宋超慧,任會(huì)蘭,李 尉,郝 莉
(1. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2. 北京建筑大學(xué)理學(xué)院,北京 100044)
在常態(tài)下,活性材料[1]保持鈍感并具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,能夠承受爆炸加載并保持較好的完整性。在撞擊載荷作用下,活性材料既可以像惰性破片一樣對目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)能毀傷,也可以通過劇烈的化學(xué)反應(yīng)釋放出大量能量來增強(qiáng)毀傷效果。鎢具有高密度、高強(qiáng)度和高韌性特點(diǎn),同時(shí)有較高的熔點(diǎn)和抗氧化抗腐蝕特性,在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,如穿甲彈、預(yù)制破片等。鋁鎢合金結(jié)合了鋁和鎢的特性,是一種輕型結(jié)構(gòu)材料,同時(shí)還是一種活性材料[2]。Al/W 活性破片作為戰(zhàn)斗部的主要?dú)?,在?yīng)對裝甲目標(biāo)時(shí),可以通過增加Al/W 活性材料中的W 含量,使其具有足夠高的強(qiáng)度和密度,以達(dá)到毀傷初期的動(dòng)能侵徹效果;而在應(yīng)對飛機(jī)、來襲導(dǎo)彈和普通車輛等非裝甲目標(biāo)時(shí),則可以通過提高Al 的占比來增大活性材料發(fā)生反應(yīng)后釋放出的化學(xué)能,進(jìn)而增強(qiáng)活性破片的內(nèi)部毀傷效果。因此,開展不同W 含量的Al/W 動(dòng)態(tài)破壞特性研究對新型戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和毀傷性能的提升具有重要的意義。
在Al/W 活性材料力學(xué)性能研究方面,Dunbar 等[2]測試了爆炸固結(jié)的Al/W、Al/Ni、Al/Nb、Al/Ta 和Al/Mo 等含鋁活性合金的動(dòng)態(tài)破壞響應(yīng),發(fā)現(xiàn)Ni、W、Mo、Nb、Ta 等粉末與Al 復(fù)合后爆炸固結(jié)致密物的力學(xué)性能和破壞模式取決于不連續(xù)相與連續(xù)相界面的強(qiáng)度和連續(xù)相的組成。Olney 等[3]對 Al/W 材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn),研究表明,Al 顆粒間的黏結(jié)、孔隙率、Al 和W 的顆粒尺寸、W 顆粒的排列以及各顆粒的力學(xué)性能均對材料的整體變形行為有重要影響,材料內(nèi)的局部剪切主要是由軟質(zhì) Al 顆粒局部大變形引起的局部損傷加劇以及微觀剪切帶裂紋的生長所致。Chiu 等[4]測試了孔隙率、W 顆粒形態(tài)(粗細(xì)不同)以及W 絲對 Al/W 材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。2014 年,中北大學(xué)Guo 等[5]對Al/W 合金進(jìn)行了不同溫度和應(yīng)變率下的壓縮實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高或應(yīng)變率降低,材料的流動(dòng)應(yīng)力持續(xù)降低。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),他們構(gòu)建了 Al/W 合金的 Arrhenius 本構(gòu)方程,很好地描述了高溫下材料的變形行為。在Al/W 活性材料反應(yīng)行為方面,美國德克薩斯 A&M 大學(xué)的Hunt 等[6]對Al/Ti、Al/Ni、Al/W、Al/Hf、Al/Zn、Al/MnO3、Al/PTFE 等多種活性材料進(jìn)行了激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)和撞擊點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)鋁粒徑由微米尺度降低到納米尺度時(shí),點(diǎn)火所需能量降低了3 個(gè)數(shù)量級。然而,撞擊點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)鋁粒徑由微米尺度降低到納米尺度時(shí),點(diǎn)火所需能量的下降幅度相對較小。材料的感度和堆密度呈正相關(guān)性。在堆密度相同的情況下,材料內(nèi)組分的密度越大,材料的感度越高,如Al/W 活性材料點(diǎn)火所需的能量較Al/Ti 低80%。Tucker[7]則采用7.62 mm 彈道槍細(xì)致地研究了Al/Ta、Al/Ni 和Al/W 的撞擊點(diǎn)火特性,結(jié)果表明,這3 種材料均可以在空氣中發(fā)生反應(yīng),但只有Al/Ta 和Al/W 能夠在真空中發(fā)生反應(yīng)(厭氧的金屬間化合反應(yīng)),且 Al/Ta 具有最高的感度。
