動(dòng)能彈高速侵徹鋼筋混凝土靶時(shí)彈丸頭部質(zhì)量侵蝕微觀(guān)機(jī)理

寧建國(guó)， 李釗， 馬天寶， 許香照

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

0 引言

動(dòng)能彈是侵徹混凝土防御工事最有效的武器之一，已引起各國(guó)研究者的廣泛關(guān)注[1-5]。隨著混凝土防御工事的不斷加強(qiáng)，對(duì)彈體侵徹性能的要求也不斷提高。為了對(duì)混凝土工事所防護(hù)的深埋目標(biāo)造成有效破壞，要求戰(zhàn)斗部在預(yù)定侵徹深度之前保持結(jié)構(gòu)完整性?，F(xiàn)階段的理論模型一般假定彈體為剛性體[6-10]，實(shí)際上，彈體在高速侵徹過(guò)程中會(huì)發(fā)生明顯的侵蝕現(xiàn)象。已有實(shí)驗(yàn)研究表明，侵徹后剩余彈體發(fā)生了明顯的質(zhì)量損失和彈頭鈍化[11-13]，嚴(yán)重的甚至?xí)绊憦椀婪€(wěn)定性并導(dǎo)致彈體結(jié)構(gòu)破壞與失效[14-15]，最終嚴(yán)重影響彈體的侵徹性能。因此，在高速侵徹條件下剛性彈假定已不再適用，彈體質(zhì)量侵蝕現(xiàn)象也不可忽略。開(kāi)展對(duì)彈體侵蝕現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究，揭示其形成的內(nèi)在機(jī)理，對(duì)深入理解彈體高速侵徹的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程并提高彈體的最終侵徹性能，具有重要意義。

彈體侵徹混凝土的過(guò)程具有復(fù)雜性和瞬時(shí)性?，F(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)手段難以精確、實(shí)時(shí)地觀(guān)測(cè)到混凝土侵徹中彈體的質(zhì)量侵蝕過(guò)程。因此，如何通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)手段來(lái)研究彈體的侵蝕機(jī)理，成為一個(gè)重要的研究方向。Forrestal等[11]和Frew等[12]通過(guò)對(duì)砂漿靶和混凝土靶侵徹實(shí)驗(yàn)后回收的剩余彈體進(jìn)行觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)彈體存在明顯質(zhì)量損失和彈頭鈍化現(xiàn)象。Silling等[16]對(duì)比分析了先前的侵徹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[11-12]，發(fā)現(xiàn)當(dāng)彈體初始撞擊速度在一定范圍(<800 m/s)時(shí)，其最終質(zhì)量損失量與彈體的初始動(dòng)能呈線(xiàn)性關(guān)系。楊建超等[13]和何翔等[15]對(duì)侵徹后剩余彈體的侵蝕現(xiàn)象進(jìn)行觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)彈體速度越高侵蝕現(xiàn)象越嚴(yán)重，且質(zhì)量損失主要發(fā)生在彈頭。楊建超與何翔的實(shí)驗(yàn)不僅驗(yàn)證了Silling等[16]發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，還發(fā)現(xiàn)彈體侵蝕量與混凝土強(qiáng)度有關(guān)。這類(lèi)早期的實(shí)驗(yàn)研究重點(diǎn)關(guān)注侵徹實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量差和彈體輪廓變化，由此歸納的預(yù)測(cè)模型[17-18]需要實(shí)驗(yàn)擬合得到的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，且無(wú)法直接反映彈體侵蝕的物理過(guò)程，對(duì)致力于探究彈體質(zhì)量侵蝕內(nèi)在機(jī)理的研究人員是不足的。

