唐嬌姣，梁爭(zhēng)峰，屈可朋，鄭雄偉，閆 峰

(西安近代化學(xué)研究所， 陜西 西安 710065)

引 言

防空反導(dǎo)導(dǎo)彈是領(lǐng)空甚至空天防御/防衛(wèi)的重要武器裝備，提升防空反導(dǎo)殺傷戰(zhàn)斗部破片速度、穿甲性能等毀傷威力一直是毀傷技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1]。鎢合金破片具有密度高、存速性能好、穿甲能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在殺傷戰(zhàn)斗部中受到普遍應(yīng)用，其中93W-Ni-Fe系鎢合金破片使用最為廣泛，通過(guò)配方和燒結(jié)工藝的不斷優(yōu)化，已具有較好的力學(xué)性能[2]。然而隨著基于三代含能材料的高能炸藥技術(shù)[3-4]和基于偏心起爆的定向戰(zhàn)斗部技術(shù)的發(fā)展[5]，破片初速提至2400～2600m/s，甚至開(kāi)始發(fā)展初速3000m/s以上的超高速戰(zhàn)斗部技術(shù)。為保證鎢合金破片在爆轟驅(qū)動(dòng)后的完整性，需通過(guò)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)預(yù)測(cè)其在爆轟加載條件下的破碎行為。

由于炸藥起爆瞬間破片受到高溫高壓、破片內(nèi)應(yīng)力波的相互作用，導(dǎo)致破片可能由于強(qiáng)烈擠壓、材料軟化、結(jié)構(gòu)層裂而發(fā)生破碎[6-7]。目前關(guān)于鎢合金材料在爆轟加載下的研究多集中在定性分析，Mott等[8]對(duì)一維圓環(huán)在內(nèi)部裝藥爆炸作用下向外膨脹破碎的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)性研究；譚多望等[9]研究了球形鎢合金破片在爆轟驅(qū)動(dòng)下的變形和破碎問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)同等配方、工藝和加載條件下，直徑為6mm和7.5mm的破片破碎率為2%～3%，而直徑為8.5mm的破碎率升至45%；王迎春等[10]研究了不同鎢合金殼體在相同爆炸條件下的斷裂形式，并結(jié)合強(qiáng)度因素分析，找出了爆炸條件下鎢合金材料的脆性表征參量。但現(xiàn)有研究對(duì)彈用鎢合金破片在爆轟載荷下的破碎性行為認(rèn)識(shí)仍有欠缺。

鎢合金材料常用的力學(xué)測(cè)試主要包括靜態(tài)抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊韌性、洛氏硬度、靜態(tài)壓潰性能等實(shí)驗(yàn)[11]，但靜態(tài)抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊韌度等實(shí)驗(yàn)由于需要隨爐制備專用的標(biāo)準(zhǔn)樣件，對(duì)鎢合金破片成品而言表征預(yù)測(cè)的代表性和重復(fù)性不足，因此鎢合金破片制品自身能夠?qū)崿F(xiàn)的力學(xué)測(cè)試主要是洛氏硬度和壓潰性能實(shí)驗(yàn)，但無(wú)法全面表征破片的力學(xué)特性，也不足以對(duì)其爆轟驅(qū)動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行預(yù)估。本研究通過(guò)鎢合金破片制品的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以及靜爆實(shí)驗(yàn)后回收破片的金相研究，將靜態(tài)壓潰性能結(jié)合宏觀尺度的高應(yīng)變率條件下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與微觀尺度的金相分析，預(yù)估其在爆轟驅(qū)動(dòng)后的破碎行為。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 鎢合金破片材料制備

鎢合金破片樣品采用93W-Ni-Fe體系，鎢粉、鎳粉和鐵粉按照一定比例混合加入球磨機(jī)，球磨機(jī)材質(zhì)為不銹鋼，球料比(BPR)為2∶1，以80r/min的速度研磨48h。1號(hào)鎢合金破片為真空態(tài)，2號(hào)為燒結(jié)態(tài)，制備完成的鎢合金破片樣品尺寸為6mm×6mm×6mm，單枚破片質(zhì)量約為3.8g，拉伸強(qiáng)度(δ)、沖擊韌性(I)及硬度(Hardness)等基本參數(shù)如表1所示。