自1949 年Kolsky 提出分離式霍普金森壓桿(SHPB)以來,該實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到了長足的發(fā)展,已經(jīng)成為測量材料在高應(yīng)變率下力學(xué)行為的經(jīng)典手段。傳統(tǒng)的SHPB 中,入射波都帶有陡峭的上升沿和高頻振蕩。脆性材料的破壞應(yīng)變很小,SHPB 實(shí)驗(yàn)中試件受到?jīng)_擊載荷后,往往還未達(dá)到動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡便發(fā)生失效破壞[8]。因此,研究人員采用波形整形器,通過延長入射波上升沿時(shí)間使試件在SHPB 實(shí)驗(yàn)中有足夠長的時(shí)間在失效破壞之前達(dá)到動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡。波形整形技術(shù)就是在入射桿靠近子彈的一端貼一個(gè)軟材料,軟材料吸收入射波的高頻振蕩并且延長入射波上升沿時(shí)間,使入射波由方波變?yōu)樘菪尾╗9]或者鐘形波[8],實(shí)驗(yàn)中常用的整形器材料有紫銅[10]、黃銅[11]、橡膠[12]、鐵片[13]、黃銅和硅橡膠的組合[14]等。為了延長上升沿時(shí)間和實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率加載,研究者們使用了不同類型的波形整形技術(shù),比如:在入射桿前端面貼小圓片、在入射桿前端設(shè)置預(yù)加載桿和試件[15]、雙試件SHPB 方法[16]、異形子彈[16]等。
本研究將通過模壓燒結(jié)法制備W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為44%、64%、83%和91%的Al/W 材料,采用SHPB 實(shí)驗(yàn)技術(shù)和波形整形技術(shù),通過Al/W 活性材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,研究Al/W 活性材料的動(dòng)態(tài)變形和破壞特性,分析W 含量、加載應(yīng)變率對Al/W 材料強(qiáng)度和失效破壞的影響規(guī)律。
試件通過模壓燒結(jié)方法制得[17]。制備試件的原材料為鎢粉(平均粒徑3 μm)和鋁粉(平均粒徑為10 μm),其中鎢粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 44%、64%、83%和91%。首先,將鎢粉和鋁粉通過濕法混合的方式混合均勻;然后,采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模壓成型,成型壓強(qiáng)為250 MPa;隨后,將冷壓成型的粉體置于熱壓爐中,在氬氣氣氛的保護(hù)下燒結(jié),燒結(jié)溫度為500 ℃;最后,經(jīng)線切割得到尺寸為 ?5 mm×35 mm 的試件,如圖1 所示。試件材料參數(shù)見表1,AW-44、AW-64、AW-83、AW-91 分別代表W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44%、64%、83%、91% 的Al/W 試件。
圖1 Al/W 試樣Fig. 1 Al/W samples
表1 Al/W 試件相關(guān)參數(shù)Table 1 Al/W specimen parameters
采用掃描電子顯微鏡(型號:Hitachi S-4800)對Al/W 試件進(jìn)行觀察,圖2 為Al/W 材料放大1 000 倍的微觀圖像。如圖2(a)所示,AW-44 表面較為光滑,Al 基體很好地包裹住W 顆粒,材料中的缺陷和孔隙較少。說明在試件模壓成型過程中,250 MPa 的成型壓力可以使Al 顆粒產(chǎn)生較大變形,由于材料中Al 的體積分?jǐn)?shù)較大,變形的Al 顆??梢猿浞痔畛浠钚圆牧现写嬖诘目锥慈毕荩珹W-44 材料的孔隙率為12.5%。圖2(b)和圖2(c)分別為AW-64 和AW-83 的微觀形貌,可以看到,W 含量明顯增加,且孔洞的數(shù)量增多,孔洞尺寸增大。這是由于當(dāng)Al 的體積分?jǐn)?shù)減小時(shí),無論是在壓制還是燒結(jié)的過程中,Al 顆粒都不能很好地包裹住較硬的鎢顆粒,致使材料中孔洞缺陷增多且存在大量鎢顆粒直接接觸的情況。在這種情況下,雖然材料的力學(xué)性能會(huì)隨W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而加強(qiáng),但是當(dāng)鎢顆粒過多時(shí),材料的變形能力會(huì)被弱化。如圖2(d)所示,當(dāng)試件中W 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)91%時(shí),材料的孔隙率顯著提高,可達(dá)32.9%。AW-91 材料表面的光滑性和平整性明顯較低,大量的W 顆粒堆疊于試件表面,這些顆粒分布松散且裸露在外,未能與Al 基體有效地結(jié)合,在這種情況下,材料的強(qiáng)度和模量等力學(xué)性能將會(huì)被削弱。
圖2 Al/W 活性材料的微觀形貌Fig. 2 Micrographs of Al/W materials with different W additions
實(shí)現(xiàn)SHPB 實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)基本假定:一維假定和均勻性假定。SHPB 實(shí)驗(yàn)的一維假定可以通過SHPB 實(shí)驗(yàn)裝置和試件的形狀來實(shí)現(xiàn),因此SHPB 實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)取決于試件能否達(dá)到應(yīng)力均勻。