為進(jìn)一步探究彈體侵蝕的物理過(guò)程和內(nèi)在機(jī)理。近年來(lái)也有學(xué)者開(kāi)始注重對(duì)侵徹后剩余彈體的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)，通過(guò)對(duì)剩余彈體微觀(guān)結(jié)構(gòu)的分析研究來(lái)推斷彈體質(zhì)量侵蝕的內(nèi)在機(jī)理。何麗靈等[19]對(duì)侵徹后剩余彈體表面進(jìn)行了金相觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)彈體與靶體接觸的表面存在明顯熱影響區(qū)，且彈尖部位存在少量絕熱剪切帶。武海軍等[20-21]開(kāi)展了彈體材料分別為30CrMnSiNi2A、30CrMnSiA、45號(hào)鋼、Q235、HPb59-1 5種材料不同結(jié)構(gòu)彈體對(duì)石灰石骨料和石英石骨料兩種混凝土靶的侵徹實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為彈頭侵蝕的主要因素是骨料的切削作用。Guo等[22]、He等[23]通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)或金相顯微鏡對(duì)剩余彈體表面進(jìn)行觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)彈體表面存在明顯的高溫熔化現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)上述研究成果的梳理可以看到，對(duì)剩余彈體的微觀(guān)實(shí)驗(yàn)研究側(cè)重不同，手段繁多。大部分實(shí)驗(yàn)研究?jī)H在彈頭選取了單一觀(guān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備則選取SEM或者金相顯微鏡等較單一的方式。研究人員尚未取得一種統(tǒng)一的、全面的彈體質(zhì)量侵蝕機(jī)理認(rèn)知，對(duì)侵徹混凝土靶的彈體質(zhì)量侵蝕實(shí)驗(yàn)研究值得更深入的研究。

基于目前的實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀，本文開(kāi)展多組彈體高速侵徹鋼筋混凝土靶實(shí)驗(yàn)，獲取了彈體侵徹深度、質(zhì)量損失和彈體輪廓變化等彈體侵徹和侵蝕信息。將侵徹實(shí)驗(yàn)后的剩余彈體回收，并在其頭部選取多處相鄰的觀(guān)測(cè)點(diǎn)，使用線(xiàn)切割技術(shù)獲取多個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)橫縱截面的實(shí)驗(yàn)試樣。采用多種實(shí)驗(yàn)手段對(duì)試樣進(jìn)行微觀(guān)結(jié)構(gòu)的觀(guān)測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)彈體表面存在相當(dāng)厚度的熱影響層，表明彈體表面在侵徹過(guò)程中經(jīng)歷了受熱軟化甚至受熱熔化的過(guò)程，而熔化的彈體材料會(huì)從彈體剝離并形成質(zhì)量損失。此外，對(duì)彈體表面的微觀(guān)形貌觀(guān)測(cè)還發(fā)現(xiàn)彈體表面存在大量長(zhǎng)距離的犁溝，表明彈體表面在侵徹過(guò)程中受到了硬質(zhì)顆?；蚬橇系那邢髯饔茫幌魅サ膹楏w材料也是彈體質(zhì)量侵蝕的重要來(lái)源。除此之外，在彈頭尖端還發(fā)現(xiàn)了分布較隨機(jī)的微裂紋，部分微裂紋在彈體表面形成了貫通，并由此導(dǎo)致部分彈體材料的剝離。因此，彈體的質(zhì)量侵蝕現(xiàn)象并非單一機(jī)制作用的結(jié)果，而是上述幾種機(jī)制共同作用、相互影響的結(jié)果。本文對(duì)剩余彈體頭部的侵蝕部分進(jìn)行了較系統(tǒng)和全面地微觀(guān)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)和分析，提出了侵徹過(guò)程中彈體質(zhì)量侵蝕為多種機(jī)理共同作用的觀(guān)測(cè)結(jié)果的觀(guān)點(diǎn)，為進(jìn)一步提高動(dòng)能彈侵徹混凝土的侵徹性能提供了有益的探索。

1 彈體高速侵徹實(shí)驗(yàn)

1.1 侵徹實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文選用屈服強(qiáng)度為835.0 MPa的炮鋼(PCrNi3MoV)作為侵徹實(shí)驗(yàn)中的彈體材質(zhì)。彈體初始質(zhì)量為5.7 kg，密度為7.85 kg/m3，彈體長(zhǎng)度為197.0 mm，彈體半徑為50.0 mm，彈頭設(shè)計(jì)為尖卵形，曲率半徑與彈徑之比為1.2. 為獲取更高的彈體初始撞擊速度，彈體設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)。此外，考慮到高速侵徹時(shí)彈頭為磨蝕的重點(diǎn)區(qū)域，頭部彈壁設(shè)計(jì)較厚。其具體結(jié)構(gòu)尺寸和彈體裝配如圖1所示。

