钨纤维复合材料穿甲弹芯侵彻时的自锐现象

钨纤维复合材料穿甲弹芯侵彻时的自锐现象 () 文章编号 : 100121455 20090420351205 3 钨纤维复合材料穿甲弹芯侵彻时的自锐现象 1 2荣 光,黄德武 (1 . 南京理工大学瞬态物理国家重点实验室 ,江苏 南京 210094 ; )2 . 沈阳理工大学装备学院 ,辽宁 沈阳 110168 摘要 : 对钨合金穿甲弹和钨纤维/ Zr 合金金属玻璃基复合材料穿甲弹进行了靶场对比侵彻实验 。穿甲 弹侵彻过程中 ,钨合金弹芯头部形成蘑菇头 、头部晶粒被径向压扁 ;钨纤维复合材料弹芯头部在侵彻过程中 , 发生了绝热剪切破坏 ,具有自锐行为 ,且在弹芯头部形成很薄的边缘层 ,仅在这层中金属玻璃基体破碎 ,钨纤 维断裂 ,温度升高 ,质量消蚀 。钨纤维复合材料穿甲弹的侵彻能力明显高于钨合金穿甲弹 。 关键词 : 爆炸力学 ;自锐现象 ;侵彻实验 ;钨纤维复合材料弹芯 ;蘑菇头 ;边缘层 中图分类号 : O385 ; TJ 413 . 2 国标学科代码 : 130 ?3530 文献标志码 : A 1 引言 目前 ,常用的穿甲弹芯材料为高密度钨合金和贫铀合金等 2 种 。一般贫铀合金弹芯的侵彻能力在同等情况下比钨 [ 1 ] 合金弹芯的高 10 %,15 %。实验明 ,2 者的主要区别在于贫铀合金材料的临界绝热剪切应变率和临界绝热剪切应 变值较低 ,易于发生绝热剪切断裂 ,具有自锐效应 ,即穿甲侵彻过程中残余弹体头部不出现蘑菇头 ,而是越来越尖 ; 而钨 [ 2 ] 合金弹芯在轴向侵彻力作用下 ,头部呈蘑菇状 ,导致侵彻阻力增大 ,侵彻能力降低 。但是 ,由于贫铀弹中所含的 U 是 238 放射性元素 ,当贫铀弹碰击靶板时 , 由于着速高 , 与靶板的相 互作用造成温度急 剧 升 高 引 起 U 气 化 , 导 致 放 射 性 危 238 [ 325 ] 害 。 近年来 ,开发具有绝热剪切敏感性的新型钨合金材料 ,提高钨合金弹的自锐效应 ,使其穿甲威力提高到贫铀合金的 [ 627 ] 侵彻水平已成为研究的重点 。本文中对一种新型的钨纤维/ Zr 合金金属玻璃基复合材料 穿甲弹芯和钨合金穿甲弹 进行靶场侵彻对比实验 。通过对靶板及残余弹芯的微观结构 ,讨论钨纤维复合材料穿甲弹芯侵彻威力提高的原因 。 靶场实验2 () 对钨纤维复合材料弹芯和钨合金弹芯进行了靶场对比侵彻实验 ,靶板材料为 603 装甲钢 30Cr M nMo 钢,靶板尺寸 是 400 mm ×500 mm ×50 mm 。使用的火炮是海 37 mm 弹道炮 ,炮弹为次口径穿甲弹 。固定弹芯的弹托由 3 块 120?扇 形卡瓣组成 ,如图 1 所示 。发射时空气阻力作用在卡瓣前的迎风槽内 ,产生外侧力使弹托分离 。 实验中用到的所有弹芯 几何尺寸完全一样 ,弹芯长为 88 mm ,弹芯前端直径为 8 mm ,弹芯尾端螺纹处直径为 7 . 76 mm ,如图 2 所示 。弹芯材料有 2 种 ,1 种 是钨纤维复 合材料弹芯 , 另 1 种是 95 W 钨合 金 。钨 合 金 弹 芯 的 密 度 为 17 . 96 3 g/ cm, 钨 纤 维 复 合 材 料 弹 芯 密 度 为 3 141 97 g/ cm, 钨 纤 维 弹 芯 的 质 量 低 约 12 . 5 % 。钨纤维弹芯中的基体为 Zr 合金 金属玻璃 ,内包钨丝束 ,较均匀地分布在 1 弹芯及弹托结构 图 2 弹芯几何尺寸 图 弹芯截面上 ,并且与弹芯纵轴平行排列 , 钨丝在钨纤维弹芯中所占体积为约 3/ 4 。 Fig. 1 Penet rato r and sa bo t Fig. 2 Geo met r y size of penet rato r 3 收稿日期 : 2008203214 ; 修回日期 : 2008207208 () 基金项目 : 国防科技重点实验室基金项目 51453030305 Q T2802 () 作者简介 : 荣 光 1978 — ,女 ,博士 ,讲师 。 