易碎穿甲彈材料性能研究

章程浩,沈培輝

(南京理工大學 智能彈藥國防重點學科實驗室，南京　210094)

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易碎穿甲彈材料性能研究

章程浩,沈培輝

(南京理工大學 智能彈藥國防重點學科實驗室，南京210094)

摘要：為研究彈體材料性能對易碎穿甲彈破碎特性的影響，采用AUTODYN有限元軟件，模擬了不同材料性能彈體對有限厚靶的作用過程，并根據(jù)斜侵徹有限厚靶過程中彈體發(fā)生折斷現(xiàn)象的物理模型，分析了材料性能對折斷現(xiàn)象的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，彈體的破碎特性隨著彈體材料密度的增大和抗拉強度的減小而提高；在大角度斜侵徹過程中，隨著彈體材料密度的增大和抗拉強度的減小，彈體易于發(fā)生折斷現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：爆炸力學；易碎彈；破碎；折斷

本文引用格式：章程浩,沈培輝.易碎穿甲彈材料性能研究[J].兵器裝備工程學報，2016(7):144-148.

Citationformat:ZHANGCheng-hao,SHENPei-hui.StudyonBehaviorofMaterialsUsedinFragilePenetrator[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(7):144-148.

易碎穿甲彈作為一款新型彈藥，兼具目標侵徹和后效二次毀傷能力。

對于易碎穿甲彈而言，彈體材料不僅應(yīng)滿足發(fā)射強度和侵徹能力的要求，而且應(yīng)具備較好的破碎特性。國外學者基于對鎳、鐵、鋁等化合物的研究，已成功研制出多種不同組分的易碎材料，如鎢鎳銅材料和鎢鎳鋁材料[1-3]。由于Ni-Fe-Al化合物具有高溫韌脆轉(zhuǎn)變、低應(yīng)變硬化率等特點，國內(nèi)學者將其作為易碎材料的黏結(jié)劑進行相應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)受黏結(jié)相的影響，材料破碎性能明顯提高[4-6]。此外，為提高易碎材料的制備能力，趙紅梅等人將粉末冶金工藝與塑料成型工藝相結(jié)合，減小了材料的變形，使材料性能有了大幅提高[7-8]。

本研究在此基礎(chǔ)上，分析了彈體材料性能對彈體破碎特性的影響規(guī)律，并通過彈體斜穿透有限厚靶過程中發(fā)生折斷條件的物理模型，分析彈體材料性能對彈體折斷現(xiàn)象的影響。

1有限元模型

采用AUTODYN工程動力分析軟件，數(shù)值模擬不同特性材料彈體穿透有限厚靶的全過程。彈體為直徑10mm的圓桿平頭彈，靶板為長和寬均為100mm的均質(zhì)鋼板。

易碎穿甲彈在穿甲過程中，材料強度模型應(yīng)考慮大變形、高應(yīng)變率和高溫過程的影響。本文采用Johnson-Cook強度模型，表達式為

(1)

(2)

式中：Tmelt為材料融化溫度；Troom為室溫。

由易碎穿甲彈的侵徹機理及破碎特性可知，易碎穿甲彈彈體材料的動態(tài)抗拉強度遠小于其動態(tài)抗壓強度，易于發(fā)生拉伸斷裂。因此，采用PrincipalStress模型作為彈體材料的失效模型。靶板材料參數(shù)如表1所示。

表1　靶板材料參數(shù)

2計算結(jié)果及分析

2.1材料性能對破碎特性的影響

對于相同體積大小的彈體，彈體質(zhì)量隨著彈體密度的增大而增大，不僅可以提高彈體的飛行穩(wěn)定性，而且可以提高對目標的侵徹毀傷能力。其中，材料密度在15～19g·cm-3范圍內(nèi)較好。

