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某船体钢弹板侵彻行为研究

孙兵兵  
【摘要】: 本文以某船用钢为研究对象,运用弹板侵彻试验及显微硬度、金相显微镜和SEM等分析测试手段,研究了靶材在侵彻过程的物理变化和损伤规律,从而对尖头弹和钝头弹侵彻船体钢的物理过程有了较全面的了解。 研究结果表明,对于尖头弹侵彻,靶材发生塑性扩孔型破坏和背部花瓣型破坏。弹体的侵彻过程与压入法测硬度相似。靶内应力状态为三向压应力,只要弹头保持完整,三向压应力状态就会得以维持,靶板就会持续变形下去。本实验中,弹体头部都保持完好,弹体可被视为刚性弹。因而该情况下,靶板发生扩孔型破坏。侵彻机理为延性侵彻。 对于钝头弹侵彻,靶板的破损形式和侵彻机理,随弹速的变化而不同。当弹速处于亚弹速范围时,弹头都保持了完好,此时弹体也视为刚性弹。在刚性钝头弹侵彻下,侵彻过程类似于金属穿孔挤压工艺。靶材先是出现沿侵彻方向的剪切变形,当变形达到一定深度后,弹体前方的材料与靶材发生剪切断裂。靶材发生冲塞型破坏侵彻机理为剪切型侵彻或冲孔型侵彻。当弹速达到常规弹速后,弹体发生粉碎性破坏,此时侵彻过程类似于长杆弹侵彻,侵彻过程可分为开坑阶段、定常侵彻阶段和剪切冲塞阶段。靶材发生侵蚀破坏和冲塞型破坏。 采用弹道极限的陆军标准及两射弹道极限确定法,试验确定了该试验条件下的弹道极限,见下表。结果表明,不论是尖头弹侵彻还是钝头弹侵彻,这两个板厚的船体钢的弹道极限均未超过常规弹速范围,一般的枪炮可轻易达到这一范围,因此从这个意义上说,这两个板厚的船体钢的抗侵能力不是很理想。 在分析已有模型的基础上,建立了一个新的尖头弹侵彻延性材料时,靶材的塑性功表达式,即 哈尔滨工程大学硕士学位论文 利用上式计算尖头弹侵彻时的弹道极限,结果吻合较好。 尖头弹侵彻下,材料发生压缩变形。弹孔侧壁硬度的径向分布近似符合 负指数规律,即在紧邻侧壁处,材料因剧烈变形而强化,随到侧壁距离的增 加,硬度值降低,直至降到基体材料硬度水平。侧壁边缘硬度随弹速的升高 而增加,且近似符合线性规律。侵彻过程可视为绝热过程,但绝热温升不显 著,材料依然表现为强化。 钝头弹侵彻下,侧壁材料发生轴向剪切变形,同时,弹体前方的材料发 生压缩变形,压缩变形首先在靶板背表面开始,而后自背表面向靶内传播。 侧壁硬度的径向分布也符合负指数规律。在亚弹速范围内,侧壁边缘硬度随 着弹速的升高而降低,当弹速达到常规弹速后,硬度又升高。钝头弹侵彻也 可视为绝热过程。在亚弹速范围内,侧壁变形累积严重,热影响显著;当弹 速达到常规弹速后,靶材快速损伤并断裂,从而抑制了变形的积累和温升效 应,因而弹孔侧壁硬度又升高。 应力状态不同,绝热效应的影响不同。绝热效应对剪切状态影响较大, 而对压缩状态影响较小。 尖头弹侵彻下,微观损伤的形式为微裂纹和微孔洞;钝头弹侵彻下,微 观损伤的形式为绝热剪切带、微裂纹和微孔洞。除绝热剪切外,裂纹和孔洞 均属于延性损伤,以夹杂物、轧制偏析带、晶界和脆硬的珠光体相等材料薄 弱处为核心形成,并按微孔聚集型机制发展。 尖头弹侵彻下,弹孔的形成完全是靶材塑性变形的结果,微观损伤并未 造成材料的破碎、断裂,因而对弹孔的形成作用不大。而钝头弹侵彻下,损 伤造成了材料的破碎、剥离和断裂,直接导致了弹孔的形成。因而从防止破 坏的角度出发,尖头弹侵彻条件下应主要防止材料的过渡塑性变形,而钝头 弹侵彻条件下要防止材料的动态断裂。 靶厚对侵彻过程的影响主要表现在两个方面:弹孔孔径和弹道极限。靶 厚增加,弹孔孔径增大,弹道极限也升高。对于侵彻机制和破坏方式而言, 两者并无本质上的差别。 尖头弹侵彻条件下,靶板硬度增加,靶材的破坏形式将由塑性口孔破坏 向冲塞型破坏转变,侵彻机理由延性侵彻向剪切型侵彻转变。延性侵彻所需 要的能量近似与矾成正比,而剪切侵彻所需要的能量近似与几斤成正比。 由此可通过调整弹径与靶厚的比值及靶板的硬度,实现破坏方式及侵彻机理 的转变,从而可以对靶材的抗侵能力实现一定的控制。对于本试验而言,八肋 LP W 哈尔滨工程大学硕士学位论文 tl,延性侵彻所需能量小于剪切侵彻所需的能量,因此通过提高靶板的硬度, 使破坏形式由塑性扩孔破坏向冲塞破坏转变,侵彻机理由延性侵彻向剪切侵 彻转变,这样侵彻所需的能量提高,从而靶板的抗侵彻能力也提高。


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