圖1 彈體尺寸及裝配示意圖Fig.1 Schematic diagram of projectile size and assemble

侵徹實(shí)驗(yàn)靶板為鋼筋混凝土靶板，骨料尺寸<10.0 mm. 混凝土靶板設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體，迎彈面尺寸為2.0 m×2.0 m，厚度為1.75 m，具體尺寸和配筋結(jié)構(gòu)如圖2所示。經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為50.0 MPa，密度為2 300.0 kg/m3. 彈體發(fā)射裝置采用口徑為120.0 mm的滑膛炮。炮口距離混凝土靶迎彈面10.0 m. 侵徹實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。在混凝土靶體一側(cè)布置白色背景板，另一側(cè)架設(shè)高速攝像系統(tǒng)，以記錄彈體的飛行姿態(tài)并計(jì)算彈體的初始撞擊速度。圖4展示了侵徹實(shí)驗(yàn)中典型的彈體飛行姿態(tài)。由圖4可以看到，彈體基本是垂直撞擊混凝土靶迎彈面的。

圖2 靶體尺寸及鋼筋配置圖Fig.2 Target dimensions and location of steel reinforcement

圖3 侵徹實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.3 Layout of penetration experimental site

圖4 典型的彈體飛行姿態(tài)圖Fig.4 Typical flight attitude of projectile in the experiment

1.2 侵徹實(shí)驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行多組高速侵徹實(shí)驗(yàn)，共獲取4組有效數(shù)據(jù)。經(jīng)高速攝像系統(tǒng)分析，4組侵徹實(shí)驗(yàn)中彈體初始撞擊速度分別為1 325 m/s、1 385 m/s、1 386 m/s和1 425 m/s. 4組侵徹實(shí)驗(yàn)中彈體均未穿透靶板。表1所示為彈體侵徹實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表1可以看到，隨著初始撞擊速度的提升，彈體的侵徹深度越來(lái)越大，而彈體的剩余質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。

表1 彈體侵徹實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

侵徹實(shí)驗(yàn)后靶板的破壞情況如圖5所示。由圖5可以看出：埋置在靶體迎彈面表層的鋼筋受拉伸作用形成了明顯的向外翻鼓，個(gè)別鋼筋被拉斷；隨著初始撞擊速度的提升，靶體迎彈面的破壞程度明顯加深。圖6所示為原始彈體與4組侵徹實(shí)驗(yàn)后剩余彈體的彈頭對(duì)比，可明顯看到剩余彈體頭部發(fā)生了鈍化，且彈頭鈍化嚴(yán)重程度與初始撞擊速度呈正比。

2 剩余彈體微觀(guān)觀(guān)測(cè)

2.1 實(shí)驗(yàn)試樣

完成侵徹實(shí)驗(yàn)后，回收剩余彈體并去除彈體表面的雜質(zhì)。通過(guò)線(xiàn)切割技術(shù)采集剩余彈體頭部不同觀(guān)測(cè)點(diǎn)的表面試樣，使用環(huán)氧樹(shù)脂將表面試樣冷鑲嵌。待試樣成型后，對(duì)試樣的觀(guān)測(cè)一面進(jìn)行機(jī)械研磨以保證觀(guān)測(cè)面平整，然后使用不同粒度的拋光膏對(duì)觀(guān)測(cè)面進(jìn)行拋光，直至試樣觀(guān)測(cè)面為光亮無(wú)痕的平整鏡面。最后，使用超聲波清洗試樣表面并配置4.0%的硝酸酒精溶液用于試樣觀(guān)測(cè)面的腐蝕。由于4組高速侵徹實(shí)驗(yàn)的初始撞擊速度非常接近，其剩余彈體表面的微觀(guān)結(jié)構(gòu)并無(wú)太大區(qū)別。下文中多個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)處的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖均來(lái)自于多組侵徹實(shí)驗(yàn)中相同位置處的典型微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖。

2.2 金相觀(guān)測(cè)