彈體長徑比λ=5，分別模擬密度為15g·cm-3、17g·cm-3、19g·cm-3的高密度易碎鎢合金彈體對10mm厚靶的侵徹過程，其中，彈體著速為1 200m/s、抗拉強度為200MPa。各密度彈體穿透靶板瞬間和穿透靶板后的情況如圖1所示。在圖1中可以看到：隨著彈體材料密度的增大，穿透靶后彈體的破碎效果得到了相應(yīng)的提高。具體表現(xiàn)為：彈體穿透有限厚靶后，在相同時刻，隨著彈體材料密度的增大，彈體飛行距離更遠，且彈身整體的破碎現(xiàn)象更為劇烈。

對于易碎穿甲彈，彈體在侵徹過程中所受變形能將致使彈體材料發(fā)生變形破壞。不同密度的彈體材料以相同的著靶速度穿透相同厚靶后的彈體變形能時間曲線如圖2所示。由圖2可以看到：隨著侵徹的進行，不同材料密度的彈體在侵徹過程中所受變形能時間曲線的趨勢基本相同，即隨著侵徹的進行而逐漸增大，并在彈體穿透靶板后趨于穩(wěn)定值；受彈體材料密度的影響，彈體所受變形能的穩(wěn)定值隨著彈體材料密度的增大而提高，分別為482J、516J和539J，其最大的差值達到了57J?？梢姡^大的密度將使彈體擁有較大的變形能，從而有利于易碎穿甲彈的變形破碎。

圖1　不同密度材料的作用情況

圖2　彈體變形能時間曲線

圖1和圖2表明隨著彈體材料密度的增大，侵徹過程中彈體受到的變形能越大，對彈體的變形破碎越有利，具體表現(xiàn)為穿透有限厚靶后彈體材料愈發(fā)劇烈的破碎現(xiàn)象。在彈體著速相同的情況下，彈體材料的密度越大，彈體穿透靶板后的剩余速度也越大，彈體對靶板所做的功隨之增大，因此，靶板對彈體反作用力做的功也相應(yīng)增大，該部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)閺楏w變形能。故彈體材料的密度越大，彈體所受變形能越大，越有利于彈體材料的破碎。

2.2材料抗拉強度的影響

由易碎穿甲彈的破碎機理可知：穿透有限厚靶后，彈體材料受反射拉伸應(yīng)力的作用而產(chǎn)生破壞。記彈體動態(tài)抗拉強度為σbp，彈體所受瞬時拉伸應(yīng)力為σbps，當彈體材料的動態(tài)抗拉強度小于彈體所受瞬時拉伸應(yīng)力時，彈體發(fā)生拉伸破碎，即：

(3)

彈體長徑比λ=5，分別模擬抗拉強度為800MPa、500MPa、200MPa的彈體對10mm厚靶的穿透過程，其中彈體著靶速度為1 200m/s、密度為19g·cm-3。各抗拉強度彈體穿透靶板瞬間和穿透靶板后的情況如圖3所示。在圖3中可以看到：穿透有限厚靶后，彈體的破碎效果隨著材料抗拉強度的減小而提高。具體表現(xiàn)為：對于不同抗拉強度的彈體，在侵徹有限厚靶的過程中，彈體沒有發(fā)生明顯的拉伸破碎現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)較為完整，彈體對有限厚靶的侵徹能力沒有受到材料抗拉強度變化的影響；穿透有限厚靶后，隨著材料抗拉強度的減小，彈體整體產(chǎn)生了更為劇烈的破碎現(xiàn)象，彈體剩余未破碎的體積也相應(yīng)減少。

圖3表明隨著彈體材料抗拉強度的減小，彈體在穿透有限厚靶后的破碎效果更好，具體表現(xiàn)為彈體更為劇烈的破碎變形現(xiàn)象。在侵徹有限厚靶過程中，由于彈體主要受壓應(yīng)力的作用，而受材料抗拉強度的影響較小，不同抗拉強度的彈體在侵徹過程中所受變形能相差不大，彈體在穿透靶板過程中所受拉伸應(yīng)力也較為接近。在相近的瞬時拉應(yīng)力作用下，彈體材料動態(tài)抗拉強度越小，材料越容易被拉伸破壞，彈體的破碎現(xiàn)象也更加明顯。故彈體材料抗拉強度越小，穿透靶板后彈體的破碎效果越好。