表1 鎢合金破片樣品基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of tungsten alloy fragment samples

1.2 靜態(tài)壓潰性能實(shí)驗(yàn)

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 3793A-2018《彈用鎢合金球規(guī)范》[12]，靜態(tài)壓潰性能實(shí)驗(yàn)在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，要求在施加給定值的壓縮載荷條件下破片不出現(xiàn)裂紋，同時(shí)變形率不大于40%。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將兩種破片依次置于試驗(yàn)機(jī)專用夾具上，以5～10mm/min的速度加載，并保壓10s。按照國(guó)軍標(biāo)規(guī)定，破片壓潰載荷取為40kN，實(shí)驗(yàn)后用千分尺測(cè)量試樣高度，按公式(1)計(jì)算兩種破片的變形率：

(1)

式中：δ為試樣的變形率；L0為試樣初始邊長(zhǎng)，mm；L為試樣變形后高度，mm。

1.3 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)在分離式霍普金森壓桿(SHPB)上進(jìn)行，其工作原理是：撞擊桿在高壓氣體驅(qū)動(dòng)下以一定速度撞擊入射桿左端部，在輸入桿中形成直接入射壓縮壓力波，通過(guò)應(yīng)變片記錄應(yīng)變?chǔ)舏，入射波壓縮試樣后產(chǎn)生反射應(yīng)力波以及透射應(yīng)力波，分別通過(guò)應(yīng)變片記錄為εr和εt，最右端吸收桿的作用是吸收透射應(yīng)力波，減少應(yīng)力波多次反射帶來(lái)的誤差。在一維應(yīng)變和應(yīng)力均勻性假設(shè)前提下，可以推導(dǎo)得出試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

1.4 爆轟驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)及金相研究

通過(guò)爆轟驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究爆轟載荷下兩種鎢合金破片材料的力學(xué)響應(yīng)和破碎行為，實(shí)驗(yàn)樣彈破片排布結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩種破片各占180°半圓區(qū)域。爆轟驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)靶場(chǎng)布置如圖3所示，在距離爆心6m處布設(shè)了10mm厚鋼靶板和多層橡膠板回收裝置，鋼靶板用來(lái)評(píng)估破片的穿甲能力，橡膠板回收裝置對(duì)破片進(jìn)行回收后分析其破碎情況。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣彈破片排布結(jié)構(gòu)及靶場(chǎng)布置圖Fig.2 Fragment area distribution and Shooting range layout

同時(shí)，對(duì)原始破片及回收破片進(jìn)行微觀金相分析[13]。在經(jīng)過(guò)基本的切割、鑲嵌、打磨和拋光等標(biāo)準(zhǔn)金相制備程序后，通過(guò)環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察破片材料的原始微觀組織，并結(jié)合基本力學(xué)性能及爆轟驅(qū)動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎢合金破片的靜態(tài)壓潰性能

兩種鎢合金破片壓潰性能實(shí)驗(yàn)后的變形情況如圖3所示。

圖3 壓潰性能測(cè)試結(jié)果Fig.3 Crushing property test results

由圖3可以看出，兩種破片均出現(xiàn)了一定程度的變形，對(duì)其沿加載方向的尺寸進(jìn)行測(cè)量，算得1號(hào)破片平均厚度為4.93mm，變形率為17.83%；2號(hào)破片平均厚度4.82mm，變形率為19.67%，均滿足變形率不大于40%的要求；經(jīng)目視和放大鏡檢測(cè)，兩種破片均未發(fā)生可見(jiàn)裂紋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種破片材料的靜態(tài)壓潰性能無(wú)明顯差異。

2.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析

圖4 兩種破片的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 True stress—strain curves of the two specimens

