鈦合金穿甲侵徹?fù)p傷行為研究現(xiàn)狀

胡嘉蓉，陶春虎，鄔冠華，姜 濤，劉春江

(1.南昌航空大學(xué) 測試與光電工程學(xué)院，南昌330063；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，作戰(zhàn)人員和武器裝備的防護(hù)日益受到重視，因此對裝甲材料提出了越來越高的要求。裝甲材料應(yīng)盡可能滿足高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、低密度和低成本的要求[1]。金屬材料由于其良好的延展性、較高的材料阻力和良好的性價比，在軍用和民用工程的防護(hù)結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。目前，被廣泛用于裝甲防護(hù)領(lǐng)域的金屬主要有均質(zhì)裝甲用鋼、鋁合金和鈦合金。

50年代初國外就開始研究鈦合金裝甲。作為裝甲材料，鈦合金的強(qiáng)度與均質(zhì)裝甲鋼相當(dāng)，韌性優(yōu)于大多數(shù)鋁合金，具有良好的強(qiáng)度和韌性匹配。試驗(yàn)結(jié)果表明，相同質(zhì)量條件下，鈦合金的防護(hù)性能比相同質(zhì)量的均質(zhì)裝甲鋼高30%以上。厚度相同的條件下，鈦合金的抗彈性能與裝甲鋼質(zhì)量相當(dāng)，但質(zhì)量可降低25%以上。防護(hù)能力相同的情況下，鈦合金裝甲比鋁合金裝甲所占的空間小，有利于減小裝甲車輛的體積。美國曾用鈦合金制造裝甲車輛的指揮塔，其質(zhì)量較裝甲鋼制的減小37%。表1列出了裝甲鋼、裝甲鋁合金和裝甲鈦合金的性能[2]。從綜合防護(hù)性能來看，鈦合金是很理想的裝甲防護(hù)材料。

表1 裝甲用鋼、鋁合金、鈦合金的性能對比[2]

在裝甲實(shí)際服役的過程中，承受的動態(tài)載荷越來越大，這就要求其具有良好的抗沖擊性能以抵抗撞擊加載。因此，材料在侵徹條件下變形行為的研究，對于支持鈦合金作為裝甲材料的發(fā)展具有十分重要的工程價值。本研究對國內(nèi)外鈦合金侵徹?fù)p傷行為研究成果進(jìn)行梳理，并結(jié)合課題組開展的相關(guān)工作，闡述鈦合金在穿甲侵徹作用下的宏、微觀損傷特征，分析穿甲過程中的失效模式以及損傷特征的影響因素，提出研究現(xiàn)狀的不足及發(fā)展方向，為鈦合金裝甲基礎(chǔ)研究與工程化應(yīng)用提供參考。

1 穿甲侵徹?fù)p傷過程

穿甲侵徹行為導(dǎo)致靶板的破壞可分為開坑、穩(wěn)定侵徹、沖塞或背面崩落3個階段。在開坑階段中，彈丸與靶接觸時速率最大，碰擊應(yīng)力可達(dá)幾十兆帕，彈體和靶板在碰撞區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生粉碎性破壞，兩者撞擊后產(chǎn)生的碎塊沿著抗力最小方向飛濺排出[3]。開坑階段結(jié)束后即進(jìn)入穩(wěn)定侵徹階段，該階段侵入靶板較深，彈、靶繼續(xù)破碎、彈速下降、彈體質(zhì)量銷蝕，長度減少，靶板中部的金屬受彈丸擠壓而產(chǎn)生橫向位移，此階段靶板的塑性變形將消耗大量的彈丸能量[4]。侵徹階段結(jié)束后，靶板背面會產(chǎn)生鼓包，彈體繼續(xù)侵徹轉(zhuǎn)入沖塞階段。由于彈丸在靶板中產(chǎn)生的絕熱剪切應(yīng)變作用，導(dǎo)致沖塞塊沿絕熱剪切帶引發(fā)的路徑?jīng)_出，且使彈孔周圍金屬運(yùn)動方向與塞塊沖出方向一致。沖擊過程一般是在幾十μs內(nèi)完成，3個階段是連續(xù)不可分割的。

