Cu-Ni-Al 和Cu 聚能射流侵徹后鋼靶的毀傷特征

張超霞，劉迎彬，胡曉艷，張 增，薛瑞峰，楊 麗，袁 磊

（1.中北大學環(huán)境與安全工程學院，山西 太原 030051；2.山西江陽化工有限公司軍品研究所，山西 太原 030051；3.北京特種車輛研究所，北京 100072）

粉末藥型罩具有工藝簡單、成分配比靈活、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，而且可以很大程度地避免杵堵現(xiàn)象[1]，因此，帶有粉末藥型罩的聚能裝藥被廣泛地應用于民用領(lǐng)域，尤其是石油開采。鎳鋁（Ni-Al）含能結(jié)構(gòu)材料是一類相對較新的多功能反應性復合材料，具有良好的力學性能和能量釋放特性[2]。由含能結(jié)構(gòu)材料制成的反應藥型罩不僅具有傳統(tǒng)藥型罩（一般是銅藥型罩）的動能侵徹作用，同時還可以發(fā)生劇烈的化學反應并釋放大量的沖擊能量，以提高聚能戰(zhàn)斗部的綜合毀傷效果。因此，Ni-Al 體系含能結(jié)構(gòu)材料藥型罩具有很好的應用前景，然而目前對Ni-Al體系反應射流的毀傷效應研究較少。

影響反應金屬材料藥型罩侵徹過程的因素包括沖擊壓縮特性、沖擊誘導化學反應、沖擊溫升、釋能特性以及射流與目標靶之間的相互作用等。Guo等[3]研究了Al/PTFE反應藥型罩聚能射流的侵徹性能，實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)金屬射流相比，其孔徑較大，侵徹深度也有所增加。但Al-PTFE 復合材料的低密度和低強度嚴重限制了其應用。添加一定比例的金屬材料或改變藥型罩的配方能夠增加活性Ni-Al金屬體系藥型罩的后效作用能力，增大穿孔孔徑[4–5]。聚能射流侵徹作用下靶板的宏觀特征和微觀組織結(jié)構(gòu)特性都會發(fā)生顯著變化。聚能射流高速撞擊靶板后可以產(chǎn)生極高的壓力和熱量，靶板孔壁周圍組織發(fā)生嚴重的塑性變形，應變率達到104～106s?1，在靶板孔壁周圍形成一個高溫、高壓、高應變率區(qū)域[6]。在高應變率載荷下隨著塑性變形的發(fā)展，材料局部溫度急劇升高，當克服應變硬化或應變率硬化，局部溫升導致的熱軟化效應是影響靶板微觀組織演化的關(guān)鍵因素[7–8]。在高應變率荷載下，鋼、鈦和鈦合金、鋁合金及鎂合金等金屬材料容易發(fā)生微觀組織演變[9]。與大多數(shù)金屬材料相比，鋼具有很高的強度和硬度、較高的延展性、出色的承載能力，價格較低，常用于民用和軍用防護等方面[10]。尹志新等[11]研究了超高強度鋼靶板在聚能射流穿甲后的損傷特征，發(fā)現(xiàn)靶板孔壁微觀組織發(fā)生顯著變化。

本研究采用模壓法制造致密度較高的Cu-Ni-Al 和Cu 藥型罩，通過侵徹實驗，研究Cu-Ni-Al 反應藥型罩和Cu 傳統(tǒng)藥型罩的宏觀侵徹性能以及侵徹后鋼靶的微觀組織特征，由此進一步分析微觀組織特征變化對射流宏觀侵徹現(xiàn)象的影響，以期為研究聚能裝藥戰(zhàn)斗部的毀傷效應提供可靠的依據(jù)。

1 實驗材料和方法

選用規(guī)則形的鎳粉、鋁粉和銅粉作為原料制備30Cu-35Ni-35Al（Cu-Ni-Al，Cu、Ni 和Al的質(zhì)量分數(shù)分別為30%、35%和35%）和Cu 藥型罩（Shaped charge liner,SCL）。粉末原料屬性如表1所示。

表1 粉末屬性Table 1 Properties of powders

采用粉末冶金法制備藥型罩。成型藥型罩見圖1。藥型罩為圓錐形，錐角為47°。采用阿基米德排水法測得粉末藥型罩的真實密度ρAMD，理論密 度ρTMD= 1 /(W1/ρ1+W2/ρ2+···+Wn/ρn)，其中W1、W2、Wn為組分的質(zhì)量分數(shù)， ρ1、 ρ2、 ρn為組分的理論密度。藥型罩孔隙率φ=(1?ρAMD/ρTMD)×100%。藥型罩的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖1 粉末藥型罩：（a）Cu-Ni-Al 藥型罩，（b）Cu 藥型罩Fig.1 Powder shaped charge liner:(a)Cu-Ni-Al SCL,(b)Cu SCL

