细晶钨合金穿甲弹芯侵彻机理分析及试验研究

论文摘要

为提高杆式穿甲弹芯的侵彻威力,论文拟研制一种新型细晶结构钨合金穿甲弹芯材料,在侵彻过程中容易发生绝热剪切和“自锐”效应,以代替贫铀合金。普通钨合金是绝热剪切不敏感材料,侵彻过程中弹芯头部首先形成粗大“蘑菇头”。晶粒细化能有效增加晶界面积,提高钨合金的强度和硬度,及高温塑性变形速率,是提高钨合金力学性能和绝热剪切敏感性的一种可行方法。论文对钨合金杆式弹芯侵彻45#钢和603钢靶后的残余弹体和弹孔进行微、细观组织检测,并利用LS-DYNA程序对侵彻过程进行有限元模拟,深入分析弹、靶相互作用过程和变形失效机制。钨合金穿甲弹芯侵彻过程中弹芯头部3-4mm范围内产生较大的塑性变形,初始近似球形的钨晶粒被压扁成细长状,发生明显的塑性变形。45#钢的破坏为典型的延性扩孔,侵彻过程中不形成绝热剪切带。对603钢的侵彻,钨合金弹芯“蘑菇头”前端约1mm位置产生绝热剪切带,微裂纹在剪切带中形成和扩展,造成弹芯材料的质量消蚀。在603钢靶板的弹坑表面观测到绝热剪切带和裂纹分布,其中弹坑底部1-2mm处发现局部围绕弹坑分布的冠状裂纹,其形成原因可由绝热剪切带演化而来,或解释为弹、靶接触区域局部卸载波的相互作用引起的拉伸破坏。冠状裂纹的发现,可揭示装甲板弹坑形成的微、细观机制。绝热剪切沿最大剪应力方向发展,研究尺度属于材料结构的细观演化行为。本文利用可移动元胞自动机方法（MCA）,在细观尺度上构造了钨合金两相特征的计算模型,并进行剪切失效行为的数值模拟。结果表明,细观尺度下的剪切变形表现为试件内各点速度场涡流形态的不断演化以满足变形协调；最后在局部涡流干涉处质点无法满足变形协调时发生微损伤,并诱发剪切变形局部化的快速发展和材料的失效。钨合金的剪切失效明显受晶粒大小影响,晶粒越细,需要的临界剪应力较小,剪切失效也越早发生。利用雾化干燥法制取钨纳米复合粉末和采用二次烧结工艺成功制备不同化学成分的细晶钨合金弹芯材料。得到细晶钨合金的晶粒平均尺寸为10-20μm,并具有更高的硬度。分别使用14.5mm机枪次口径穿甲弹和30mm次口径杆式尾翼弹对制备的细晶钨合金弹芯侵彻不同特性靶板进行对比试验,试验结果验证了细晶弹芯较普通弹具有更好的.侵彻性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 穿甲侵彻过程机理分析
• 1.2.1 穿甲侵彻过程物理描述
• 1.2.2 穿甲侵彻的研究方法
• 1.2.3 侵彻过程弹、靶的微细观组织分析
• 1.2.3.1 侵彻过程中杆式弹芯的变形、侵蚀
• 1.2.3.2 侵彻过程中弹孔的微细观组织演化
• 1.2.4 侵彻过程的数值模拟
• 1.3 绝热剪切带和材料失效行为
• 1.3.1 绝热剪切形成的力学条件
• 1.3.2 绝热剪切带内的显微组织结构演化
• 1.3.3 剪切带引发材料的失效行为
• 1.4 新型细晶钨基弹芯材料的发展
• 1.5 细晶钨合金的制备及其动力学性能研究
• 1.6 本文的意义、目的及内容
• 2 钨合金弹芯侵彻过程中弹、靶相互作用失效机制研究
• 2.1 引言
• 2.2 穿甲侵彻过程中钨合金弹芯的变形失效模式
• #钢形成的蘑菇头分析'>2.2.1 钨合金弹芯贯穿45^#钢形成的蘑菇头分析
• 2.2.1.1 试验方法
• 2.2.1.2 贯穿钢靶后残余弹芯蘑菇头变形