第 4 期 荣 光等 : 钨纤维复合材料穿甲弹芯侵彻时的自锐现象 353 靶场实验中回收的实验 11 钨纤维残余弹芯如图 6 所示 ,其中长的是侵彻 前弹芯原始状态 ,短的是穿透靶板后回收的残余弹芯 ,残余弹芯长为约 28 mm , 弹芯被轻微墩粗 ,但并不明显 ,残余弹芯中部钨丝直径与其头部钨丝直径近似 相等 ,不存在钨丝被墩粗问题 ,金属玻璃基体又是脆性材料 ,所以残余弹芯头部 没有蘑菇头产生 ,具有自锐行为 。 3 . 3 2 种残余弹芯微观结构分析 高速侵彻冲击作用下 ,穿甲弹芯顶端主要受到靶板的轴向挤压 ,弹芯头部 6 实验 11 钨纤维残余弹芯 图 材料经历了变形 、断裂 、破碎 、摩擦 、温升 、熔化和质量消蚀等一系列过程 。图 7 Fig. 6 Residue of t ungsten fiber 为图 8 中 A 、B 、C、D 处的扫描电镜照片 , 图 8 为实验 5 钨合金残余弹芯的扫描p enet rato r fo r Experiment 11 电镜照片 , 弹芯经过了切断 、打磨后做成的 。可以看到明显的蘑菇头 , A 、B 在“蘑菇”的头部 , C、D 在“蘑菇”的茎部 。 μμμ() ( ) 图 7 a中 , A 处晶粒经强碰撞后变形为长约 80 m 、宽约 12 m 、长细比约 6 . 7 ;图 7 b中 , B 处晶粒长约 64 m 、宽 μμ约 16m 、长细比约 4 。而侵彻前弹芯晶粒尺寸约 30,35m ,近似等轴晶粒 。说明 A 处和 B 处的晶粒被径向压扁 , 长轴 方向近似与侵彻方向垂直 , 拉长的钨颗粒间紧密相连 , 呈纤维状 , 但钨颗粒没有破碎 , 从微结构上看 , 晶粒在最大剪应力方向出现了位错移动 , 导致晶粒出现塑性变形 。这说明钨合金在高速侵彻下表现出了良好的塑性 , 且 A 处较 B 处明显 。 μμμμ() ( ) 图 7 c中 , C 处晶粒长约 36 m 、宽约 18 m 、长细比约 2 ; 图 7 d中 , D 处晶粒长约 32 m 、宽约 20 m 、长细比约 11 6 。C、D 处的微观组织与侵彻前弹芯相比也略有变化 ,但晶粒横向伸长轻微 “, 蘑菇”茎部与头部相比塑性变形不明显 。 从图 7 中可以观察到 , A 处晶粒的塑性变形最大 , 其次是 B 处 , C 处再次之 , 而 D 处变形最小 ,晶粒塑性变形不明显 , 与侵彻前弹芯近似 。这说明穿甲过程中残余弹芯的变形和质量消耗主要发生在头部的蘑菇头区域内 ,其余部位晶粒结 构没有明显变化 。这也体现了塑性变形的局部化效应 。 再来研究钨纤维复合材料弹芯的电镜扫描照片 。将实验 4 钨纤维残余弹芯沿直径纵向切开为 ?、?等 2 个部分 ,如 图 9 所示 。在 A 、B 、C 范围内观察弹芯微结构变化 ,发现其变化仅局限在头部约 2 . 98 mm 高的狭小区域内 ,其他地方无 变化 ,随着弹芯头部质量消蚀 ,微结构变化区域逐渐向下延伸 。 图 8 实验 5 残余钨合金弹芯 SEM 照片 Fig. 8 S EM micro grap h s of t he re sidual t ungsten allo y penet rato r fo r Experiment 5 图 7 实验 5 钨合金残余弹芯各处 SEM 照片 图 9 实验 4 钨纤维残余弹芯纵剖面示意图 Fig. 7 SEM micro grap hs of t he re sidual t ungsten allo y p enet rato r Fig. 9 The elevatio n p rofile of t he re sidual fo r Exp eriment 5 t ungsten2fiber p enet rato r fo r Experiment 4 (( ) ) 由实验 4 钨纤维残余弹芯头部 A 区扫描电镜照片 见图 10 a可以看出 ,在曲面 m m与′ n n之′间 , 钨丝剖面大小不 均匀 。