圖3　不同抗拉強度材料的作用情況

2.3材料性能對彈體斜侵徹的影響

2.3.1受力分析

在斜侵徹過程中，判斷彈體是否發(fā)生斷裂具有重要意義。若彈體材料發(fā)生斷裂，則彈體將減弱或失去對目標裝甲的侵徹能力。

傳統(tǒng)硬芯穿甲彈以800m/s的著靶速度斜侵徹有限厚靶的全過程如圖4所示，分別為侵徹前期和后期。在侵徹前期，彈體頭部剛侵入靶板，如圖4(a)左圖所示，此時作用在彈體頭部的靶板抗力F1指向質(zhì)心上方，彈體具有向上運動的趨勢。對比圖4(a)右圖中彈體輪廓與輪廓切線可以看到，彈體頭部向上彎曲變形。隨著侵徹的進行，彈體頭部穿透靶板，如圖4(b)左圖所示，此時靶板給予彎曲的彈體頭部一個向下的抗力F2，彈體具有向下運動的趨勢。對比圖4(b)右圖中彈體輪廓與輪廓切線可以看到，穿透靶板后的彈體頭部向下彎曲。

圖4　斜侵徹受力分析

斜侵徹過程中，彈體發(fā)生彎曲變形時的應(yīng)力分布情況如圖5所示。圖5(a)為侵徹前期彈體頭部侵入靶板時的應(yīng)力分布情況，受靶板對彈體頭部向上的抗力作用的影響，此時彈體頭部下方所受應(yīng)力較大，彈體略微向上彎曲變形，且彈體上方材料受到較大的壓應(yīng)力，而下方所受拉伸應(yīng)力不大。圖5(b)為侵徹后期彈體的受力情況，此時彈體頭部穿透靶板，彈體頭部受到靶板施加的抗力而向下彎曲，此時彈體頭部上方明顯受到了極大的壓應(yīng)力。同時，在受到向下的靶板抗力的作用下，原先彎曲處材料上方的瞬時壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變成為了瞬時拉伸應(yīng)力，而彎曲處下方也受到較大的壓應(yīng)力。

圖5　彈體應(yīng)力分布情況

彈體在斜侵徹過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象的過程如圖6所示。圖6(a)為彈體侵徹前期的瞬時狀態(tài)情況，從其中可以看到此時彈體表面并未出現(xiàn)裂痕，即在侵徹前期彈體未發(fā)生折斷現(xiàn)象。圖6(b)為彈體侵徹后期的瞬時狀態(tài)情況，從其中可以看到此時在彎曲處的彈體出現(xiàn)了較大的裂口，即彈體發(fā)生了折斷現(xiàn)象，這與前面彈體的受力分析相一致。

圖6　彈體折斷情況

2.3.2折斷現(xiàn)象的影響因素分析

平頭圓柱形彈體斜侵徹有限厚靶的沖塞穿透過程如圖7所示。圖7中，α為著角，β為轉(zhuǎn)動角，v0為著靶速度，vr為彈體剩余速度，m為彈體質(zhì)量， ms為沖塞質(zhì)量。

圖7　薄板斜穿孔簡化圖

根據(jù)文獻[9]中對穿甲彈侵徹薄板過程中折斷現(xiàn)象的計算分析，折斷系數(shù)χ的表達式為

(4)

式中：ρp為彈體材料密度;λ為長徑比; vc為穿透極限速度;Ce=b/d，b為靶板厚度，d為彈體直徑。

當折斷系數(shù)χ大于1時，彈體在侵徹過程中將發(fā)生折斷。因此，將式(4)記為

(5)