從圖4可看出，兩種鎢合金破片均表現(xiàn)出了一定的應(yīng)變率效應(yīng)，但在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，兩種材料表現(xiàn)出了完全不同的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，2號(hào)鎢合金破片在應(yīng)力達(dá)到最大值后突然發(fā)生失效，不具有1號(hào)鎢合金破片屈服后產(chǎn)生的應(yīng)變硬化階段。1號(hào)鎢合金破片應(yīng)力—應(yīng)變曲線整體趨勢(shì)與常見(jiàn)金屬材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能趨勢(shì)相符，呈現(xiàn)先彈性段上升，然后出現(xiàn)塑性屈服直至失效的力學(xué)響應(yīng)階段，并且表現(xiàn)出了明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，屈服強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而提高，失效應(yīng)變也明顯增加，屈服強(qiáng)度和失效應(yīng)變隨應(yīng)變率增加情況見(jiàn)表2。

表2 1號(hào)破片的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能Table 2 Dynamic mechanical properties of No.1 fragment

2.3 爆轟驅(qū)動(dòng)能力分析

兩種破片經(jīng)裝藥爆轟驅(qū)動(dòng)后對(duì)6m處10mm厚靶板穿孔照片如圖5所示。

圖5 兩種破片靶板穿孔照片F(xiàn)ig.5 Perforation diagram of target plate for the two fragments

從圖5可以看出，1號(hào)破片在經(jīng)受爆轟載荷驅(qū)動(dòng)后能保持結(jié)構(gòu)的完整性，對(duì)鋼靶板穿透能力強(qiáng)，對(duì)6m處10mm厚靶板總穿孔數(shù)為98，全部為有效穿孔；2號(hào)破片雖然撞擊痕跡明顯增多，但有效穿孔卻有所降低，靶板上有許多未穿透的撞擊和侵徹痕跡，總穿孔數(shù)為125個(gè)，有效穿孔數(shù)為72個(gè)，在爆轟驅(qū)動(dòng)載荷作用下的破碎率為26.5%，破碎的破片無(wú)法形成有效穿孔。

利用多層橡膠板對(duì)部分破片實(shí)現(xiàn)了軟回收，盡量避免回收過(guò)程中產(chǎn)生二次損傷。圖6為回收的鎢合金破片經(jīng)受爆轟載荷后的形貌。

圖6 鎢合金破片回收樣本Fig.6 Recovery samples of the tungsten alloy fragments

從圖6可以看出，1號(hào)破片整體結(jié)構(gòu)完整，除表面出現(xiàn)一些小的裂紋和變形外基本能維持原始形貌，僅在沿爆轟加載方向的表面出現(xiàn)明顯的擠壓變形，但變形量較小。2號(hào)破片則回收到了大量大小不一的破片碎塊，出現(xiàn)了明顯的破碎現(xiàn)象。從碎塊的斷面分析可以看出，高溫高應(yīng)變率的爆轟載荷下破片的斷裂模式較為復(fù)雜，以拉伸破壞為主，同時(shí)伴隨少量的剪切破壞，甚至出現(xiàn)一些碎成殘?jiān)钠破瑝K。

鎢合金破片原始微觀組織圖如圖7所示。經(jīng)受爆轟載荷后兩種破片微觀形貌見(jiàn)圖8。

圖7 鎢合金破片原始微觀組織Fig.7 Original microstructure of the tungsten alloy fragment

圖8 爆轟加載后鎢合金破片微觀組織Fig.8 Microstructure of the tungsten alloy fragments after detonation loading

由圖7可以看出，兩種材料的微觀結(jié)構(gòu)由鎢顆粒以及將其包裹的Ni-Fe-W黏結(jié)相組成，呈現(xiàn)典型的鎢合金雙相結(jié)構(gòu)，1號(hào)破片鎢晶粒尺寸較小，鎢-鎢連接度低，鎢顆粒與黏結(jié)相分布均勻性要好于2號(hào)破片。