说明这个区域钨丝已经大角度弯曲变形 , 和原来钨纤维的排列方向差不多成 90?角 , 还有些钨丝发生断裂 、劈裂 , 这个区域内金属玻璃基体也在高速碰撞作用下发生断裂或破碎 。定义这个薄层为侵彻时钨纤维复合材料弹芯头部的边 缘层 , 该层主要特征是头部细长钨纤维大角度弯曲变形 , 金属玻璃基体破碎 , 钨纤维断裂 , 温度升高 , 基体软化 , 且破碎基 体和断裂钨丝在高速冲击和摩擦下不 断从弹 芯 头 部 脱 离 , 即 质 量 消 蚀 。边 缘层体现了复合材料蜕化和破坏的局 部化效应 。在边缘层以下的弹芯基体 () 中 曲面 nn 以下,弹芯中的钨丝轻微 墩粗 ,塑 性 变 形 不 明 显 。钨 丝 较 均 匀 分布在弹芯纵 截面上 , 并且 与弹芯 纵 轴平行排列 , 说明这部分钨 纤维和 基 体微结构 与 原 始 状 态 相 比 变 化 不 大 。 断面 nn 与弹芯轴向的夹角为约 45。? 实验 4 钨 纤 维 弹 芯 头 部 A 、B 两 ( ) 侧不对称 。如图 10 b所示 ,在弹芯头 部 B 侧 , 边缘层仅在 a a以外的′狭小薄 层内 , 而其余部分钨丝剖面 大都变 成 了椭圆 , 说明钨丝已在穿甲 侵彻过 程 中发生了一定 的横向弯曲 , 不再与 轴 线平行 。断 面 a a′与 弹 芯 的 轴 向 所 形 成的夹角为约 45。?这样 , 弹芯头部的 2 个断面 n n面′与 a a面′ 形 成 约 90的? 图 10 实验 4 钨纤维弹残余弹芯 SEM 照片 Fig. 10 S EM micro grap h s of t he re sidual t ungsten fiber p enet rato r fo r Experiment 4 ( ) 夹角 , 有效锐化了弹芯头部 其宏观形貌如图 6 所示, 提高了弹芯的侵彻能力 。A 区的边缘层较厚 ,最大约 2 . 8 mm , 如 () ( ) 图 10 a, B 区的边缘层较薄 ,约 0 . 3 mm , 如图 10 b,这说明钨纤维弹芯头部边缘层一般是连续的 ,但薄厚分布不均匀 。 ( ) () 图 10 c, d为实验 4 钨纤维残余弹芯 C 区局部扫描电镜照片 ,从图中可以看出 ,钨纤维残余弹芯中部钨丝直径与 () 侵彻前相比 ,变化较小 。从图 10 c中可以看到 ,钨丝与弹芯纵轴平行排列 ,且存在少许断裂的钨丝 ,这是由于钨纤维弹 ( ) 芯在制备过程中有些钨丝没有被完全拉直 ,导致其在金相试样制备过程中被切断 。图 10 d为钨纤维弹芯横截面扫描 电镜照片 ,钨丝较均匀地分布在弹芯截面上 ,并且与弹芯纵轴平行排列 。由此可见 ,钨丝的断裂 、弯折 、劈裂等变化及非 晶基体的断裂和破碎均发生在弹芯的头部的边缘层内 ,残余弹芯的中 、后部 ,即图 9 中 C 区以下微结构没有明显变化 。 4 结论 () 1在弹重 、弹形 、装药量 、初速 、着角相似的情况下 ,钨纤维复合材料弹芯的侵彻深度大于钨合金弹芯约 72 % 。钨 合金穿甲弹在侵彻过程中 ,形成的弹孔直径不断增大 ,降低了穿甲侵彻能力 。钨纤维复合材料穿甲弹 ,在侵彻过程中形 成狭窄弹孔 ,即产生自锐效应 ,提高了穿甲弹的侵彻能力 。 () 2钨合金穿甲弹在侵彻过程中 ,弹芯头部有蘑菇头产生 ,弹芯头部晶粒被径向拉长 。头部不同部位 ,变化程度也不 同 ,钨纤维复合材料弹芯在侵彻过程中产生自锐行为 ,没有蘑菇头产生 。在复合材料弹芯中 ,弹芯基体是 Zr 合金非晶材 料 ,即金属玻璃 ,侵彻中可以断裂和破碎 ,但不会发生塑性变形和墩粗 。