SHPB 實(shí)驗(yàn)中試件內(nèi)部的動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡通常通過比較試件前后端面的力得到[18],當(dāng)試件為圓柱體時(shí),可以比較前后兩個(gè)端面的應(yīng)力。當(dāng)試件前后端面的應(yīng)力相差很小時(shí),可以認(rèn)為試件內(nèi)部的應(yīng)力處于近似均勻狀態(tài)。試件前后端面的應(yīng)力為
式中: σ1和 σ2分別為試件與入射桿及透射桿交界處兩個(gè)端面的應(yīng)力,E為波導(dǎo)桿的彈性模量, εI、 εR、εT分別為應(yīng)變片測得的入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變。 β表征試件前后兩個(gè)端面應(yīng)力的相對差距,β越接近于1,試件前后的應(yīng)力相對差距越小。
材料的應(yīng)力、應(yīng)變通過入射桿和透射桿表面的應(yīng)變片采集信號推導(dǎo)得到
式中: εs、 σs和 ε˙s分別為試件的應(yīng)變、應(yīng)力和應(yīng)變率,C和A分別為波導(dǎo)桿的彈性波波速和初始橫截面面積,As和ls分別為試件的初始橫截面面積和高度。根據(jù)式(3),當(dāng) εR為常數(shù)時(shí),應(yīng)變率為常數(shù),即試件受到恒應(yīng)變率加載,通常表現(xiàn)為其反射波信號中有一個(gè)穩(wěn)定的平臺期。
如圖3 所示,本研究使用 ?14.5 mm SHPB 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)??紤]到波導(dǎo)桿與Al/W 試件波阻抗匹配問題,選用的子彈、波導(dǎo)桿材料均為鋁。
圖3 SHPB 系統(tǒng)Fig. 3 SHPB system
在SHPB 實(shí)驗(yàn)過程中采用波形整形技術(shù),圖4 為撞擊桿以11.5 m/s 速度撞擊不同整形器情況下產(chǎn)生的入射波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:使用紫銅整形器可使入射波的上升沿時(shí)間延長1.5 倍,而使用橡膠整形器可使入射波的上升沿時(shí)間延長7.4 倍。
圖4 不同整形器產(chǎn)生的入射波Fig. 4 Incident waves generated by different pulse shapers
采用 ?8 mm×0.4 mm 紫銅整形器,對AW-44、AW-64、AW-83 和AW-91 進(jìn)行應(yīng)變率約為1 750 s?1的SHPB 實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖5 所示。采用紫銅整形器對AW-44、AW-64、AW-83 進(jìn)行SHPB 實(shí)驗(yàn)時(shí),反射波都有穩(wěn)定的平臺,即試件實(shí)現(xiàn)了恒應(yīng)變率加載。應(yīng)力波在AW-44、AW-64、AW-83 內(nèi)部傳播幾個(gè)來回以后, β值趨于1,說明試件前后兩個(gè)端面的應(yīng)力已經(jīng)基本相同,試件內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到均勻。但AW-91 在動(dòng)態(tài)加載的整個(gè)階段, β值始終沒有穩(wěn)定在1 附近。因此,以紫銅材料作為整形器對AW-91 進(jìn)行的SHPB 實(shí)驗(yàn),其結(jié)果的有效性值得商榷。究其原因是AW-91 材料中W 的含量過高, Al 基體無法很好地包裹較硬的W 顆粒,致使材料中W 顆粒之間的結(jié)合程度減弱并且存在大量的缺陷。在SHPB 實(shí)驗(yàn)中,AW-91 內(nèi)部的應(yīng)力還未達(dá)到均勻,較高的應(yīng)力波在AW-91 內(nèi)部來回傳播的過程中就已經(jīng)使材料內(nèi)部發(fā)生孔洞崩塌、裂紋擴(kuò)展和顆粒脫粘等破壞。鑒于此,可以調(diào)整整形器的材料和尺寸,使得在入射應(yīng)力波較小時(shí)試件就達(dá)到動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡。
圖5 紫銅整形器對不同配比的Al/W 試件應(yīng)力均勻性和加載應(yīng)變率的影響Fig. 5 Effect of copper pulse shapers on the stress uniformity and loading strain rate of specimens with different Al/W ratios
