40CrMnSiB鋼圓柱殼體膨脹斷裂中間狀態(tài)回收試驗(yàn)研究

陳志闖， 李偉兵， 朱建軍， 王曉鳴， 李文彬

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210094)

0 引言

高應(yīng)變率加載下金屬圓柱殼體的膨脹斷裂過(guò)程一直是學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-5]，而爆轟加載下彈體的高應(yīng)變率膨脹變形、裂紋萌生擴(kuò)展以及斷裂形成破片的過(guò)程與形成破片的質(zhì)量分布、初速、飛散角等都有極大的關(guān)聯(lián)，直接影響著破片戰(zhàn)斗部的毀傷威力[1-2]。同種金屬材料經(jīng)不同熱處理后，殼體材料內(nèi)部微觀組織的變化會(huì)導(dǎo)致斷裂特性的不同，國(guó)內(nèi)外對(duì)其在爆轟加載下膨脹斷裂響應(yīng)問(wèn)題開(kāi)展了系列研究。Balagansky等[3]、金山等[4]對(duì)不同熱處理?xiàng)l件下的金屬殼體動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程進(jìn)行了高速攝影試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同熱處理?xiàng)l件對(duì)圓柱殼體表面裂紋的產(chǎn)生以及動(dòng)態(tài)性能有著較大影響，但傳統(tǒng)的試驗(yàn)技術(shù)[5-7]無(wú)法觀測(cè)殼體內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展情況，對(duì)裂紋的萌生位置、形式及其擴(kuò)展情況缺乏直觀的觀測(cè)。Arnold[8]和朱建軍等[9]針對(duì)回火溫度條件對(duì)金屬圓柱殼體形成破片尺寸分布的影響進(jìn)行了試驗(yàn)和仿真研究，但由于破碎的隨機(jī)性以及殼體軸向效應(yīng)，這類研究多為定性研究，且缺乏描述金屬圓柱殼體整體膨脹斷裂過(guò)程的能力。因此有待進(jìn)一步研究金屬圓柱殼體膨脹斷裂過(guò)程中裂紋萌生、擴(kuò)展至貫穿整個(gè)殼體壁厚變形狀態(tài)，更加直觀地分析裂紋的分布情況，深入了解殼體動(dòng)態(tài)斷裂機(jī)理。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)不同回火溫度下40CrMnSiB鋼金屬圓柱殼體膨脹斷裂中間階段凍結(jié)回收試驗(yàn)，研究回火溫度對(duì)殼體斷裂特性的影響以及展示裂紋擴(kuò)展分布情況，并分析回火溫度條件對(duì)殼體斷裂過(guò)程中相關(guān)參量的影響規(guī)律，為充分了解金屬圓柱殼體在爆轟作用下膨脹斷裂機(jī)理以及宏觀斷裂特性與微觀組織演變過(guò)程之間關(guān)系的研究奠定基礎(chǔ)。

1 中間狀態(tài)凍結(jié)回收試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 金屬圓柱殼體裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金屬圓柱殼體裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中裝藥為六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)基壓裝混合炸藥，裝藥長(zhǎng)度80 mm、直徑50 mm，殼體材料選用經(jīng)860 ℃淬火后分別在200 ℃、350 ℃、500 ℃和600 ℃ 4種回火溫度處理下的40CrMnSiB合金鋼，壁厚6 mm,彈體總長(zhǎng)為90 mm. 起爆方式為圓筒一端中心起爆，不同回火溫度工況下的殼體材料性能參數(shù)如表1所示，高能炸藥CL-20基炸藥的特性參數(shù)如表2所示。

表1 不同回火溫度工況殼體材料參數(shù)

表2 CL-20基壓裝混合炸藥特性參數(shù)

1.2 試驗(yàn)布局

殼體膨脹斷裂階段凍結(jié)回收試驗(yàn)布置如圖2所示。為了回收處于膨脹斷裂的金屬殼體斷裂發(fā)展過(guò)程形貌，所設(shè)計(jì)的凍結(jié)回收裝置內(nèi)徑需要給予殼體較為充分的膨脹空間，且不至于使得殼體斷裂程度較嚴(yán)重而達(dá)不到預(yù)期效果。

依據(jù)Taylor[10]理論確定初始的回收裝置內(nèi)徑，其認(rèn)為圓柱殼體破裂時(shí)的斷裂半徑為

(1)

式中：af為殼體斷裂半徑；a0為殼體初始外部半徑，a0=31 mm；k為爆轟產(chǎn)物絕熱指數(shù)，k=3；pH為炸藥爆壓，pH=38.3×103MPa；σs為殼體材料屈服強(qiáng)度，為1 080 MPa. 500 ℃回火狀態(tài)下40CrMnSiB鋼殼體斷裂時(shí)外徑為97.75 mm，選取凍結(jié)裝置初始內(nèi)徑為100 mm，其具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。凍結(jié)裝置材料選用60Mn2Si高強(qiáng)度合金鋼，其強(qiáng)度采用Johnson-Cook本構(gòu)模型描述如下：

