硅锰装甲钢破甲弹坑损伤与微观结构关系的研究

利用ＳＥＭ和光学金相研究了４３лＣＭ钢破甲弹坑内损伤与材料微观结构之间的关系。认为，损伤主要发生在：（１）绝热剪切带上，损伤的形式多为孔洞和微裂纹，孔洞的分布和形貌表明，它是在绝热剪切的“高温”状态下，通过快速形核、长大而形成的；（２）靶板的轧制偏析带和夹杂物处，损伤的形式以微裂纹为主，这些微裂纹常通过剪切带聚合成梯形波裂纹。     

钢中绝热剪切带的动态损伤演化

采用大能量高速材料试验机冲击帽形试样的实验方法,研究了高速冲击条件下钢中绝热剪切带的损伤演化机制。试验结果表明,绝热剪切带的形成并不意味着剪切断裂的发生和宏观裂纹的形成。导致剪切带损伤的微观方式主要包括:基体接触区界面上的微裂纹、带内平直微裂纹、剪切带内与带成一定角度的微裂纹和孔洞。在这些微损伤方式的形核、长大过程中,绝热剪切带逐步损伤,宏观裂纹逐步形成。     

穿甲试验靶板中绝热剪切带特征及与裂纹的关系

采用14.5mm弹道枪发射7.6mm次口径93W穿甲弹,对603钢进行穿甲侵彻试验。结果表明:在一定的条件下,绝热剪切带交叉分布,剪切带内变形极大且不均匀,成为微裂纹和微孔洞的起源,这些微裂纹和微孔洞相互连接,导致裂纹沿绝热剪切带萌生、扩展,最终形成沿整个绝热剪切带的大裂纹,使部分穿孔表面形成碎片,造成靶板的损伤,降低靶板的力学性能,是靶板破坏的先兆;但绝热剪切带与裂纹并不完全等同,有些剪切带由于变形量不大,不产生裂纹。     

绝热剪切带内微孔洞演化规律研究

为深入了解绝热剪切带内微孔洞的演化规律,进而揭示高应变率加载条件下绝热剪切破坏的特殊规律,本文对D35钢进行了约束爆破实验,爆破后回收圆筒的微观观察表明,绝热剪切破坏要经过绝热剪切带内微孔洞形核、长大和相互联接形成裂纹等一系列演化过程.在Guduru P等人的测试结果和Li Shaofan等人数值仿真结果基础上,通过简化(剪切带内的温度分布为由剪切带中心向边缘线性降低,并最终降至与基体温度相同; 微孔洞的形核、长大受温度控制,长大速度随温度呈指数规律降低)对Timothy S P和Hutchings I M的模型进行了修正,修正后的模型可以定量的描述绝热剪切带内微孔洞的演化直至破坏的全过程,模型的描述与微观分析获得的实验结果有较好的一致性.     

贝氏体钢和35CrMnSi空心弹体侵彻金属靶板的比较研究

本文对贝氏体钢和35CrMnSi弹体以不同速度侵彻金属靶板的结果进行了宏观和细观对比实验研究，以揭示弹体的变形、质量侵蚀和微观组织的联系，尤其是与绝热剪切带之间的关系。研究发现，弹体头部均发生不同程度的镦粗变形或质量侵蚀，并有绝热剪切现象，剪切带的形貌和分布在很大程度上决定了弹体的宏观变形和破坏。贝钢的剪切转变带中较多微孔洞，其断口为平坦脆性断口；35CrMnSi的剪切带中较多微裂纹，断口平坦面比贝钢小，并有撕裂现象。剪切转变带的显微硬度均高于基体组织。两种材料的弹体经较低速度侵彻后，亦可观察到少量的形变带和转变带。本文的研究为贝氏体钢在穿甲弹体上的应用提供了理论与实验数据。     

