 3 W 相比，钨的重量百分比下降了 3 ％，从而其密度、硬度也有所下降，韧性却相对 提高。在侵彻有限厚度靶板时，9 0 W 由于粘结相 比重较多，因此头部形成的蘑菇状较9 3 W 小。但 对于作用强烈的厚靶板，二者头部大小、形状相差 不多，但由于9 0 W 中更易于产生绝热剪切现象， 使得“蘑菇头”不断剥落，而降低了侵彻阻力，从 而提高了侵彻能力。但这只是在小尺寸情况下的实 验结果，仍需进一步的实弹实验。 绝热剪切现象发生的临界条件也需要进一步研 究。据H ．C o u q u e 和N ．E c h e s 【5 ] 报道，他们曾经利 万方数据 第4 期焦彤等钨合金模拟弹侵彻钢板的实验与细观响应分析9 1 用H o p k i n s o n 压杆加载，用一根直径为9 m m 长 3 5 m m 的9 W 一6 N i 一3 C o 的棒以3 0 0 m ／s 的速度去撞 击同样大小、材料的一根钨棒，并在其中产生了绝 热剪切带。他们认为在这样的材料中产生绝热剪切 带的临界条件是压力要达到2 0 0 0 M P a ，而局部塑 性应变应达到0 。5 ，并且局部化开始时温度大约是 在4 0 0 。到6 0 0 。之间。 参考文献 1 朱晓畅．穿甲技术文集 Ⅳ ．北京兵器工业出版社，1 9 9 5 ．4 2 赵国志．穿甲工程力学．北京兵器工业出版社，1 9 9 2 3 魏志刚．中国科学技术大学硕士论文，1 9 9 5 4 李世君，黎晓华，白玉英等．见第四届兵工材料动态力学学术研讨会，1 9 9 5 5C o u q u eH ，E c h e sN ．JP H Y S ，I VF R A N C E7 ，1 9 9 7 ．4 0 3 M I C R o - B E H A V I o RO F9 0 W ．9 3 WT U N G S T E N A L L o Y SU N D E RI M P A C TD Y N A M I C S J I A OT o n g ，Z H A N GB a o p i n g ，Z H A N GH a i t a o ，L 儿，C h a n g l i n B e O i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 1 A B S T R A C T T h ed i f f e r e n c eo fm i c r o - b e h a v i o rb e t w e e n9 0 Wa n d9 3 Wt u n g s t e na l l o y su n d e ri m p a c td y n a m i c sw a sa n a l y z e d ．W h e np e n e t r a t i n g ，t h e9 0 Wa l l o yh a sm o r ec h a n c et of o r ma d i a b a t i cs h e a r i n gb a n db e c a u s eo fm o r em a t r i x e si n9 0 Wa l l o y ．H e n c e ，i t sp e n e t r a t i o nd e p t hi sd e e p e r ． K E YW O R D St u n g s t e na l l o y ；p e n e t r a t i o n ；a d i a b a t i cs h e a r i n g c o n t ．f r o mP ．6 3 D E V E L O P M E N To F F U Z Z Y E X P E R TC o N T R o LT E C H N I Q U E F O RA L U M I N U ME L E C T R O L Y S I S L I f i e l ，D I N G F e n g q i l 。Z O U Z h o n 9 1 ，L I M i n g j u n l ，L I UY e x i a n 9 1 ，B I A NY o u k a n 9 2 。W U Z h i m i n 9 2 。L I U G a n 9 2 1 ．C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ；2 ．Q i n g h a iA l u m i n u mC o r p o r a t i o n ，X i n i n g8 1 0 1 0 8 A B S T R A C T I no r d e rt ou p g r a d et h eb a s i cc o n t r o lu n i t c a l l e d “c e l lc o n t r o l l e r ”i nap r o c e s sc o n t r o ls y s t e mo fa l u m i n u m e l e c t r o l y s i s ，f u z z ye x p e r tc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dt od e v e l o pan e wc o n t r o la l g o r i t h mc a l l e d “F u z z yE x p e r tC o n t r o l l e r F E C ，’．I t si n f e r e n c ee n g i n eb a s e do na n “a p p r o x i m a t er e a s o n i n g ”m e t h o dh a st h ea d v a n t a g eo f n o to n l yp r o c e s s i n gt h ek n o w l e d g eo fc e r t a i no rp r e c i s et y p e ，b u ta l s ot h a to fu n c e r t a i no rf u z z yt y p e ．T h em e c h a n i s mo fS e l f R e g u l a t i o no fU n i v e r s eo fD i s c o u r s ec a na u t o m a t i c a l l ya d ju s tt h eu n i v e r s e so fd i s c o u r s eo fi n p u t a n d ／o ro u t p u tf u z z yv a r i a b l e sa c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo fc e l ls t a t ea n dt h et r a n s i t i o no fc o n t r o lm o d e s ，t h u s a c h i e v i n gt h eo b j e c to fo n l i n em o d i f y i n gi t so p e r a t i n gp o i n t sa n dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c ee f f i c i e n t l ya n d c o n v e n i e n t l y ． K E YW O R D S a l u m i n u m ；a l u m i n u mr e d u c t i o n ；p r o c e s sc o n t r o l ；f u z z ye x p e r tc o n t r o l 万方数据