表2 藥型罩的相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters of SCLs

聚能裝藥采用8701炸藥，裝藥量為38 g，壓制壓力為10 MPa，外殼材料為鋼，裝藥直徑與藥型罩直徑均為44 mm。采用電雷管對聚能裝藥起爆，炸高60 mm，靶板材料為45鋼。45鋼的化學成分見表3。為了保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，每種藥型罩進行3組侵徹實驗。圖2為含有藥型罩的聚能裝藥結(jié)構(gòu)。

圖2 聚能裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Shaped charge device

表3 45鋼的化學成分及含量Table 3 Chemical composition and content of 45 steel%

侵徹實驗現(xiàn)場布置如圖3所示。實驗后回收45鋼靶。采用線切割沿鋼靶彈道穿孔中心線進行縱向切割，然后切取靶板頭部（靶板入口）和尾部區(qū)域，再對試樣進行打磨拋光，最后用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕。為了分析孔壁周圍區(qū)域的微觀組織特征，采用光學顯微鏡（OM，Axio Lab，A1）、掃描電子顯微鏡（SEM）及能量色散光譜儀（EDS,牛津儀器X-MaxN）對處理過的樣品進行觀測。利用Vickers硬度測量系統(tǒng)（JMHVS-1000AT）在0.98 N 載荷下對鋼靶的微觀組織進行顯微硬度測量，保荷時間為15 s。

圖3 侵徹實驗布置Fig.3 Penetration experimental arrangement

2 實驗結(jié)果

Cu-Ni-Al 和Cu 射流侵徹后鋼靶的宏觀特征如圖4所示。靶板孔洞為典型的喇叭形。彈坑孔壁清潔無杵體。Cu-Ni-Al 孔壁表面相對粗糙，平均侵徹深度約為117.7 mm。Cu 的平均侵徹深度約為176.5 mm，遠高于Cu-Ni-Al。而Cu-Ni-Al 的平均入口直徑約為22.2 mm，比Cu 提高約33.3%。兩種藥型罩的侵徹深度和入口孔徑列于表4。

圖4 兩種射流侵徹后鋼靶的宏觀特征：（a）Cu-Ni-Al，（b）CuFig.4 Macroscopic features of steel targets penetrated by(a)Cu-Ni-Al and (b)Cu jet

表4 兩種藥型罩的侵徹參數(shù)Table 4 Penetration parameters of two different SCLs

圖5和圖6為Cu-Ni-Al和Cu 射流侵徹后鋼靶孔壁頭部和尾部區(qū)域的OM圖像。可以看出：殘余射流附著在孔壁上；靶板中形成了不同的區(qū)域，即殘余射流區(qū)、白色區(qū)、變形區(qū)和基體組織。Cu-Ni-Al射流侵徹后鋼靶孔壁形成了良好的白色帶，且尾部白色帶的平均厚度大于頭部。Cu 射流侵徹后鋼靶孔壁頭部白色帶數(shù)量極少，只在射流反向沖刷區(qū)域有些許白色帶，距離孔壁1.5～2.0 mm 區(qū)域內(nèi)形成微裂紋，但孔壁尾部形成了良好的白色帶。表5匯總了不同藥型罩侵徹鋼靶后各影響區(qū)域的厚度參數(shù)，可見：頭部變形區(qū)的厚度大于尾部；在相同位置，孔壁白色區(qū)越厚，變形區(qū)的厚度越小；頭部殘余射流區(qū)的厚度小于尾部。

表5 兩種藥型罩侵徹鋼靶后各影響區(qū)域的厚度參數(shù)Table 5 Thickness parametersof the affected zones in steel targets penetrated by two different SCLs

圖5 Cu-Ni-Al 射流侵徹鋼靶孔壁的OM 圖像：（a）孔壁頭部區(qū)域，（b）孔壁尾部區(qū)域Fig.5 OM images of the crater wall of steel targets penetrated by Cu-Ni-Al jet:(a)the head of the crater wall,(b)thetail of the crater wall

圖6 Cu 射流侵徹鋼靶孔壁的OM 圖像：（a）孔壁頭部區(qū)域，（b）孔壁頭部射流沖刷區(qū)，（c）孔壁尾部區(qū)域Fig.6 OM image of the crater wall of targets penetrated by Cu jet:(a)thehead of the crater wall,(b)the scouring area of the jet in the head of the crater wall,(c)the tail of the crater wall

圖7和圖8為Cu-Ni-Al 和Cu 射流侵徹后鋼靶孔壁尾部區(qū)域SEM/EDS點掃和線掃分析結(jié)果，其中wt為質(zhì)量分數(shù)，at為摩爾分數(shù)。白色區(qū)的成分與45鋼靶原始成分有所不同。Cu-Ni-Al 殘余射流區(qū)有Fe元素，而Cu 殘余射流區(qū)幾乎沒有Fe 元素。