不同强度的40CrNi2Mo钢抗弹性能研究

为了研究抗拉强度对钢板抗弹性能的影响,利用12.7mm穿甲燃烧弹对18mm厚不同抗拉强度的40CrNi2Mo钢板进行抗弹性能测试。观察不同弹速下钢板出现的损伤形貌,弹坑周围裂纹和绝热剪切带的形成位置和数量,评定背面强度极限。分析不同抗拉强度钢板的穿甲机理。结果表明:抗弹性能随着抗拉强度的提高,呈现非单调变化的趋势;抗拉强度在1270MPa以下,钢板出现塑性扩孔破坏,弹坑周围基本不形成绝热剪切带与裂纹;抗拉强度在1270MPa至1700MPa之间,由于绝热剪切带的形成与扩展,钢板损伤形式由塑性扩孔向冲塞破坏转变;抗拉强度超过1700MPa,由于板内裂纹的形成与扩展,钢板出现崩落。     

空心侵彻弹侵彻金属靶板的细观损伤行为研究

本文研究了三种钢制截卵形空心侵彻弹侵彻45#钢板的细观损伤机制.靶道试验后对侵彻弹的细观观察结果表明:当侵彻弹以较低速度撞击靶板并保持弹体结构的完整时(发生小变形),其主要细观损伤控制机制为微孔洞机制;当侵彻弹以较高速度撞击靶板,在弹体头部或头部与弹身交接处发生大变形或断裂破坏时,绝热剪切损伤机制为其细观损伤机制.材料的绝热剪切敏感性是侵彻弹毁伤威力和变形破坏的主要细观控制参量.透射电镜(TEM)观察发现绝热剪切带为转变带,带内发生了动态再结晶转变.     

高应变率下工业纯钛TA2变形与失效研究

利用Hopkinson杆,采用动态压缩实验研究帽形样品的工业纯钛在高应变率(10~3 s~(-1))下的变形与失效机制。从时间-剪应力曲线分析材料的剪切变化规律。结果表明:轧制变形后的试样,它的绝热剪切敏感性明显变强;而在轧制变形量相同的情况下,从材料厚度方向上取的试样,其绝热剪切敏感性比其它方向强。通过光学显微镜、扫描电镜和透射电镜分析其显微组织的变化规律。结果表明:试样的受剪部位均可观察到明显的绝热剪切带。绝热剪切带是材料宏观失效的先兆,带内晶粒细小,为等轴晶,发生了再结晶,带中的微裂纹、微空洞的形成最终导致材料失效。     

高强度钢在高速冲击载荷下的动态响应 ?

为了探讨高强度钢板在高速冲击载荷下的动态行为，用１２．７ｍｍ钢芯穿甲弹垂直射击ＣｒＭｏ、ＳｉＭｎＭｏ和ＣｒＮｉＭｎＭｏＢ钢靶板，靶板硬度为ｄ＿（ＨＢ）＝２．７０～３．５０ｍｍ。对穿甲机制进行了分析，讨论了绝热剪切带的形成原因及其在冲塞穿甲中的作用。从弹丸能量和弹坑容积的关系出发，探讨了穿甲机制和抗弹性能的差异。试验结果表明：穿甲机制和抗弹性能取决于钢板的厚度和硬度。在较高硬度时，由大量剪切变形而产生的绝热剪切带将导致冲塞破坏。当ｄ＿（ＨＢ）＝３．０～３．２ｍｍ时，钢靶板呈现出混合型穿甲机制，并显示出较好的抗弹性能。     