加入的钨纤维可以增加弹芯的密度及韧性 ,提高 了材料的断裂强度 ,有效地阻碍了弹芯的突然断裂 ,增加了穿甲弹的侵彻威力 。 () 3钨纤维复合材料弹芯在穿甲侵彻中 ,非晶金属玻璃基体的破碎和钨纤维的大角度弯曲及断裂都局限在弹芯头部 的局部狭小区域内 ,称为边缘层 。因冲击和摩擦引起的温升及软化 ,质量消蚀也发生在这层内 ,对于本次实验的钨纤维 弹 ,该层厚度最大为约 2 . 8 mm ,且厚度分布不均匀 。残余弹芯内边缘层以外的部分 ,基体和钨纤维的微结构没有明显变 化 。这意味着钨纤维复合材料弹芯的质量消蚀是由弹头部至尾部按边缘层逐层连续进行 。 参考文献 : [ 1 ] 郭瑞萍 . 钨纤维增强金属2玻璃基复合材料弹芯的动态变形 [J ] . 弹药信息 ,2001 ,4 :18221 . 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In t he p e net ratio n p roce ss , t he t ung2 st e n hea vy allo y ro d hea d fo r me d a s a mu sh roo m hea d a nd t he grai n s i n t he hea d were ra diall y co m2 p re ssed . B ut i n t he hea d of t he t ungst e n2fi ber2rei nfo rce d Zr2ba se d met allic gla ss co mpo sit e ro d , t he f ail ure alo ng t he a dia batic shea r ba nd s wa s o b se r ve d , w hich i ndicat e d t hat t he t ung st e n2fi be r2rei n2 fo rced p e net rato r s too k o n self2sha rp e ni ng be ha vio r s. A t hi n edge layer wa s develop ed i n t he t ung st e n2 fi be r2rei nfo rced p e net rato r hea d a nd o nly i n t hi s layer t he met allic ba se wa s bro ke n , t he t ungst e n fi2 be r s were r up t ured , t he t e mp erat ure i ncrea se d a nd t he ma ss wa s wa st ed . Evi de nt l y , t he p e net ratio n a bilit y of t he t ung st e n2fi be r2rei nfo rced co mpo sit e mat erial p e net rato r i s evi de nt l y great er t ha n t hat of t he t ungst e n allo y o ne . Key words : mec ha nic s of e xp lo sio n ; self2sha rp e ni ng ; p e net ratio n e xp e ri me nt ; t ung st e n fi be r co mpo s2 it e mat e rial p e net rato r ; mu shroo m hea d ; edge layer E2mail addre ss : ro ngg @mail . nj ust . edu. cn 3 Co r respo nding a ut ho r : RON G Gua ng ()责任编辑 丁 峰