圖7(a)為剩余彈體的宏觀(guān)外貌。由圖7(a)可以看到：剩余彈體較原始彈體有明顯的鈍化現(xiàn)象；侵蝕現(xiàn)象主要發(fā)生在彈頭，彈柄部分的侵蝕現(xiàn)象較輕，部分區(qū)域仍是光亮的原始金屬，與陳小偉等[24]認(rèn)為彈體侵蝕現(xiàn)象主要發(fā)生在彈頭的觀(guān)點(diǎn)一致；彈頭大部分表面被一些混凝土雜質(zhì)所黏著覆蓋，僅有少數(shù)部分裸露出彈體金屬的光澤，且可以直觀(guān)地看到嚴(yán)重劃痕。

圖7(b)和圖7(c)展示了金相顯微鏡對(duì)剩余彈體表面裸露金屬區(qū)域的觀(guān)測(cè)。從圖7(b)中可以看到，剩余彈體的表面存在大量相互平行、長(zhǎng)距離的犁溝。從圖7(c)中可以看到更多細(xì)節(jié)：犁溝兩側(cè)存在被擠壓而隆起的金屬材料，這是一種典型的磨粒磨損形貌。通過(guò)上述觀(guān)測(cè)結(jié)果可以得知，彈體在侵徹過(guò)程中受到了骨料等硬質(zhì)物體的切削作用。

圖7 剩余彈體表面的金相觀(guān)測(cè)Fig.7 Metallographic observation of residual projectile’s surface

2.3 SEM觀(guān)測(cè)

采用日本日立公司產(chǎn)S-4800 SEM系統(tǒng)對(duì)彈體表面試樣微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀(guān)測(cè)。圖8展示了剩余彈體頭部不同采集點(diǎn)處縱截面的SEM微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖。從圖8中可以看到彈體表面存在不同形貌的區(qū)域：靠近內(nèi)部的區(qū)域幾乎沒(méi)有受到熱量影響，被稱(chēng)為基體區(qū)；靠近彈體表面的區(qū)域出現(xiàn)了與基體區(qū)不同的形貌，組織結(jié)構(gòu)變得更致密，被稱(chēng)為致密層；隨著采集點(diǎn)遠(yuǎn)離彈尖，剩余彈體縱截面試樣表面致密層的厚度也越來(lái)越小。值得注意的是，在侵徹過(guò)程中，彈體表面承受了極大的壓應(yīng)力作用。此外，由于混凝土材質(zhì)的復(fù)雜和隨機(jī)分布的骨料等硬質(zhì)顆粒，彈頭在侵徹過(guò)程中的受力并非是均勻的，導(dǎo)致剩余彈體的表面并非為完美軸對(duì)稱(chēng)，不同區(qū)域的犁溝深度存在細(xì)微不同。由于復(fù)雜實(shí)驗(yàn)條件導(dǎo)致個(gè)別位置的深淺犁溝的確會(huì)對(duì)具體位置的彈體表面致密層厚度產(chǎn)生影響，例如圖8(b)右上角處并不平滑的彈體表面輪廓即是切削作用的痕跡，但這種輕微的犁溝對(duì)致密層厚度影響有限。此外，為便于對(duì)比分析，本文選取的觀(guān)測(cè)采集點(diǎn)均處于不同彈體的同一縱截面上，且盡量選取了表面較平整的試樣進(jìn)行觀(guān)測(cè)，即不包括存在極個(gè)別深犁溝的情況。個(gè)別位置的較深犁溝會(huì)對(duì)具體位置的彈體表面致密層厚度產(chǎn)生一定程度的影響，但不會(huì)改變彈頭表面致密層越靠近彈尖越厚的趨勢(shì)。

圖8 彈頭不同位置處縱截面的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Longitudinal-sectional microstructures at the different observation points on the projectile nose

圖9展示了剩余彈體彈頭不同采集點(diǎn)處橫截面的SEM微觀(guān)結(jié)構(gòu)。圖9較圖8的放大倍數(shù)有所降低，可以觀(guān)測(cè)到更宏觀(guān)的剩余彈體橫截面外輪廓。從圖9中可以看到，與彈體縱截面較平直的外輪廓不同，剩余彈體橫截面的外輪廓不再平整，且存在大量的V字形溝壑。這些V字形溝壑綿延不斷，距離很近，從另一個(gè)角度呼應(yīng)了圖4金相圖中彈體表面分布的大量相互平行犁溝。圖9中的V字形溝壑正是彈體表面犁溝橫截面的外輪廓。

