桿式穿甲彈侵徹靶板時彈坑表面熔化快凝層研究

羅榮梅，黃德武，楊明川，黃海，李馥穎

（1.南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇南京210094；2.沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧沈陽110168；3.沈陽理工大學藝術設計學院，遼寧沈陽110168）

桿式穿甲彈侵徹靶板時彈坑表面熔化快凝層研究

羅榮梅1，2，黃德武2，楊明川2，黃海3，李馥穎3

（1.南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇南京210094；2.沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧沈陽110168；3.沈陽理工大學藝術設計學院，遼寧沈陽110168）

鎢合金桿式穿甲彈高速侵徹裝甲靶板時，在彈孔表面會產生很薄的“熔化快凝層”。為了進一步研究熔化快凝層的形貌特征和形成機理，對小口徑鎢合金桿式穿甲彈垂直侵徹30CrMnMo裝甲鋼板產生的彈坑表面，進行了掃描電鏡觀察及能譜分析，并利用LS-DYNA對彈、靶作用區(qū)的溫度場進行數值模擬。結果表明：熔化快凝層的成分包含彈芯材料W、Ni、Fe和靶板材料Fe、Cr、Mn.其中鎢在熔化快凝層中以兩種晶粒形式存在，較大的呈扁狀細長形，長度為幾個到幾十個微米；較小的呈球狀彌散分布在基體內，直徑為100～400 nm.還發(fā)現桿式彈芯頭部的質量消耗是以“溶解破碎”形式發(fā)生。對“熔化快凝層”的研究可為深入分析鎢合金桿式彈穿甲機理提供依據。

兵器科學與技術；穿甲侵徹；彈、靶作用區(qū)域；溶解破碎質量消耗；熔化快凝層

0 引言

鎢合金桿式穿甲彈長細比一般都大于10，當桿式彈以高達800～1 500 m/s的速度侵徹鋼板時，彈、靶接觸壓力達十幾個吉帕，甚至更高。其接觸處彈、靶材料出現劇烈的塑性變形、斷裂、破碎，并導致溫度急劇升高，穿甲彈的動能轉化為材料內的熱能和破碎功［1-5］。侵徹過程瞬間完成，約幾十微秒，彈、靶接觸處產生的大量熱量來不及消散，可視為絕熱過程，能使其局部溫度急劇升高，可達1 500℃以上，導致彈、靶接觸處薄層內的金屬快速熔化和破碎［6-10］。當侵徹過程瞬間完成后，局部熔化的金屬又迅速冷卻，在彈坑或彈孔表面形成厚薄不均的一個薄層，一般為幾十個微米以下。外觀上銀白色，具有金屬光澤，且凹凸不平，有些部位還有黑色斑痕和細小顆粒出現，有明顯熔化后再凝固的特征，可稱為熔化快凝層。該層由不同組分和不同材料構成的相組成［11-13］，圖1是某次30 mm穿甲彈試驗彈坑剖面形貌。坑內金屬光澤因銹蝕已經成黑色，但明顯可見表面高低不平，入口處有翻唇，彈孔發(fā)生局部彎曲。還可以從圖1中看到，彈坑邊緣處有一層薄薄的較白色亮帶，即為熔化快凝層。

圖1 某彈坑剖面形貌Fig.1 Cross-sectional morphology of a crater

Gerlach［9］觀察到在靶板內嵌入殘余彈體的彈坑表面形成了由鎢彈體細小碎塊和靶板材料構成的熔化快凝層，其厚度達30 μm.Senthil等［10］對不同熱處理的3種靶板做穿甲侵徹，均在彈、靶接觸處發(fā)現彈芯和靶板細小碎塊形成的混合物，并認為這是劇烈的塑性變形、摩擦、溫度升高而發(fā)生摩擦焊導致的現象。文獻［13-15］用鎢合金桿式彈侵徹45#鋼靶板和30CrMnMo鋼靶板，觀察彈孔半徑方向臨近區(qū)域靶板微結構，結果表明絕大部分穿孔表面被一層熔化快凝物覆蓋，該層厚度約15 μm，且經硝酸酒精腐蝕時未顯示組織特征。其成分由彈丸碎片、尾翼和侵徹中熔化的靶板材料構成，因此將其定義為熔化快凝層。叢美華等［16］，李金泉等［17-18］對30CrMnMo靶板穿甲彈孔微觀結構進行觀察，發(fā)現穿孔表面大部分被熔化快凝物覆蓋，能譜分析也表明熔化快凝物組分包括彈、靶及尾翼材料。