2 鈦合金穿甲侵徹?fù)p傷行為

早期對鈦合金穿甲侵徹?fù)p傷行為的研究首先在美國開展。國內(nèi)主要有中國有色金屬總院、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等對鈦合金沖擊損傷進(jìn)行研究。目前，對于鈦合金沖擊損傷行為的研究主要集中在2個方面：第一，從損傷形態(tài)、抗沖擊性能、組織性能的角度，研究鈦合金的沖擊宏觀損傷類型和失效機(jī)制；第二，從微觀結(jié)構(gòu)演化的角度出發(fā)，探尋不同成分、組織的鈦合金的宏、微觀損傷形態(tài)和分布規(guī)律。

2.1 穿甲侵徹作用下鈦合金宏觀損傷行為

在彈丸作用下，靶板有以下比較常見的8種破壞形式[5](圖1)。張自強(qiáng)[6]曾系統(tǒng)地定義了裝甲的正面損傷有彈坑、裂紋、剝落和碟形變形4種類型。裝甲背面損傷主要有凸起、裂紋、沖孔(切口)、崩落、花瓣?duì)羁?、穿孔?類，這些定義一直沿用至今。

圖1 裝甲宏觀損傷類型[5]Fig.1 Type of armor damage

針對靶板的宏觀損傷特征，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，主要集中在以下2個方面：

1)鈦合金穿甲的破壞形式與能量之間的關(guān)系。Bartus[7]使用7.62 mm動能彈和12.7 mm破片模擬彈研究了不同熱處理下Ti-5553鈦合金的極限穿速度V50的影響規(guī)律，提出了鈦合金靶板的3種失效形式，即沖塞型破壞、碎塊型破壞和背面花瓣型的破壞。前兩者屬于耗能能力較低的絕熱剪切局域化誘發(fā)的損傷模式，而背面花瓣型的破壞，并伴有發(fā)亮圓盤型破壞，屬于高耗能的損傷模式。Me-Bar等[8]認(rèn)為塑性孔擴(kuò)孔導(dǎo)致的背面崩落失效模式較之沖塞失效具有更高的耗能能力。

2)不同組織的鈦合金與損傷形式之間關(guān)系。楊凱文等[9]用12.7 mm穿甲彈，以830 m/s的速率侵徹α+β區(qū)鍛造和β區(qū)鍛造獲得的雙態(tài)組織和片層組織的TC21鈦合金。通過對靶板宏觀損傷特征的對比，雙態(tài)組織呈現(xiàn)塑形擴(kuò)孔所導(dǎo)致的背部崩落破壞，片層組織呈現(xiàn)脆性破壞。研究結(jié)果表明，雙態(tài)組織比片層組織有著更好的塑性變形的能力，而損傷形式的不同與鈦合金組織的塑性變形能力有關(guān)。B.B.Singh等[10]對不同熱處理狀態(tài)下得到的不同組織的Ti-6Al-4V靶板進(jìn)行彈靶試驗(yàn)，結(jié)果表明，具有等軸組織的鈦合金靶形成的彈坑最寬并且最深，靶板背面有呈環(huán)狀的裂紋。而片層組織的鈦合金靶板背面有少量的裂紋。雙態(tài)組織的鈦合金靶板形成的彈坑最淺，直徑最小，靶板背面無凸起和裂紋。對此，研究者認(rèn)為雙態(tài)組織的鈦合金靶具有高效的吸收能量的效率。片層組織其次，等軸組織最差，但研究者并沒有進(jìn)一步說明原因。