從圖8中可以看出，1號(hào)破片鎢顆粒形狀為比較規(guī)則的圓形，大部分鎢顆粒周圍被黏結(jié)相均勻包裹，仍能保持良好的雙相組織，鎢顆粒間未出現(xiàn)明顯空隙；而2號(hào)破片在爆轟載荷作用下，微觀形貌表現(xiàn)為鎢顆粒形狀各異，在合金內(nèi)部的分布不再均勻，呈現(xiàn)局部聚集化，部分鎢顆粒之間出現(xiàn)明顯孔洞，黏結(jié)相與鎢晶粒形成的兩相組織結(jié)構(gòu)被破壞。

從回收后1號(hào)破片的微觀形貌來(lái)看，黏結(jié)相仍能均勻包裹著鎢晶粒，鎢合金內(nèi)部薄弱的鎢-鎢界面數(shù)量較少，對(duì)于爆轟驅(qū)動(dòng)這種具有瞬時(shí)高溫高壓特征的載荷，黏結(jié)相與鎢晶粒良好的結(jié)合界面可以有效地傳遞載荷，同時(shí)黏結(jié)相的塑性變形強(qiáng)化能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鎢晶粒更好的包裹和支撐作用，使得鎢合金結(jié)構(gòu)在爆轟載荷驅(qū)動(dòng)下的完整性得到保證。結(jié)合圖4(a)所示的1號(hào)破片宏觀力學(xué)性能，可以看出該種材料在承受動(dòng)態(tài)載荷時(shí)有明顯的塑性變形階段，與微觀尺度上的黏結(jié)相應(yīng)變硬化相對(duì)應(yīng)，并且隨著應(yīng)變率的增加其強(qiáng)度和韌性也隨之提高，可以合理預(yù)測(cè)1號(hào)破片在爆轟載荷下保持結(jié)構(gòu)完整的能力較強(qiáng)。

而對(duì)于2號(hào)破片，其內(nèi)部晶粒在高應(yīng)變率爆轟載荷加載時(shí)出現(xiàn)不均勻分布，部分區(qū)域聚集大量晶粒而部分區(qū)域形成大量孔隙，使得在晶界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，晶粒與黏結(jié)相的結(jié)合界面被破壞，最終將導(dǎo)致材料從薄弱處瞬間發(fā)生斷裂。與圖4(b)相對(duì)應(yīng)，在宏觀尺度上2號(hào)破片承受爆轟載荷后，由于微觀組織發(fā)生較大的變形，隨之在晶界處產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)力急劇增加，達(dá)到一定程度時(shí)發(fā)生突然斷裂。說(shuō)明因熱處理工藝不同導(dǎo)致的鎢合金兩相微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能差異，會(huì)顯著影響破片在爆轟載荷下的力學(xué)響應(yīng)和破碎行為。

3 結(jié) 論

(1)單一的靜態(tài)壓潰性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法全面預(yù)測(cè)鎢合金破片制品的爆轟驅(qū)動(dòng)完整性，但通過(guò)靜態(tài)壓潰性和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)合可以合理預(yù)估其爆轟加載條件下的破碎行為，動(dòng)態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有塑性強(qiáng)化效應(yīng)的破片爆轟驅(qū)動(dòng)完好率顯著優(yōu)于類似泡沫鋁等具有瞬間破壞行為的破片。

(2)爆轟驅(qū)動(dòng)下完整性好的鎢合金破片應(yīng)力—應(yīng)變曲線表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加而提高，失效應(yīng)變也成倍增加，即高應(yīng)變率載荷條件下鎢合金破片材料的強(qiáng)度、尤其是塑性都表現(xiàn)出了顯著的強(qiáng)化效應(yīng)。

(3)通過(guò)金相分析爆轟驅(qū)動(dòng)后兩種破片的微觀形貌發(fā)現(xiàn)，爆轟驅(qū)動(dòng)后完好的破片鎢顆粒形狀均勻、黏結(jié)相包裹緊密，能承受極高溫和高應(yīng)變率的爆轟載荷；而易碎破片在承受爆轟載荷后鎢顆粒間存在大量孔隙及局部集中化現(xiàn)象，易發(fā)生斷裂行為。