以上表明已觀測到鎢合金桿式彈侵徹靶板后熔化快凝層的存在，并對它的作用和形成機理做了一定分析。但有些分析顯得粗淺和不夠深入，如對熔化快凝層為何凹凸不平，還有對在其內發(fā)現的細微鎢顆粒的存在原因和作用沒有給出進一步解釋。彈孔和彈坑表面熔化快凝層是彈、靶兩種材料在高速沖擊下相互作用的結果，對它們產生的機理和對穿甲過程的影響還有待進一步分析，特別是從材料金相變化和成分分析等方面應進行更深入研究。本文對小口徑鎢合金桿式穿甲彈垂直侵徹裝甲鋼板后，彈坑表面的熔化快凝層進行掃描電鏡（SEM）觀測及能譜分析。侵徹瞬間高溫無法測量，高溫是熔化快凝層產生的溫度條件。本文用LS-DYNA模擬了彈、靶高速沖擊時產生的溫度場，以對熔化快凝層的分析進行補充。

圖2 37 mm鎢合金穿甲彈Fig.2 37 mm tungsten alloy projectile

1 靶場穿甲試驗

為了深入研究彈坑表面熔化快凝層的成因和特征，需結合穿甲試驗進行［19-21］。圖2是使用海37滑膛彈道炮發(fā)射的鎢合金穿甲彈，圖1中給出藥筒和組合彈芯兩部分。

圖3是組合彈芯的拆分:3個鋁制卡瓣、塑料底托和帶鋁尾翼的桿式彈。彈芯直徑為8 mm，彈長88 mm，長徑比為11.彈芯材料為95W合金，桿式彈垂直侵徹30CrMnMo裝甲靶板，靶板尺寸為400 mm× 500 mm×50 mm［20］。本次試驗發(fā)射14發(fā)鎢合金彈，部分穿透，部分嵌入。對穿透彈孔熔化快凝層形貌觀測和分析已進行過［16-17］，靶板上的穿透彈孔是由彈坑逐步延伸和擴展，最后沖塞形成。盡管穿透彈孔和靶板彈坑表面形貌有很多共性，但對彈坑熔化快凝層研究更有意義，特別是在彈坑底部，即彈、靶直接作用處，對其微觀組織觀測和研究可用來揭示高速侵徹時彈坑的延伸推進和彈芯質量銷蝕過程。為了觀察彈坑表面熔化快凝層特征，對發(fā)生嵌入的3號彈芯和5號彈芯及靶板彈坑表面進行分析，3號彈和5號彈著靶速度分別為804.9 m/s和852.9 m/s.用DK7750線切割機切出包含有彈坑的靶板試樣，將試樣3號和5號沿彈孔軸向切開，經研磨、拋光、腐蝕后，制成電鏡觀測剖面。然后在S-3400N和SSX-550掃描電鏡下觀察彈坑熔化快凝層微觀組織并進行能譜分析。

圖3 彈芯和彈托結構Fig.3 Projectile core and sabot

圖4是5號殘余彈體及其彈坑剖面形貌，殘余彈體因侵徹中的質量消耗已縮短至約17 mm，僅是原來的1/5，其頭部外觀呈“蘑菇頭”狀，彈孔入口處有明顯的翻唇。圖5（a）、圖5（b）是3號彈坑的剖面形貌。3號彈著靶速度比5號彈低5.9%，因此彈坑較淺，并且彈坑底部直徑增大明顯，形狀呈半球形。由放大的圖5（b）容易看到，彈坑表面黑白顏色不均，凹凸不平。

圖4 5號彈彈坑剖面宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of 5#crater

圖5 3號彈坑Fig.5 3#crater

2 觀測結果與分析

2.1 熔化快凝層成分分析

熔化快凝層的主要特點是沿坑壁厚薄不均，凹凸不平，具有金屬光澤且成分各異。為了進一步確定其微觀組織結構及成分，需進行微、細觀觀察和測量。在圖4中取彈坑剖面的A點處進行電鏡掃描，該點可認為是穿甲侵徹過程中的穩(wěn)定侵徹階段（一般侵徹過程分為開坑、穩(wěn)定侵徹、沖塞3個階段）。圖6是其SEM照片。SEM照片分兩種:背反射和二次電子照片，圖6是背反射。從圖6中可見該處熔化快凝層厚約7 μm，顏色灰白，內部零星分布一些細小的白色顆粒，經能譜分析為鎢。熔化快凝層以內，較深顏色部分是靶板基體，二者界面較清晰。圖4中A點是處于彈坑穩(wěn)定侵徹階段，熔化快凝層局部厚度較均勻，若是侵徹過程的開坑和坑底階段，則熔化快凝層的厚度就有較大差異。