穿甲侵徹過程中靶板的破壞和靶板的機(jī)械性能、彈丸的撞擊速度、彈頭形狀、彈與靶的特征尺寸之比等諸多因素有關(guān)，不同的侵徹體形狀會造成靶板不同的損傷形式。目前的研究工作主要集中在沖塞破壞、碎塊破壞、花瓣型破壞等對于損傷耗能的大小以及鈦合金靶材微觀組織與宏觀損傷形態(tài)的建立。而對于靶材的機(jī)械性能、彈丸撞擊速度、彈頭形狀、沖擊角度等對于宏觀損傷的影響的文章鮮有報道。所以目前對于鈦合金在彈丸的侵徹作用下的宏觀損傷形態(tài)規(guī)律的認(rèn)識仍舊存在不足。

2.2 穿甲侵徹作用下鈦合金的失效行為

裝甲材料在實(shí)際的服役過程中，通常處于高速沖擊、侵徹作用所產(chǎn)生的高溫高壓及高速變形狀態(tài)。在這種條件下，金屬材料極易發(fā)生絕熱剪切行為[11-12]。而鈦合金強(qiáng)度高但熱導(dǎo)率低[13]，對絕熱剪切現(xiàn)象極為敏感，而裂紋又極易于在絕熱剪切帶中形核擴(kuò)展，致使材料承載能力下降，甚至發(fā)生斷裂。這極大地限制了鈦合金裝甲的實(shí)際工程應(yīng)用。因此鈦合金裝甲的失效主要是通過絕熱剪切行為實(shí)現(xiàn)的。

2.2.1 絕熱剪切帶的形成與特征

在高應(yīng)變速率下，材料的塑性變形功大部分都轉(zhuǎn)變成熱能，導(dǎo)致局部溫度的增高使材料發(fā)生熱軟化效應(yīng)，變形進(jìn)一步集中在此區(qū)域，形成了一個高溫、大變形的窄帶區(qū)域，最終在周圍基體的冷卻作用下形成了絕熱剪切帶。剪切帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示[14]。在金屬中絕熱剪切帶的寬度一般為0.1～100 μm，帶中心由直徑為0.01～0.5 μm的等軸晶組成，剪切帶內(nèi)可發(fā)生1～102量級的剪應(yīng)變，其形成過程中的應(yīng)變速率可高達(dá)105～107s-1，溫升可達(dá)102～103K，而且周圍存在大量相對較冷的基體[15]。

圖2 絕熱剪切帶內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)示意圖[14] Fig.2 Schematic illustration of internal microstructure of adiabatic shear band

2.2.2 鈦合金絕熱剪切的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與失效機(jī)制

圖3為本研究所觀察的穿甲燃燒彈侵徹下鈦合金彈坑側(cè)壁上的一條絕熱剪切帶。由圖可見，剪切帶沿彈坑側(cè)壁向上擴(kuò)展。剪切帶始端較寬，可以看到大量晶粒被拉長變形的痕跡，隨著剪切帶的擴(kuò)展，剪切帶逐漸變窄，內(nèi)部隱約可見細(xì)化的組織。在剪切帶的末端，原始組織沿剪切應(yīng)力的方向被拉長成條狀。圖4為剪切帶中的微裂紋和微孔洞。由圖可見，微裂紋和微孔洞均起源于剪切帶中，裂紋端部呈圓弧狀，與孔洞靠近甚至相連。

絕熱剪切失效作為鈦合金裝甲的主要失效模式，可分為2個階段考慮：一是材料高速變形過程中絕熱剪切帶的形成與擴(kuò)展；二是裂紋在材料內(nèi)形核擴(kuò)展直至材料斷裂失效。