圖9 彈頭不同位置處橫截面的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Cross-sectional microstructures at the different observation points on projectile nose

圖10展示了剩余彈體彈尖部分的橫截面微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖。與圖9中彈頭其他部位的橫截面微觀(guān)結(jié)構(gòu)相比，彈尖處的橫截面外輪廓更加破碎，幾乎不存在規(guī)整的、連續(xù)的V字形溝壑，取而代之的是更不規(guī)則的、破碎的外輪廓。特別地，一些彈體表面下方存在一些分布較隨機(jī)的細(xì)微裂紋，在彈頭其余部分的微觀(guān)結(jié)構(gòu)中未觀(guān)察到類(lèi)似的形貌。圖10還展示了裂紋尖端微觀(guān)結(jié)構(gòu)的放大圖像，從中可以看到，裂紋尖端兩側(cè)的組織結(jié)構(gòu)更致密。當(dāng)這些分布于彈體尖端表面下方的裂紋持續(xù)拓展并成功閉合后，被裂紋包圍的材料可能會(huì)脫離彈體。圖10中第2種典型微觀(guān)形貌展示了一種裂紋閉合后，部分彈體表面材料脫離彈體，造成破碎形態(tài)的外輪廓。此外，在裂紋閉合且部分材料脫離后的彈尖橫截面上，還可以觀(guān)察到向多個(gè)方向拓展的裂紋分布。

圖10 彈尖橫截面的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Cross-sectional microstructure of projectile nose tip

綜上所述，高速侵徹過(guò)程中的彈體侵蝕是一種極為復(fù)雜的現(xiàn)象，從剩余彈體表面既可以觀(guān)察到異于彈體內(nèi)部基體材質(zhì)的致密層，也可以觀(guān)察到大量相互平行的、長(zhǎng)距離的犁溝。彈體尖端還存在著更復(fù)雜的破壞形貌，即大量隨機(jī)分布的微裂紋和由于微裂紋閉合而脫離彈體造成破碎的外輪廓，表明彈體侵蝕現(xiàn)象并非由單一機(jī)制造成，而是多種機(jī)制共同作用、相互影響的結(jié)果。

3 分析及討論

通過(guò)彈體高速侵徹鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)和對(duì)剩余彈體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)觀(guān)測(cè)，得到了多組彈體侵蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和如圖8～圖10剩余彈體頭部不同部位的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖。從這些微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖中可以看到：在高速侵徹鋼筋混凝土靶的過(guò)程中，彈體會(huì)發(fā)生明顯的侵蝕現(xiàn)象；彈體正侵徹時(shí)，侵蝕主要發(fā)生在彈體的頭部，表現(xiàn)為彈頭的鈍化和彈體質(zhì)量的損失；隨著侵徹速度的增加，剩余彈體的彈頭鈍化更加嚴(yán)重，剩余彈體質(zhì)量也越來(lái)越小。這一結(jié)果表明侵徹速度越高，彈體的侵蝕現(xiàn)象越明顯，與Forrestal等[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，也與直觀(guān)認(rèn)識(shí)吻合。

為更加深入地了解彈體侵蝕的內(nèi)在機(jī)制，開(kāi)展對(duì)剩余彈體橫縱截面微觀(guān)結(jié)構(gòu)的觀(guān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)彈體表面形成了一層異于內(nèi)部基體材料的、更致密的致密層。由于在高速侵徹過(guò)程中彈體與混凝土靶體會(huì)相互摩擦并產(chǎn)生大量的熱[25-27]，這些熱量導(dǎo)致彈體表面溫度升高。為探究該致密層的形成是否與高溫有關(guān)，制取3組試件進(jìn)行微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析：第1組試件取自未發(fā)射的原始彈體；第2組試件取自剩余彈體表面材料；第3組試件取自高溫處理后的彈體表面材料，對(duì)于該組試樣的升溫降溫曲線(xiàn)可參照?qǐng)D11. 從圖11中可以看到：該組試樣被加熱至1 673 K并保溫10 s，然后持續(xù)冷卻至室溫。值得注意的是，原始彈體材料中存在V等元素可改善鋼力學(xué)性能，有助于晶粒細(xì)化的合金元素；使用熱加工工藝制備的原始彈體試樣經(jīng)過(guò)熱處理后的微觀(guān)組織變化較為復(fù)雜，其晶粒發(fā)生了細(xì)化，與Guo等[22]的微觀(guān)觀(guān)測(cè)結(jié)果是基本一致的。圖12展示了使用SEM觀(guān)測(cè)的3組不同試件的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。從圖12中可以看到：剩余彈體的基體區(qū)與原始彈體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)基本相同；剩余彈體的致密區(qū)和高溫處理后的彈體材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)更接近，與原始彈體微觀(guān)結(jié)構(gòu)相比，二者的微觀(guān)組織都更為致密，這主要是高溫條件下晶粒細(xì)化造成的結(jié)果。表明彈體表面的致密層的確是受到高溫影響后形成的，一般稱(chēng)其為熱影響區(qū)，與Guo等[22]、He等[23]通過(guò)金相顯微鏡對(duì)熱影響區(qū)的觀(guān)測(cè)結(jié)果一致。