針對紫銅整形器無法實(shí)現(xiàn)AW-91 在動(dòng)態(tài)加載中的應(yīng)力均勻問題,采用 ?9 mm×1 mm 橡膠整形器對AW-91 進(jìn)行沖擊加載,結(jié)果如圖6 所示。相較于紫銅整形器,使用橡膠整形器產(chǎn)生的入射波上升沿時(shí)間大幅變長,使得AW-91 有充足的時(shí)間在應(yīng)力較小、試件內(nèi)部發(fā)生破壞之前達(dá)到動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡。如圖6 所示,相較于紫銅整形器,使用橡膠整形器時(shí) β值在有效加載階段一直穩(wěn)定在1 附近,AW-91 在動(dòng)態(tài)加載階段實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力均勻。然而,AW-91 在有效加載階段,其反射波一直沒有穩(wěn)定的平臺,即AW-91 沒有實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率加載。
圖6 使用橡膠整形器的SHPB 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 SHPB experiment results using rubber pulse shaper
基于以上SHPB 實(shí)驗(yàn)過程中針對不同配比Al/W 材料使用不同整形器的分析結(jié)果,采用紫銅整形器對AW-44、AW-64、AW-83 進(jìn)行SHPB 實(shí)驗(yàn),采用尺寸為 ?9 mm×1 mm 的橡膠整形器對AW-91 進(jìn)行SHPB 實(shí)驗(yàn)。
2.4.1 W 含量對Al/W 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響
對不同配比的Al/W 試件進(jìn)行應(yīng)變率約為1 750 s?1的動(dòng)態(tài)加載,Al/W 材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖7,動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能相關(guān)參數(shù)見表2。AW-44、AW-64 和AW-83 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為兩個(gè)階段,即彈性階段和塑性階段。在彈性應(yīng)變較小階段,隨著W 含量增大,AW-44、AW-64的力學(xué)性能逐漸提高,體現(xiàn)了W 顆粒的增強(qiáng)效應(yīng),然而隨著W 含量的繼續(xù)增大,AW-83 的力學(xué)性能反而降低。應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后,試件進(jìn)入塑性變形階段。在塑性階段,AW-44 和AW-64 均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性,而AW-83 則表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性。如圖7 所示,當(dāng)AW-91 的應(yīng)變達(dá)到0.044,應(yīng)力突然下降,說明AW-91 發(fā)生失效破壞。AW-91的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由彈性階段直接到失效破壞階段,說明當(dāng)W 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到91%時(shí),Al/W 材料在動(dòng)態(tài)加載下呈現(xiàn)脆性破壞特點(diǎn)。
圖7 Al/W 材料的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig. 7 Dynamic true stress-true strain curves of Al/W
表2 不同配比Al/W 試件的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能Table 2 Dynamic compression mechanical properties of Al/W with different W additions
SHPB 實(shí)驗(yàn)后 Al/W 試件的變形情況如圖8 所示。結(jié)合圖2 中Al/W 試件微觀圖像分析:(1) AW-44和 AW-64 中 Al 的含量比較高,燒結(jié)過程中熔融態(tài)的 Al 基體能夠完整地包裹住增強(qiáng)相 W,使材料的孔隙率降低,保證了材料的強(qiáng)度和延展性,沖擊加載后AW-44 和AW-64 試件僅發(fā)生鐓粗;(2) 隨著W 含量的繼續(xù)增大,基體Al 的含量下降,在燒結(jié)和壓制過程中,大量W 顆粒并沒有被Al 基體完全包裹,顆粒之間的結(jié)合程度降低,使得Al/W材料的孔隙率增大、缺陷增多,由此導(dǎo)致沖擊加載后AW-83 和AW-91 試件發(fā)生了整體破碎。
圖8 SHPB 實(shí)驗(yàn)后 Al/W 試件的破壞情況Fig. 8 Deformation of Al/W specimens after SHPB tests