• #钢靶的变形破坏模式'>2.2.1.3 钨合金弹芯侵彻45^#钢靶的变形破坏模式
• 2.2.2 钨合金弹芯嵌入603钢靶中的蘑菇头分析
• 2.2.2.1 试验方法
• 2.2.2.2 嵌入靶板的残余弹芯变形、失效
• 2.2.2.3 钨合金弹芯侵彻603钢的变形、破坏模式
• 2.3 靶板弹孔周围材料的损伤形式研究
• 2.3.1 603钢弹孔周围绝热剪切带与裂纹的分布
• 2.3.2 弹坑底部冠状裂纹的观测与分析
• 2.3.3 绝热剪切带演化为裂纹
• 2.4 钨合金弹芯侵彻过程的数值模拟
• 2.4.1 穿甲侵彻模型
• 2.4.2 模拟侵彻结果与分析
• #钢的侵彻模拟'>2.4.2.1 93W钨合金弹芯对45^#钢的侵彻模拟
• 2.4.2.2 95W钨合金弹芯对603钢的侵彻模拟
• 2.5 提高钨合金弹芯材料的绝热剪切敏感性
• 2.5.1 提高弹用钨合金材料的强度
• 2.5.2 提高塑性变形速率
• 2.6 本章小结
• 3 细观尺度下钨合金剪切失效行为的MCA方法模拟
• 3.1 引言
• 3.2 材料变形的细观尺度行为研究
• 3.3 MCA基本算法简介
• 3.3.1 MCA方法原理
• 3.3.2 MCA方法的运动方程
• 3.3.3 MCA方法的本构关系
• 3.3.3.1 元胞内部的弹塑性本构关系
• 3.3.3.2 元胞间的应力应变关系
• 3.3.4 MCA体系的能量耗散
• 3.4 钨合金剪切失效的MCA方法模拟
• 3.4.1 钨合金细观结构的MCA模型
• 3.4.2 剪切变形的计算模拟
• 3.4.3 模拟结果与分析
• 3.4.3.1 速度场涡流演化
• 3.4.3.2 剪切局部化的快速扩展
• 3.4.3.3 局部化过程中温度分布
• 3.4.4 晶粒大小对剪切失效的影响
• 3.5 本章小结
• 4 纳米粉末烧结方法制备细晶钨合金弹芯材料
• 4.1 引言
• 4.2 雾化干燥法制备钨纳米复合粉体
• 4.2.1 试验方法
• 4.2.2 结果与分析
• 4.3 二次烧结法制备细晶钨合金
• 4.3.1 试验方法
• 4.3.2 结果与分析
• 4.3.2.1 90W细晶钨合金的断口形貌及性能
• 4.3.2.2 不同化学成分的细晶钨合金
• 4.4 本章小结
• 5 细晶钨合金弹芯穿甲性能的靶场试验与分析
• 5.1 引言
• 5.2 试验方案
• 5.3 试验结果分析
• 5.3.1 细晶钨合金弹芯垂直侵彻试验
• 5.3.1.1 细晶弹对20mm厚616+30mm厚A3复合板的射击试验
• 5.3.1.2 细晶弹对50mm厚A3板的射击试验
• 5.3.1.3 细晶弹对35mm厚603板的射击试验
• 5.3.2 细晶钨合金弹芯斜侵彻试验
• 5.3.2.1 细晶弹对20mm厚2Π板的射击试验
• 5.3.2.2 细晶弹对40mm厚603+40mm厚A3复合板的射击试验
• 5.3.3 细晶钨合金弹芯的侵彻性能分析
• 5.4 细晶钨合金弹芯残余弹体的显微结构分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 论文的主要创新点
• 6.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 读博期间发表的论文