圖11 第3組試樣的升溫與降溫曲線(xiàn)Fig.11 Temperature curve of the third group of samples

圖12 3組不同試樣的SEM圖像Fig.12 SEM photographs of three groups of specimens

作為應(yīng)用極廣泛的侵徹分析模型，球形空腔膨脹近似理論給出了侵徹過(guò)程中彈體表面某一點(diǎn)處應(yīng)力的計(jì)算公式[28-29]：

(1)

式中：σr為彈體表面應(yīng)力；fc為混凝土強(qiáng)度；v為彈體瞬時(shí)速度；θ為侵徹方向與該點(diǎn)切向的夾角；ρ0為混凝土密度；A、B和C為無(wú)量綱參數(shù)。通過(guò)(1)式可知，越接近彈體尖端的區(qū)域(即θ值越大)彈體表面所承受的應(yīng)力越大，產(chǎn)生的彈靶摩擦熱也就越多。這意味著相同時(shí)間內(nèi)，越靠近彈體尖端，就有更多的熱量可以傳導(dǎo)至彈體內(nèi)部更深的區(qū)域。這正對(duì)應(yīng)了第2節(jié)微觀(guān)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中熱影響區(qū)越靠近彈尖厚度越大的現(xiàn)象。此外，由于彈體的初始撞擊速度高，整個(gè)侵徹過(guò)程耗時(shí)極短。例如，本文4組侵徹實(shí)驗(yàn)中彈體從接觸混凝土靶到侵徹結(jié)束，耗時(shí)不超過(guò)3 ms.而熱量的傳導(dǎo)也需要時(shí)間，在這樣短的時(shí)間內(nèi)彈體表面的熱量很難傳導(dǎo)到彈體內(nèi)部的深處[30]。因此，第2節(jié)中觀(guān)測(cè)到的熱影響區(qū)厚度很小，處于微米量級(jí)。通過(guò)上述分析可知，彈體侵蝕過(guò)程與摩擦熱導(dǎo)致的彈體表面材質(zhì)熔化有關(guān)，高速侵徹的彈體與混凝土靶劇烈摩擦，產(chǎn)生的熱量傳入彈體，使得彈體表面材質(zhì)熔化并剝離彈體。

彈體侵蝕現(xiàn)象并非彈體表面材質(zhì)受熱熔化剝離這一種機(jī)制造成的。通過(guò)第2節(jié)對(duì)彈體表面金相觀(guān)測(cè)和彈頭橫截面的SEM觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)剩余彈體頭部分布著大量平行且密集的長(zhǎng)距離犁溝。這是因?yàn)樵陟o態(tài)條件下混凝土中的骨料等硬質(zhì)顆粒并不比彈體的材質(zhì)(一般為高強(qiáng)度鋼)更為堅(jiān)硬，很難在彈體表面通過(guò)切削作用來(lái)形成密集的犁溝。但在侵徹過(guò)程中，彈體表面溫度上升，進(jìn)而導(dǎo)致彈體表面材質(zhì)的強(qiáng)度下降，甚至一部分彈體表面材料由于熔化而失去強(qiáng)度。而彈體在侵徹過(guò)程中受到混凝土靶所施加的強(qiáng)大阻力使其受熱軟化的表面不斷遭遇不同的、未受高溫影響的硬質(zhì)顆粒，這些硬質(zhì)顆粒將在混凝土靶的高壓下被壓入彈體表面。這樣，彈體表面會(huì)被骨料等硬質(zhì)顆粒不斷切削，形成遍布整個(gè)彈頭的密集犁溝。此外，彈、靶間的摩擦和塑性變形在復(fù)雜侵徹環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致彈頭的熱影響區(qū)呈現(xiàn)不均勻性，彈頭部分區(qū)域由于微裂紋和應(yīng)力集中現(xiàn)象，也會(huì)產(chǎn)生大量條紋平展整齊的長(zhǎng)距離犁溝。再結(jié)合圖10中存在于彈尖表面的大量裂紋與微裂紋，表明骨料等硬質(zhì)顆粒對(duì)彈體表面切削以及應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋延伸是彈體表面密布犁溝的重要原因，也是導(dǎo)致彈體侵蝕的重要機(jī)理。