(2)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照表1所示的試驗(yàn)方案，通過(guò)膨脹中止凍結(jié)回收試驗(yàn)獲得了4種回火狀態(tài)下的40CrMnSiB鋼圓柱殼體在爆轟加載下膨脹斷裂發(fā)展?fàn)顟B(tài)的殼體形貌，試驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)后凍結(jié)回收裝置并未碎裂，內(nèi)壁發(fā)生較小的膨脹，表明4種狀態(tài)下的殼體接觸凍結(jié)裝置內(nèi)壁時(shí)基本不再向外膨脹，所受約束條件相同(見(jiàn)圖5)。通過(guò)凍結(jié)回收裝置回收得到的殼體殘骸，除去兩端端蓋部分后回收率均在90%以上，基本完全回收。分析回收得到的殼體可知：在相同約束條件下，200 ℃、350 ℃回火狀態(tài)下回收得到的殼體破碎程度較高；500 ℃和600 ℃回火狀態(tài)下由于殼體的斷裂韌性相對(duì)較好、塑性較高，表面均有大量的裂紋未貫穿整個(gè)壁厚，裂紋兩側(cè)殼體依然保持著連接并未完全分離，據(jù)此可以判斷殼體應(yīng)均處于相對(duì)滑移階段，殼體內(nèi)部爆轟產(chǎn)物尚未大量泄漏。就破碎程度而言，4種回火狀態(tài)下回收得到的結(jié)構(gòu)破碎程度從大到小依次為200 ℃、350 ℃、600 ℃和500 ℃.

2.2 殼體斷裂特性宏觀分析

對(duì)4種狀態(tài)下回收得到的結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6～圖9所示。其中圖6和圖7分別為200 ℃、350 ℃回火狀態(tài)的殼體宏觀分析結(jié)果，觀察其徑向斷口并比較可以發(fā)現(xiàn)，破片中主要存在純剪切斷裂與拉伸-剪切混合斷裂兩種斷裂模式。200 ℃和350 ℃回火狀態(tài)下的圓柱殼體動(dòng)態(tài)強(qiáng)度較高，能夠承受較大的應(yīng)力作用，但動(dòng)態(tài)塑性均太差，導(dǎo)致圓柱殼體在受約束前，僅發(fā)生較小變形時(shí)內(nèi)部就開(kāi)始產(chǎn)生裂紋。對(duì)比以上兩種回火溫度下殼體的宏觀斷裂形式可以發(fā)現(xiàn)， 200 ℃回火狀態(tài)下的殼體更傾向于產(chǎn)生脆性斷裂。除此之外，觀察圖7(a)所示的碎片還可看出，裂紋徑向的斷裂模式沿著軸向并非一成不變，從起爆端到非起爆端依次為雙向剪切、拉伸-剪切混合。這是因?yàn)椴煌S向位置的徑向斷裂模式不僅與該處的應(yīng)變率有關(guān)，而且與材料本身初始缺陷在空間上的隨機(jī)分布有關(guān)。

圖8和圖9分別為500 ℃、600 ℃兩種回火狀態(tài)下的回收結(jié)果。由圖8和圖9可以看出，殼體的斷裂模式基本為貫穿型剪切斷裂，剪切斷裂面與破片內(nèi)壁大致呈45°或135°，但受回收裝置的約束作用，斷裂面存在一定弧度且與破片內(nèi)壁角度變化得更大或更小。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)350 ℃、500 ℃和600 ℃這3種殼體裂紋沿軸線的擴(kuò)展取向與軸線之間的夾角存在差異。350 ℃和500 ℃回火狀態(tài)下的殼體沿軸向方向的裂紋擴(kuò)展方向基本與軸線平行，而600 ℃回火狀態(tài)下的殼體內(nèi)壁裂紋沿軸向方向并不平行于軸線，且從起爆端到非起爆端，裂紋與軸線之間的夾角呈逐漸增大的態(tài)勢(shì)。在非起爆端軸向長(zhǎng)度約20 mm范圍內(nèi)裂紋取向與其夾角約為20°，且偏向右側(cè)十分明顯。在回收到的殼體上還發(fā)現(xiàn)許多貫穿整個(gè)殼體長(zhǎng)度的軸向裂紋，裂紋的路徑發(fā)生多次改變，并于局部位置形成臺(tái)階面，如圖8(c)所示。這種現(xiàn)象表明這些軸向尺寸很長(zhǎng)的裂紋并非由單一斷裂源擴(kuò)展至整個(gè)殼體長(zhǎng)度所致，而是由起源于不同軸向位置的剪切斷裂單元(軸向長(zhǎng)度為毫米級(jí))匯聚形成[12]。