典型压装与浇注PBX炸药缝隙挤压损伤-点火响应

为探究动态挤压载荷作用下典型装药结构在壳体裂缝周围的点火响应过程,采用高聚物粘结炸药（Polymer bonded explosives, PBX）微裂纹-微孔洞力热化学耦合细观模型,对缝隙挤压载荷作用下PBX药柱与缝隙结构相互作用、炸药宏观力热化学响应、以及损伤-点火细观机理进行了研究,对比分析了压装PBX-5与浇注GOFL-5两类炸药损伤-点火响应的差异性。结果表明,200 m·s^-1挤压速度下压装PBX-5炸药表现为脆性破坏,60 μs时挤压前沿距缝隙表面3 mm,在缝隙位置处形成应力集中,与挤压位置成45°方向区域内微裂纹发生快速扩展;相同撞击条件下,浇注GOFL-5炸药在缝隙位置处发生快速流动,大量材料被挤入缝隙,60 μs时挤压前沿距缝隙表面9 mm。两种炸药在缝隙周围均形成了潜在点火位置,剪切裂纹热点为压装炸药点火主导机制;局部剪切塑性耗散机制为浇注炸药潜在的点火主导机制。     

Zr_(38)Ti_(17)Cu_(10.5)Co_(12)Be_(22.5)大块非晶合金动态剪切行为研究

利用分离式Hopkinson压杆实验装置(SHPB)研究Zr_(38)Ti_(17)Cu_(10.5)Co_(12)Be_(22.5)大块非晶合金的室温动态压缩断裂行为,应变率控制在～102s-1。该大块非晶在动态压缩条件下表现出完全弹性变形,在断裂之前没有明显的塑性变形。试样沿与加载方向成～42°的方向剪切断裂,剪切面非常粗糙。利用扫描电子显微镜(SEM)研究剪切带的形核和扩展。高倍下在剪切面上观察到明显的微剪切带和微裂纹,表明在动态加载条件下,剪切带形核之后立即促发形成微剪切带或者微裂纹。此外,在剪切面观察到的熔融带表明在动态断裂过程中,绝热也起到了很重要的作用。     

中碳Ni-Cr-Mo钢中绝热剪切带的形成及其特征

为进一步了解绝热剪切带的形成及特征,对高速冲击后的中碳Ni-Cr-Mo钢进行金相组织、显微硬度检验及透射电镜观察和分析。结果表明:绝热剪切带的产生通常伴随着明显的组织变形,继续发展就会产生裂纹。绝热剪切带发生相变硬化,而变形区则只发生由变形引起的加工硬化,绝热剪切带的硬度远高于变形区及基体的硬度。另外绝热剪切带为淬火马氏体组织,其位错密度明显高于基体。     

穿甲侵彻过程中靶板内绝热剪切带特性及形成原因分析

发射小口径脱壳穿甲弹,对30CrMnMo钢装甲靶板产生的绝热剪切带特性及形成原因进行了分析。结果表明：在开坑和冲塞阶段,不产生绝热剪切带;在稳定的侵彻阶段,可达到绝热剪切带需要的应变量,从而产生绝热剪切带,并呈稀疏状分布,与侵彻方向大约成45°夹角。在本试验条件下,产生绝热剪切带的临界剪应变大约为0.47,临界温度大约为391℃．产生绝热剪切带后,在剪切带内变形增大且不均匀,将产生应力应变集中,和周围材料变形不协调,在随后的冷却过程中易产生裂纹。     

平板冲击绝热剪切实验的数值模拟研究

采用Ansys/Lsdyna数值模拟45钢平板冲击绝热剪切变形局域化行为,计算中采用3D模型,本构方程采用热粘塑性的Johnson-Cook模型。为了更好地获得局域化变形的结果。采用网格渐变的方法分析绝热剪切带的萌生和扩展方向。计算结果表明:在一定的冲击速度下,绝热剪切带出现在预制裂纹尖端并与预制裂纹成75°;绝热剪切带产生的临界速度为50 m/s;剪切带的扩展方向为与预制裂纹方向成-10°。     

破甲弹坑内壁剪切带形态与成因分析

使用基准破甲弹对等厚不同强度钢的靶板进行静破甲,得到形状相似的弹坑.解剖后对内壁进行金相分析,发现得到的剪切带大体有四种类型剪切带(无相变)、条状绝热(有相变)剪切带、河流状绝热剪切带和与裂纹共生绝热剪切带.它们的形成不仅与发生的位置有关,而且与材料的强度和热性能有关.     