通過(guò)圖10還可以觀(guān)察到一種特殊的彈體侵蝕機(jī)制：彈尖表面的裂紋閉合導(dǎo)致部分被裂紋包圍的彈體表面材料脫離彈體。這些部分隱藏在彈尖表面下的微裂紋甚至分布于距離彈體表面幾百微米的范圍內(nèi)，與熱影響區(qū)的厚度相比，其分布區(qū)域更深入彈體內(nèi)部。但這些深層次微裂紋基本只存在于剩余彈體的尖端，未在彈頭的其他區(qū)域發(fā)現(xiàn)其存在。表明微裂紋拓展閉合導(dǎo)致的彈體表面材料剝離雖然是造成彈頭侵蝕的一種機(jī)制，但其影響范圍有限，并非一種更普遍和宏觀(guān)的彈體侵蝕機(jī)制。這種彈尖微裂紋的產(chǎn)生值得進(jìn)一步研究。

綜上所述，彈體在高速侵徹混凝土靶體的過(guò)程中面臨極為復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，彈頭的侵蝕效應(yīng)并非單一機(jī)制導(dǎo)致，且彈頭不同部位的侵蝕程度也有所不同。上述分析為進(jìn)一步提升對(duì)彈體侵蝕效應(yīng)的認(rèn)識(shí)提供了一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

為深入探究動(dòng)能彈高速侵徹混凝土侵蝕現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理，本文開(kāi)展了4組動(dòng)能彈高速侵徹混凝土靶實(shí)驗(yàn)，獲得了彈體侵蝕的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)剩余彈體頭部不同位置進(jìn)行了微觀(guān)結(jié)構(gòu)觀(guān)測(cè)。得到如下主要結(jié)論：

1)對(duì)剩余彈體頭部不同位置的微觀(guān)結(jié)構(gòu)觀(guān)測(cè)表明：剩余彈體表面存在一層明顯異于彈體內(nèi)部基體結(jié)構(gòu)的熱影響區(qū)，其表面還存在大量與侵徹方向相同的、密集的長(zhǎng)距離犁溝。此外，剩余彈體尖端還發(fā)現(xiàn)了分布在彈體表面下方幾百微米范圍內(nèi)的微裂紋。當(dāng)連接彈體表面的微裂紋形成閉合，會(huì)造成部分彈體表面材料的剝離。

2)高速侵徹中的彈體侵蝕現(xiàn)象不是單一機(jī)制造成的，而是多種機(jī)制共同作用、相互影響的結(jié)果。不僅是彈體表面熱熔化，骨料切削、應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋延展和彈尖的破碎也會(huì)影響彈體形狀變化乃至彈體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

現(xiàn)階段，大多數(shù)對(duì)彈體侵蝕的理論分析研究集中在彈體表面熔化剝離的機(jī)制上，對(duì)彈體表面犁溝產(chǎn)生機(jī)制、彈頭尖部破碎機(jī)制和混凝土破壞對(duì)彈體侵蝕影響的考慮不多。因此，下一步應(yīng)加強(qiáng)對(duì)彈體侵蝕中多種機(jī)制共同作用的分析研究，并進(jìn)一步探究符合高壓高應(yīng)變率的混凝土本構(gòu)，以期提出更加符合真實(shí)條件的多機(jī)制耦合侵蝕模型。