在侵徹有限厚靶時，根據(jù)K.A.貝爾金公式，極限速度vc的表達式為

(6)

其中:φ=6 160Ce/Cm，Cm=m/d3，K2為效力系數(shù)；σst為靶板材料的屈服極限。

1) 當彈體和靶板一定時

由式(6)可知，對于不同彈頭形式的易碎穿甲彈，其極限穿透速度vc由彈體和靶板決定。當彈體和靶板的材料和幾何尺寸一定時，除著角α以外，其他參數(shù)均為定值，故認為：對于一定的彈體和靶板而言，A變化較小，基本為常數(shù)。

綜上分析可知：當彈體和靶板的材料和幾何尺寸一定時，A基本為常數(shù)，則χ的大小僅與撞擊條件B有關(guān)，即與著角α和著速v0有關(guān)，且著速越大，撞擊條件B越大，折斷系數(shù)χ也就越大，彈體易于折斷。

2) 當著角和著速給定時

由式(4)，當著角α和著速v0一定時，χ與彈、靶材料性能和幾何尺寸有關(guān)。對于靶板而言，與靶板厚度Ce、材料參數(shù)和極限速度vc有關(guān)，而極限速度vc實際反映了靶板材料對一定彈體的抗破壞性能；對于彈體而言，與彈體長徑比λ、密度ρp和動態(tài)拉伸強度σbp有關(guān)，且與彈體材料密度ρp呈正比，與材料動態(tài)拉伸強度呈反比。彈體折斷情況與彈體材料密度、動態(tài)拉伸強度的關(guān)系曲線分別如圖8和圖9所示。在其中可以看到：對于一定的著角和著速，當彈體材料密度大于E時或彈體材料抗拉強度小于F時，彈體在斜侵徹過程中將發(fā)生折斷現(xiàn)象。故彈體材料的密度和抗拉強度越小，斜侵徹過程中彈體越容易發(fā)生折斷現(xiàn)象，將對彈體的繼續(xù)侵徹造成不利影響。

圖8　與材料密度的關(guān)系

圖9　與材料動態(tài)拉伸強度的關(guān)系

2.3.3材料密度對折斷現(xiàn)象的影響

建立不同材料密度彈體30°斜侵徹有限厚靶的仿真模型。其中，彈體長徑比λ=6，靶板厚度為15 mm，著速為1 500 m/s，彈體密度分別為15 g·cm-3和19 g·cm-3，抗拉強度為800 MPa。圖10為不同材料密度彈體斜侵徹過程中的狀態(tài)情況。從圖10中可以看到：在對有限厚靶的斜侵徹過程中，彈體材料密度大小對彈體折斷與否具有較大影響，當彈體材料密度為15 g·cm-3時，彈體彎曲處出現(xiàn)了較大的裂口，而當彈體材料密度為19 g·cm-3時，彈體彎曲處沒有出現(xiàn)明顯的裂口。故彈體材料密度越大，彈體越容易發(fā)生折斷現(xiàn)象，這與圖8的理論分析相吻合。

圖10　不同密度斜侵徹結(jié)果

2.3.4材料抗拉強度對折斷現(xiàn)象的影響

建立不同材料抗拉強度彈體30°斜侵徹有限厚靶的仿真模型。其中，彈體長徑比λ=6，靶板厚度為15 mm，著速為800 m/s，彈體材料抗拉強度分別為300 MPa和800 MPa，密度為19 g·cm-3。圖11為不同材料抗拉強度彈體斜侵徹過程中的狀態(tài)情況。從圖11中可以看到：在對有限厚靶的侵徹過程中，彈體材料抗拉強度大小對彈體折斷具有較大影響，當彈體材料抗拉強度為300 MPa時，彈體彎曲處出現(xiàn)了較大的裂口，而當彈體抗拉強度為800 MPa時，彈體彎曲處沒有出現(xiàn)明顯的裂口。故彈體材料抗拉強度越小，彈體越容易發(fā)生折斷現(xiàn)象，這與圖9的分析相吻合。