铝合金多层板靶板损伤形式及其微观组织分析

采用53式7.62 mm弹道枪、7.62 mm穿燃弹入射铝合金多层板,弹速为824 m/s。利用光学显微镜观察靶板侵彻后的弹坑微观组织。结果表明,距贯穿初始位置约4.3 mm开始出现绝热剪切带,距贯穿初始位置约3 mm开始出现裂纹。裂纹均存在于面板中。在弹丸冲击下,出现于面板弹坑微观组织中的绝热剪切带与裂纹相比,是一种更有效的能量耗散方式。背板贯穿处边缘未见裂纹和绝热剪切带。中间填料层对裂纹扩展有明显的抑制作用。     

陶瓷的平板撞击拉伸损伤演化表征研究

为了更合理地描述陶瓷材料的拉伸型损伤,以材料存在初始缺陷的事实为基础,将含有众多不规则的微裂纹(或孔洞)的实际损伤体近似为一种"等效微孔洞体系",提出了一种陶瓷材料的有核长大拉伸型损伤演化方程;通过数值计算模拟陶瓷在平板撞击层裂实验时的自由面速度-时程曲线,优选得出了其拉伸损伤参数。差分计算结果与实验结果吻合较好,且优于商业软件Ls-dyna证实了该文提出的陶瓷材料拉伸型损伤演化方程是合理的和实用的。     

TA2钛合金动态压缩试样中的绝热剪切破坏研究

绝热剪切是金属材料高速变形破坏的重要形式之一,利用分离式霍普金森压杆（SHPB）技术对TA2钛合金的动态力学性能及绝热剪切破坏特性进行研究,实验得到了TA2钛合金动态应力-应变关系。对试样的绝热剪切带形成及发展进行了微观金相观察,结果显示：TA2钛合金动态压缩试样中产生的绝热剪切带呈对称的双圆锥形特征。进一步利用有限元方法对试样动态压缩及变形局域化过程进行了有限元数值分析,模拟结果与实验吻合较好。数值分析结果表明压缩试样表面摩擦对试样中绝热剪切带的形成与破坏特征有着重要影响。     

高应变率下延性金属中微孔洞贯通行为的数值分析

采用有限元分析方法,研究了延性金属材料动态拉伸断裂过程中微孔洞之间贯通行为,讨论了初始孔洞间韧带距离和加载应变速率的影响。通过实时跟踪测量微孔洞长大过程中的形状改变,定量判断微孔洞开始贯通时刻。计算结果显示微孔洞从独立长大向微孔洞贯通转变开始的临界韧带距离约为0.5倍微孔洞实时直径,其对初始微孔洞间韧带距离和加载应变速率不敏感。从物理机制上看,微孔洞间贯通行为是通过塑性应变场相互作用实现的,但孔洞间韧带区域的塑性应变场需要达到一个临界阈值才能驱动微孔洞开始贯通。在材料中微孔洞统计均匀分布的假定条件下,指出临界孔洞间韧带距离（ILD_c）判据和临界孔洞体积分数（f_c）判据在物理本质是一致的,可以相互转换。     

基于细观参数的HTPB推进剂粘接界面损伤演化数值模拟

为了研究加载角度对三组元端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂粘接界面细观失效机理的影响,使用微CT对单轴拉伸过程中的粘接界面进行原位扫描与重构,表征其损伤演化过程,然后将细观结构参数与损伤变量引入内聚力模型,得到不同加载角度下粘接界面的细观损伤演化过程。结果表明,粘接界面高氯酸铵（AP）颗粒的初始脱湿主要从靠近界面的弱界面层开始,方向沿界面的剪切分力方向。界面破坏形式与剪切角度有关,合力与界面的角度越小,裂纹越容易扩展至推进剂/衬层界面,反之裂纹扩展更容易发生在AP颗粒间。通过与CT试验结果对比,从失效模式与载荷位移关系验证了计算结果的准确性,揭示了不同加载角度下推进剂粘接界面结构的损伤演化规律。