Teng等[16]對鈦合金從絕熱剪切帶到斷裂失效的過程進(jìn)行研究時指出，剪切帶內(nèi)溫度可以超過鈦合金熔點(diǎn)，剪切帶內(nèi)“熱點(diǎn)”為裂紋形核提供優(yōu)選位置。微裂紋在剪切帶內(nèi)形核后，當(dāng)壓應(yīng)力不能閉合這些微裂紋時，各微裂紋間以相互連接的形式長大直至材料最終斷裂破壞。Xue等[17]在研究Ti-6Al-4V合金中的絕熱剪切行為時發(fā)現(xiàn)，剪切帶內(nèi)微孔洞的形核與長大如圖5所示。拉應(yīng)力促使剪切帶內(nèi)微孔洞的形成。微孔洞長大直至其達(dá)到剪切帶邊緣，基體材料較高的應(yīng)力使其向基體方向的生長停滯而在剪切帶內(nèi)繼續(xù)長大，此過程中微孔洞被拉長并最終合并導(dǎo)致材料破壞。

圖3 鈦合金彈坑側(cè)壁的絕熱剪切帶形貌Fig.3 Adiabatic shear band of crater in titanium alloy armor

圖4 鈦合金絕熱剪切帶內(nèi)的微裂紋與微孔洞Fig.4 Micro holes and microcrack of adiabatic shear band

2.2.3 鈦合金絕熱剪切行為的影響因素

在穿甲侵徹過程中，影響鈦合金中絕熱剪切帶的形成和擴(kuò)展的因素大致可分為微觀組織及加載應(yīng)力2個方面。其中微觀組織因素包括相的種類及尺寸、相含量等。

1)組織對絕熱剪切帶分布的影響。不同的相以及相含量會影響絕熱帶的分布形態(tài)，并且具有不同的絕熱剪切敏感性。孫凱[18]研究了穿甲彈在彈靶作用下等軸組織、淬火時效組織和片層組織的Ti-6Al-4V鈦合金中剪切帶的分布及相互影響規(guī)律。研究得出：在彈靶作用的過程中，Ti-6Al-4V靶板中會產(chǎn)生多條絕熱剪切帶，并且伴隨有剪切帶分叉、交截、阻隔等多種復(fù)雜的相互作用；等軸組織中絕熱剪切帶分叉的數(shù)量較少，而淬火時效組織及片層組織絕熱剪切帶分叉數(shù)量較多，其中片層組織中單條絕熱剪切帶會發(fā)生多次分叉，由于不同晶粒束集內(nèi)板條狀晶粒排列方向不同，導(dǎo)致不同晶粒束集相遇時更容易產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)，即絕熱剪切帶易于在晶粒束集邊界處分叉。Zheng等[19]用12.7 mm的穿甲彈對Ti-6Al-4V進(jìn)行了穿甲試驗(yàn)，建立了Ti-6Al-4V鈦合金靶板的微觀特征與損傷機(jī)理之間的聯(lián)系，研究結(jié)果表明，在等軸組織中，絕熱剪切帶的規(guī)則間隔傳播特征促進(jìn)了靶板延性擴(kuò)孔的破壞機(jī)制，而在片層組織中，絕熱剪切帶的網(wǎng)狀傳播特征促進(jìn)了脆性斷裂的破壞機(jī)制。

圖5 微孔洞的形核、長大和連接的示意圖[15] Fig.5 Schematic illustration of nucleation, growth and connecting of micro holes

2)加載應(yīng)力狀態(tài)對絕熱剪切帶分布的影響。不同的加載應(yīng)力狀態(tài)影響鈦合金中的絕熱剪切敏感性以及剪切帶的分布形態(tài)。Li等[20]用4 mm直徑GCr15球形彈丸對Ti-6Al-4V鈦合金裝甲板對進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高速撞擊后，靶材彈坑中的絕熱剪切帶可分為初始絕熱剪切帶和二次絕熱剪切帶，初始絕熱剪切帶與撞擊坑內(nèi)表面均成45°，而二次絕熱剪切帶與初始絕熱剪切帶也呈45°，研究者分析認(rèn)為形成這種現(xiàn)象的原因是剪切應(yīng)力與沖擊方向形成45°。