圖6 圖4中A點SEM照片（放大2 000倍）Fig.6 SEM micrographs of area A in Fig.4（×2 000）

對圖6中D、E、F（三點連線垂直侵徹方向）三點進行能譜分析，D點距離坑壁最外層2 μm，處于熔化快凝層內；E點距離7 μm，處在熔化快凝層邊緣處；F點距離12 μm，是靶板基體內部。D、E、F三點的能譜圖分別是圖7（a）、圖7（b）、圖7（c），D、E、F三點組分質量百分比見表1.從表1中可以看出這三點成分各異，在熔化快凝層內的D點，其W含量為28.20%，遠低于95 W彈芯W的含量；Fe為60.22%，這些Fe大部分來源于靶板，另外部分來自彈芯材料粘接相中的Fe；Ni為8.44%；Cr為1.77%；Mn為1.37%。D點成分意味著熔化快凝層內材料由彈芯和靶板兩部分構成，同理E點也是由二者構成，但W的含量較前者少，而Fe的含量較前者多。F點則完全沒有W、Ni，只有靶板成分，另外三點都檢測到Cr、Mn等。靶板材料是一種合金鋼，Cr、Mn、Mo等是構成靶板合金鋼不可缺少的微量元素。

圖7 圖6中D、E、F三點能譜圖Fig.7 EDX micrographs of D，E and F in Fig.6

表1 圖6中三點能譜分析質量百分比Tab.1 EDX spectra for D，E and F in Fig.6

2.2 殘余彈體頭部表面層鎢晶粒的溶解與破碎

桿式穿甲彈一般由高密度鎢合金制造，其主要成分是W、Ni、Fe，鎢含量一般在90%以上。為了改善其穿甲性能，還可添加其他微量元素，它是采用粉末冶金方法制備的［22-25］。圖8是其微觀組織圖，其中高熔點鎢相以晶粒出現，熔點3 410℃，晶粒大小約40～50 μm.而晶粒間的相，圖中黑色，是由Ni、Fe這兩種無限互溶元素構成的粘結相，其熔點1 500℃左右［26-27］。粉末冶金燒結爐的溫度一般控制在1 550℃以內，燒結時Ni-Fe粘結相會變?yōu)橐合?，鎢仍為固相。但它在液相中有一定的溶解度，這有利于改善液相對固相的濕潤性，還會使鎢晶粒消除棱角，近似圓球形，較均勻地被粘結相包圍，同時也使液相量增加，固相也可以借助于液相進行物質遷移，改善相分布的均勻性。由圖4可見，桿式彈芯在高速侵徹靶板時，彈芯質量有很大消耗，其頭部產生了明顯的塑性變形，呈蘑菇頭狀。為研究殘余彈體頭部的變形規(guī)律，取出圖4中的殘余彈體進行電鏡掃描，其低倍數的SEM照片如圖9所示［21］。對圖9中A、B、C、D四點再進行電鏡掃描，A、B處于蘑菇蓋上，而C、D處于蘑菇柄上。這些點的SEM照片分別為圖10（a）、圖10（b）、圖10（c）、圖10（d）［21］。由圖10可見:A處晶粒塑性變形最大，長80 μm，寬12 μm，長細比為7；其次是B處，長約64 μm，寬約16 μm，長細比約4；C處再次之；而D處變形最小，晶粒塑性變形不明顯，約40 μm，為等軸晶，與彈芯侵徹前的晶粒尺寸變化不大。這說明穿甲過程中殘余彈芯的變形和質量消耗主要發(fā)生在頭部區(qū)域內，或說是發(fā)生在蘑菇蓋上。其中D部位處于蘑菇柄上，這個柄的直徑略大于彈芯直徑。體現了塑性變形的局部化效應。

圖8 95W合金微觀組織（放大600倍）Fig.8 Microstructure of 95 W（×600）

由圖4，隨著穿甲侵徹的進行，彈芯質量不斷消耗，殘余彈體的動能逐漸減少。如果彈芯質量全部耗盡，穿甲過程自然結束。也還有另一種情況，彈芯質量沒有耗盡，殘余彈體的動能已耗盡，殘余彈體就會鑲嵌殘留在彈孔內。最好情況是彈芯質量沒耗盡，殘余彈體動能也沒耗盡，最后就會擊穿靶板。

圖9 圖4中殘余彈芯SEM照片（放大13倍）Fig.9 SEM micrograph of residual rod in 5#crater in Fig.4（×13）

圖10 圖9殘余彈芯各處SEM照片（放大500倍）Fig.10 Grains change of 95W residual rod in 5#crater in Fig.9（×500）