圖7 兩種射流孔壁尾部SEM/EDS點掃結(jié)果：（a）Cu-Ni-Al，（b）CuFig.7 SEM/EDS point scanning results in the tail of the crater wall of two jets:(a)Cu-Ni-Al,(b)Cu

圖8 兩種射流孔壁尾部SEM/EDS線掃結(jié)果：（a）Cu-Ni-Al,（b）CuFig.8 SEM/EDS line scanning results in the tail of the crater wall of two jets:(a)Cu-Ni-Al，(b)Cu

圖9為兩種射流侵徹作用下鋼靶孔壁頭部和尾部區(qū)域的維氏顯微硬度（Hv）測量結(jié)果。兩種射流侵徹后靶板孔壁硬度變化趨勢差別不大。白色區(qū)的顯微硬度明顯高于周圍其他組織。白色區(qū)硬度值分散度較大，中間區(qū)域的硬度高于邊界組織。兩種射流尾部白色區(qū)的平均硬度值均高于頭部。Cu-Ni-Al尾部白色區(qū)的平均硬度值比Cu 高約95 MPa，Cu-Ni-Al 頭部白色區(qū)的平均硬度值比Cu 低28 MPa。兩種射流頭部變形區(qū)的硬度值均高于尾部。除Cu-Ni-Al尾部變形區(qū)外，其他變形區(qū)的硬度值均高于基體。靶板基體的顯微硬度值約為255 MPa。

圖9 Cu-Ni-Al 和Cu 射流侵徹鋼靶孔壁的維氏顯微硬度Fig.9 Vickers microhardness of thecrater wall of steel targets penetrated by Cu-Ni-Al and Cu jets

3 討 論

利用不同粒度Cu、Ni、Al 混合粉末制備的藥型罩具有較高的致密度，避免了因藥型罩壓垮使含能材料提前反應，從而顯著影響侵徹效果。反應射流不會在射流形成時完全反應，而是存在一定的弛豫時間，這在一定程度上決定了反應射流的穿深[3,12]。在線性速度桿侵徹模型中，Lambert[13]對射流的能量密度進行了計算。射流的能量密度公式為

式中：m0為射流的初始質(zhì)量， ρj、 ρt分 別為射流和靶板的密度，P為侵徹深度，vj0和vr分別為射流頭部和尾部的速度，z0為虛擬原點到靶板的距離。

由式(1)可知，材料密度比是影響射流能量密度和侵徹深度的重要因素。對于同一靶板，低密度材料在侵徹初始階段單位侵徹深度下的能量沉積越多，侵深越低；而高密度材料可以使更多的能量進入靶板，提高侵深。在射流侵徹過程中，射流與靶板之間的相互作用也是影響其侵徹性能的重要因素[14]。在射流侵徹過程中Cu 相在射流與靶板接觸面之間起潤滑作用，使Cu 射流容易穿透靶材[15]。從圖4中可以看出，Cu-Ni-Al 射流彈道孔壁較粗糙，另外根據(jù)SEM/EDS分析結(jié)果可知高溫還可以使Al與Ni或Fe 發(fā)生原位反應生成金屬間化合物，使Cu-Ni-Al 射流與靶材之間發(fā)生劇烈的相互作用，阻礙了射流的侵徹，并導致射流能量的嚴重橫向耗散[16]。因此，具有較低密度的Cu-Ni-Al 射流的平均侵徹深度低于Cu 射流，但其平均入口孔徑明顯高于Cu 射流。

采用規(guī)則形（球形或類球形）金屬粉末材料制成的藥型罩不易產(chǎn)生杵體，避免了因杵體堵塞接觸對孔壁的額外熱影響，能夠較好地對整個孔壁的微觀組織進行分析。應力波和聚能射流導致的過度加熱會引起鋼靶板微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化[17]。聚能射流將應力波傳入靶板，由于孔壁受到的沖擊壓縮和靶板本身的塑性應變最大，靶板孔壁組織在塑性變形溫升和高溫射流的共同作用下將達到很高的溫度。高溫足以使鋼靶組織超過相變點甚至熔化，但該區(qū)域相對于整個靶板極薄，其迅速被周圍環(huán)境冷卻，類似于淬火過程，因此發(fā)生馬氏體相變。因為冷卻速率太高，造成奧氏體不能完全轉(zhuǎn)化為馬氏體，所以該區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)是馬氏體和奧氏體的混合相，即白色區(qū)。