2.3 沖擊作用下變形組織以及損傷區(qū)域的表征

Murr等[21]總結(jié)了彈坑附近的顯微組織示意圖(圖6)，在彈坑附近的組織包括：固態(tài)塑性流動層、動態(tài)再結(jié)晶層、塑性變形層及顯微條帶層等，每層變形組織的分布區(qū)域與彈坑的形狀類似，但變形組織分布范圍不一致，彈坑底部變形組織的分布區(qū)域較寬，而側(cè)壁分布較窄。

根據(jù)Murr等的觀察結(jié)果，圖7為筆者觀察下彈坑周圍變形組織的分布。由圖可見，彈坑周圍主要分3個區(qū)：一是劇烈變形區(qū)(Ⅰ區(qū))，在該區(qū)域晶粒發(fā)生劇烈的塑性變形，與原始晶粒相比，晶粒被擠壓得十分嚴(yán)重，該區(qū)域范圍極小，僅距彈坑邊緣幾十個μm范圍內(nèi)；二是剪切變形區(qū)(Ⅱ區(qū))，該區(qū)域晶粒發(fā)生局部塑性變形，并且出現(xiàn)絕熱剪切帶；三是輕微塑性變形區(qū)(Ⅲ區(qū))，該區(qū)域在沖擊波的作用下發(fā)生輕度的塑性變形。由此可見，不同材料以及不同侵徹條件下，材料的損傷組織分布存在很大差異。

圖6 彈坑附近變形組織分布的示意圖[21]Fig.6 Schematic diagram of the deformation organization near the crater

圖7 鈦合金裝甲彈坑附近變形組織示意圖 Fig.7 Schematic diagram of the deformation organization near the crater of titanium alloy

3 存在的不足及展望

目前，對于鈦合金在穿甲侵徹作用下的損傷方面的研究仍有所欠缺。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)穿甲過程中應(yīng)力波的傳播特性與組織的關(guān)系。穿甲侵徹過程中能量主要以應(yīng)力波的形式傳播，而在穿甲侵徹過后變形組織的微觀結(jié)構(gòu)與穿甲侵徹前材料相比存在很大的差異，其性能發(fā)生了變化，因而了解穿甲侵徹過程中應(yīng)力波的傳播特性與組織的關(guān)系有助于對穿甲侵徹過程中應(yīng)力波對組織變化的影響以及不同微觀結(jié)構(gòu)對損傷形態(tài)的影響有更深的認(rèn)識。國內(nèi)外在這方面的研究鮮有報道。

2)對穿甲損傷區(qū)域的定量表征。對于變形組織的定量表征是對彈坑周圍損傷區(qū)的有效判斷，目前對于穿甲侵徹作用下金屬靶材損傷組織的定量表征有鋼、鋁合金，而對鈦合金損傷組織的定量與表征的認(rèn)識仍有不足。

3)對于鈦合金微觀損傷與典型組織表征與評價。國內(nèi)外對于TC4鈦合金靶板的抗彈性能及宏微觀損傷特征已經(jīng)有了一定的認(rèn)識，但對于其他類型組織的鈦合金的抗彈性能的研究還沒有報道，以及組織細(xì)節(jié)對抗彈性能影響的認(rèn)識還不足，所以對于鈦合金典型組織與鈦合金微觀損傷的表征與評價的研究有所欠缺。

4)鈦合金裝甲抗彈性能的關(guān)鍵影響因素及優(yōu)化設(shè)計(jì)。鈦合金裝甲在實(shí)際工程應(yīng)用中涉及到性能改良和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個方面，國內(nèi)外對這方面的研究仍有不足。

4 結(jié)束語

穿甲侵徹是一個復(fù)雜的過程，且鈦合金組織多樣，因此對鈦合金穿甲侵徹?fù)p傷的研究，可以深入理解鈦合金的抗彈性能，推動鈦合金材料在裝甲材料中的應(yīng)用。

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