綜上所述,Al/W 材料的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能隨著W 含量的提高呈先增強(qiáng)后減弱趨勢。分析認(rèn)為,這種現(xiàn)象是Al/W 材料增強(qiáng)相W 和內(nèi)部缺陷相互競爭的結(jié)果。當(dāng)增強(qiáng)相W 的含量較少時(shí),Al 基體可以很好地包裹住W 顆粒,材料內(nèi)部的缺陷較少,在動(dòng)態(tài)加載中,增強(qiáng)相W 通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)化Al/W 材料,此時(shí)材料性能由增強(qiáng)相W 起主導(dǎo)作用;而隨著W 含量增大,基體Al 不能充分包裹住W 顆粒,Al/W 內(nèi)部的孔洞、微裂紋及顆粒結(jié)合度差等因素導(dǎo)致的缺陷逐漸增多,此時(shí)材料性能由缺陷起主導(dǎo)作用,材料的強(qiáng)度降低。
2.4.2 應(yīng)變率對Al/W 力學(xué)性能的影響
圖9 為不同加載應(yīng)變率下Al/W 材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在相同長度的脈沖加載下,AW-44、AW-64 和AW-83 的變形越大。AW-44 和AW-64 在塑性階段均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性。在試驗(yàn)的應(yīng)變率范圍內(nèi),AW-44 和AW-64 的屈服強(qiáng)度和硬化模量未呈現(xiàn)出明顯變化。由圖9(c)可見,隨著應(yīng)變率的提高,AW-83 的彈性階段力學(xué)性能提高。在不同加載應(yīng)變率下,AW-83 的塑性階段均表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性。當(dāng)加載應(yīng)變率達(dá)到2 132 s?1時(shí),AW-83 在塑性階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線振蕩比較嚴(yán)重,這是因?yàn)檩^高應(yīng)變率的脈沖使AW-83 試件內(nèi)部開始出現(xiàn)破壞。如圖9(d)所示,AW-91 的失效應(yīng)力隨著加載應(yīng)變率的提高逐漸增大,但失效應(yīng)變并沒有隨著應(yīng)變率的提高而明顯變化。
圖9 不同應(yīng)變率下Al/W 壓縮的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 9 Al/W dynamic true stress-strain curves under different strain rates
(1) 采用模壓燒結(jié)工藝制備得到了4 種配比的Al/W 材料,隨著W 含量的提高,Al/W 材料的密度和孔隙率都增大。掃描電鏡結(jié)果顯示,Al/W 材料中的缺陷會(huì)隨著W 含量的提高而明顯增多。
(2) 針對不同配比Al/W 試件的不同力學(xué)性能,通過調(diào)整波形整形器的材料和尺寸來調(diào)整入射波波形,滿足了Al/W 試件在SHPB 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力均勻性假定,其中W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44%、64% 和83% 的Al/W 試件在SHPB 實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了恒應(yīng)變率加載,獲得了更為有效的材料動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
(3) 在應(yīng)變率約為1 750 s?1的沖擊載荷下,W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44%、64%的Al/W 材料的塑性階段表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性,W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83%的Al/W 材料的塑性階段表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性,當(dāng)W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91%時(shí),Al/W 試件在經(jīng)歷彈性變形后迅速失效,Al/W 材料呈現(xiàn)出脆性破壞特點(diǎn)。隨著W 含量的增大,Al/W 材料的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能呈先增后減趨勢,這是Al/W 材料內(nèi)部缺陷和增強(qiáng)相W 相互競爭的結(jié)果。
(4) 在不同加載應(yīng)變率下,W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44%和64%的Al/W 材料塑性階段表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性,而W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83%的Al/W 材料塑性階段則表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性,W 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91%的Al/W 材料失效應(yīng)變不會(huì)隨著應(yīng)變率的提高而明顯變化。