有人認為白色區(qū)為不完整的絕熱剪切帶，白色區(qū)的另外一半在侵徹過程中被聚能射流沖刷掉了[11]。在聚能射流侵徹過程中，由于射流速度和相應的應力、應變狀態(tài)的變化，在靶板孔壁存在著不同程度的應力波響應。在金屬塑性變形過程中絕熱剪切帶的厚度與應變、應變率和溫度有關(guān)[9]。如圖5和圖6所示，相對于Cu，Cu-Ni-Al射流形成的白色區(qū)厚度較大，這是因為Ni-Al 反應釋放大量的熱量。在應變率較高時，應變會隨應變率的增加而增大。對同種靶板來說，高應變率和大應變會降低白色帶的厚度。在射流侵徹初始階段，應變和應變率對白色區(qū)厚度的影響更大。因此，兩種射流孔壁頭部白色區(qū)均較薄。Cu 頭部孔道內(nèi)壁沒有白色帶，只有個別兩側(cè)沖刷區(qū)域有些許白色帶，但由于強烈的剪切作用，在距離孔壁1.5～2.0 mm 區(qū)域形成微裂紋。在W 射流中也發(fā)現(xiàn)了白色帶，而W-Cu 則很少發(fā)現(xiàn)，體現(xiàn)了Cu 的特殊性[15]。這也預示著，當應變和應變率足夠大而溫度較低時，無白色帶形成，即白色帶的形成存在一個閾值。Cu-Ni-Al射流與鋼靶之間的強烈相互作用使其殘余射流區(qū)的厚度大于Cu。在相同位置，白色區(qū)越厚，變形區(qū)越薄，表明孔壁白色區(qū)具有吸收能量的作用，或者說白色區(qū)的形成是靶板材料釋能的一種表現(xiàn)形式。

射流產(chǎn)生的應力波會對靶材產(chǎn)生強化作用，距離孔壁越近，靶板硬度越高?？妆诎咨珔^(qū)發(fā)生馬氏體相變，馬氏體轉(zhuǎn)變時的晶格缺陷阻礙位錯運動，從而使馬氏體強化，因此白色區(qū)具有最高的顯微硬度。在侵徹完成后，由于殘余射流的額外熱導致尾部白色區(qū)馬氏體相的比例增加，所以兩種射流尾部白色區(qū)的平均硬度值均高于頭部，如圖9所示。又因為Ni-Al 反應釋放大量的熱量使Cu-Ni-Al 射流溫度較高，所以其尾部白色區(qū)的平均硬度值高于Cu 射流?？拷妆谔幍陌邪褰M織還可能因為溫升而發(fā)生熱軟化[18]，高溫使位錯攀移容易實現(xiàn)，材料應力下降，導致Cu-Ni-Al頭部白色區(qū)的平均硬度值低于Cu。Ni-Al反應生成金屬間化合物，所以Cu-Ni-Al 殘余射流的顯微硬度高于Cu。變形區(qū)屬于應變硬化或應變率硬化階段，頭部變形區(qū)受到應變和應變率的影響較大，所以其平均硬度值高于尾部。應力下降使Cu-Ni-Al尾部變形區(qū)的硬度低于基體組織。

由上述分析可知，Cu-Ni-Al 殘余射流區(qū)中鎳鋁金屬間化合物的形成會阻礙射流的侵徹。同時，白色區(qū)的厚度和硬度變化也會影響射流的侵深。孔壁白色區(qū)的厚度和硬度值越大，射流越難穿透靶板。

4 結(jié) 論

研究了Cu-Ni-Al 和Cu 聚能射流侵徹作用下45鋼靶的宏觀特性和微觀組織特征，并分析了它們之間的關(guān)系，得到以下結(jié)論。

（1）兩種射流侵徹后，鋼靶組織均存在殘余射流區(qū)、白色區(qū)、變形區(qū)和基體，但各區(qū)域因受應變、應變率和溫升的影響而存在顯著差異。

（2）孔壁白色區(qū)的微觀組織是奧氏體和馬氏體的混合物，其平均硬度高于周圍組織。射流侵徹過程中的應力波和靶板本身的塑性應變使孔壁組織發(fā)生硬化，鎳鋁之間的放熱反應也會使白色區(qū)的硬度發(fā)生顯著變化。

（3）在侵徹過程中，Cu-Ni-Al 射流生成鎳鋁金屬間化合物，且鋼靶孔壁白色區(qū)發(fā)生馬氏體相變，這兩種硬相嚴重阻礙了Cu-Ni-Al 射流的侵徹，導致射流能量嚴重橫向耗散。因此，具有較低密度的Cu-Ni-Al反應射流的平均侵徹深度低于Cu 射流，但其平均入口孔徑比Cu 射流提高了33.3%。

為了獲得不同的侵徹效果，可以選擇不同的藥型罩材料來穿透目標靶，還可以通過改變Cu-Ni-Al藥型罩材料的配比、提高材料密度來降低射流與靶板之間的相互作用，以提高其綜合毀傷效果。