圖11　不同抗拉強度斜侵徹結(jié)果

3結(jié)論

本文分析了彈體材料性質(zhì)對彈體侵徹能力和破碎特性的影響規(guī)律，并基于易碎材料較小的抗拉強度，通過彈體斜穿透有限厚靶過程中的折斷物理模型，分析撞擊條件和材料性質(zhì)對彈體折斷情況的影響。結(jié)果表明：

1) 在一定范圍內(nèi)，隨著彈體材料密度的增大，彈體變性能越大，彈體的破碎效果越好。

2) 在一定范圍內(nèi)，隨著彈體材料抗拉強度的減小，彈體材料穿透有限厚靶后越容易被拉伸破壞，彈體破碎效果越好。

3) 在對有限厚靶的斜侵徹過程中，彈體將產(chǎn)生彎曲變形，彈體材料密度和抗拉強度越小，越容易折斷，對彈體的后續(xù)侵徹不利。

參考文獻：

[1]GUHA S,KYRIACOU C,WITHERS J C,et al.Processing and Properties of Tungsten Heavy Alloys with Ni48Al12Fe40 Intermetallic Matrix[J].Materials and Manufacturing Process,1994,9(6):1163-1187.

[2]GUHA S,BAKER I,MUNROE P R.The Microstructures of Multiphase Ni-20Al-30Fe and Its Constituent Phases[J].Materials characterization,1995,34(3):181-188.

[3]GRIFFO A.Processing and Physical Metallurgy of Tungsten-nickel Aluminide Composites[D].USA:Pennsylvania State University,1996.

[4]彭超群,黃伯云,賀躍輝.Ni-Al系、Fe-Al系和Ti_3Al金屬間化合物研究進展[J].特種鑄造及有色合金,2001(06):27-29.

[5]李婷婷,彭超群,王日初,等.Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金屬間化合物多孔材料的研究進展[J].中國有色金屬學報,2011(04):784-795.

[6]袁慎坡,李樹奎,宋修綱,等.一種W-Ni-Al-Fe系易碎鎢合金材料的研究[J].材料工程,2007(9):26-29.

[7]趙紅梅,史洪剛,馬少華,等.易碎鎢合金穿甲彈芯的注射成形研究[J].兵器材料科學與工程,2006(5):59-63.

[8]胡興軍.高密度鎢合金在彈用材料中的應(yīng)用及研究進展[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金,2009(3):65-67.

[9]趙國志.穿甲工程動力學[M].北京：兵器工業(yè)出版社,1992.

[10]張明星，黃曉霞.鎢合金穿甲彈芯材料強化技術(shù)及材料技術(shù)國外研究分析[J].四川兵工學報，2015(12):114-117.

(責任編輯唐定國)

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-02-22

作者簡介：章程浩(1991—)，男，碩士研究生，主要從事終點效應(yīng)與目標毀傷方面的研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.031

中圖分類號：TJ012.4

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0144-05

StudyonBehaviorofMaterialsUsedinFragilePenetrator

ZHANGCheng-hao,SHENPei-hui

(MinisterialKeyLaboratoryofZNDY,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China)

Abstract:In order to study the influence of material properties of projectile on fragmentation characteristics when projectile penetrating the finite thickness target, using the AUTODYN finite element program, the whole process of the fragile projectile with different material properties penetrating through the finite thickness target was numerically simulated. The influence of material properties on the breaking phenomenon by the physical model of the projectile breaking phenomenon in the process of oblique penetration of finite thickness target was analyzed. The results show that the fragmentation characteristics of projectile is improved with the increase of density and the decrease of tensile strength within a certain range, and the projectile is prone to break with the increase of density and the decrease of tensile strength in the process of large angle oblique penetration.

Key words:explosion mechanics; fragile projectile; fragmentation; breaking off

【化學工程與材料科學】