另外，所有4種殼體均出現(xiàn)了大量裂紋未貫穿整個(gè)壁厚且內(nèi)壁裂紋明顯比外壁多的現(xiàn)象。如圖10所示，剪切裂紋起始自殼體內(nèi)壁，并以剪切帶為先導(dǎo)向外壁擴(kuò)展。剪切斷裂發(fā)生后，內(nèi)壁附近裂紋兩側(cè)的殼體率先進(jìn)入滑移分離狀態(tài)，形成斷裂面1.根據(jù)Mott卸載波理論可知，裂紋在斷裂的同時(shí)會(huì)向斷口兩側(cè)發(fā)出卸載波，經(jīng)卸載波傳過(guò)后的區(qū)域會(huì)被卸載至彈性狀態(tài)，該區(qū)域內(nèi)的裂紋隨之停止增長(zhǎng)。因此，相鄰裂紋間存在著相互卸載效應(yīng)，少數(shù)形成時(shí)間更早、擴(kuò)展速度更快的裂紋在相互屏蔽競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，使得其最終能夠擴(kuò)展至外壁，形成滑移斷裂面2，從而造成許多裂紋未能貫穿壁厚且內(nèi)壁裂紋比外壁裂紋多。

3 回火溫度對(duì)殼體斷裂相關(guān)參數(shù)影響

本文研究的殼體斷裂相關(guān)參數(shù)主要為殼體殘骸的環(huán)周分裂數(shù)和壁厚，由于回收到的4種殼體均處于滑移分離斷裂后期階段，這兩個(gè)參量可代替殼體完全破碎后形成破片在周向的分布數(shù)量和厚度，以此評(píng)估戰(zhàn)斗部在周向上形成破片的能力。在分析以上殼體斷裂幾何參量之前，首先需要分析硬回收可能對(duì)殼體斷裂幾何參量造成的影響。根據(jù)回收到的殼體殘骸形貌可知，斷裂面2已經(jīng)較大程度地滑移出了殼體外壁，雖然凍結(jié)過(guò)程中回收裝置不可避免地對(duì)殼體產(chǎn)生了強(qiáng)沖擊作用，但是仍然能夠較輕易地分辨出殼體外側(cè)的壁面和斷裂面，并判斷出環(huán)周分裂數(shù)。另外，考慮到金屬材料具有一定的不可壓縮特性，回收裝置的強(qiáng)約束并不會(huì)使殼體殘骸壁厚相對(duì)自由膨脹殼體發(fā)生明顯的減薄。

對(duì)試驗(yàn)后4種回火條件下的凍結(jié)回收裝置內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得4種狀態(tài)下凍結(jié)回收裝置內(nèi)徑擴(kuò)張量分別為5.28 mm、6.34 mm、10.10 mm和8.82 mm. 由于4種回火條件下的凍結(jié)回收裝置結(jié)構(gòu)和材料完全相同，表明其對(duì)殼體的約束能力一致，而在爆炸后殼體受爆轟產(chǎn)物作用在其外徑擴(kuò)張到初始設(shè)定的約束內(nèi)徑100 mm后，將會(huì)受到凍結(jié)回收裝置的約束作用，使殼體逐漸停止擴(kuò)張，因此在同種炸藥加載和約束條件下，爆轟產(chǎn)物對(duì)殼體作用能量的大小可以用凍結(jié)回收裝置內(nèi)徑的徑向變形程度進(jìn)行表征。由凍結(jié)回收裝置徑向變形量可知，500 ℃回火狀態(tài)下40CrMnSiB鋼圓柱殼體受爆轟產(chǎn)物作用的能量最高，而200 ℃回火狀態(tài)下40CrMnSiB鋼圓柱殼體受爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)能量最低。這與先前開(kāi)展的超高速攝影試驗(yàn)所得到的結(jié)論一致[6]。

4 結(jié)論

本文針對(duì)回火溫度對(duì)40CrMnSiB鋼圓柱殼體膨脹斷裂影響問(wèn)題，通過(guò)凍結(jié)回收試驗(yàn)得到了4種不同回火溫度殼體的膨脹斷裂中間階段，揭示了4種回火溫度處理下40CrMnSiB鋼殼體內(nèi)部裂紋萌生位置和形式變化規(guī)律。得到結(jié)論如下：

1)受金屬材料初始缺陷在空間上隨機(jī)分布的影響，殼體在同一斷口處的徑向斷裂模式沿軸向會(huì)發(fā)生變化。

2)隨著回火溫度從200 ℃升高到500 ℃，殼體越發(fā)傾向于發(fā)生韌性斷裂，環(huán)周分裂數(shù)逐漸較少，而殼體斷裂應(yīng)變不斷增大，提高了48.1%. 當(dāng)回火溫度進(jìn)一步提高至600 ℃時(shí)，相應(yīng)的斷裂特征參數(shù)變化不明顯。

3)500 ℃回火狀態(tài)下的40CrMnSiB圓柱殼體形成破片的平均厚度最小、破壞時(shí)刻殼體的半徑最大、斷裂應(yīng)變最大，爆轟產(chǎn)物從殼體圓周方向泄漏的時(shí)間推遲以及其作用于爆轟產(chǎn)物形成破片的能量增大。