現在假設圖4中殘余彈體的動能沒有耗盡，侵徹繼續(xù)進行。圖9中A、B處的晶粒在彈、靶的強烈沖擊擠壓下就會進一步變形和破碎，同時彈、靶接觸處的局部溫度會急劇升高，并超過1 500℃，此時殘余彈體頭部鎢合金的粘結相局部瞬時熔化，靶板30CrMnMo也在接觸區(qū)域內出現局部瞬時熔化現象。而固相破碎鎢晶粒則發(fā)生兩種變化:一是表面鎢原子有些溶解于粘結液相中，同時也使破碎的鎢晶粒鈍化，增加了Ni-Fe粘結相的數量；二是粘結相液化，意味著鎢合金的骨架崩塌，破碎鎢晶粒會隨同粘結相漂流遷移。待穿甲過程結束，這些固、液的混合物則快速凝固形成熔化快凝層，焊合在彈坑表面。

可見熔化快凝層是彈、靶共同作用的結果。鎢合金桿式穿甲彈頭部在侵徹過程中，因發(fā)生鎢晶粒溶解、破碎和脫離彈芯頭部，而產生的桿式彈頭部的質量消耗，可叫做“溶解破碎”質量消耗。待殘余彈體頭部表面層完成質量消耗后，后續(xù)部分又呈現新的蘑菇頭，再重復上述過程，逐層消耗，使彈芯不斷變短，直至侵徹結束。

2.3 熔化快凝層中存在較大和超細兩種鎢晶粒

彈坑表面熔化快凝層凹凸不平，高低起伏，有明顯熔化和凝固的痕跡。取圖5（b）中B、C兩點研究，圖11是B點SEM照片。它是熔化快凝層的一個較小凸起部分，高度約35 μm，能譜分析表明，大小兩種白色顆粒都是鎢晶粒。圖11（a）中，一種大的鎢晶粒，部分被壓扁，沿侵徹方向拉長，壓扁的鎢晶粒長約30 μm，寬度不到4 μm，長細比為7.另一種細小的白點也是鎢晶粒，為了看清細小晶粒，對圖11（a）的白框再放大，如圖11（b）.從圖11中可見，鎢晶粒呈球形彌散分布在熔化快凝層里，粒徑100～400 nm不等。

圖11 圖5（b）中3號彈坑熔化快凝層內B點凸起SEM形貌Fig.11 SEM micrograph of area B in MRSL of 3#crater

再看圖12，它是圖5（b）中C點SEM照片，圖12中方框部分是觀測剖面，其余部分是凸起外觀形貌。它是熔化快凝層的另一個稍大的凸起部分，該凸起高度約200 μm，其內有許多破碎壓扁的鎢晶粒。白色為鎢晶粒，晶粒間帶狀黑色部分是鎢合金粘結相。為了進一步看清凸起部分的內部結構，將圖12中M方框區(qū)域再放大，如圖13.圖13中左下角有一個微孔洞，大小約80 μm.其內有許多粒狀物，這說明在熔化快凝層的凸起部分，除了有破碎鎢晶粒之外，也還有較多的微孔洞等缺陷，這和熔化快凝層凸起部分的快速凝固形成過程是吻合的。同時照片上可見，在兩個較大的鎢晶粒之間的粘結相中彌散分布著細小的鎢晶粒，為了觀測這些細小鎢晶粒的形態(tài)和尺寸，再將圖13中N方框繼續(xù)放大，如圖14.圖14上分布的白色顆粒都是鎢晶粒，大小不等，形態(tài)各異。較大的晶粒長度為2 μm，較小的僅有100 nm.

圖12 圖5（b）中3號彈坑熔化快凝層內C點凸起部分SEM形貌（放大150倍）Fig.12 SEM micrograph of area C in MRSL of 3# crater（×150）

圖13 圖12 SEM照片中M方框放大（放大500倍）Fig.13 Amplification of M in Fig.12（×500）

圖14 圖13 SEM照片中N方框放大（放大5 000倍）Fig.14 Amplification of N in Fig.13（×5 000）

如前所述，圖11～圖14正好說明，大的鎢晶粒是殘余彈體上變形、破碎、脫落的鎢晶粒，隨熔化的Ni-Fe粘結相流動漂移至彈坑表面，迅速凝固而成。而細小的鎢晶粒則是Ni-Fe粘結相在快速凝固時，由于鎢溶解度的降低，鎢過飽和而析出后再結晶而形成。因為時間短，來不及長大，即成為納米晶。由于破碎晶粒隨液相流動至彈坑表面，是隨機的和不均勻的，因此快速凝固時造成熔化快凝層薄厚不均，凹凸不平。有的地方Ni-Fe粘結相又可和較多破碎鎢晶粒凝固在一起、成為表面凸起的，含有多種成分的大顆粒，在凸起部分內往往還含有較多微孔洞等缺陷。

3 數值模擬侵徹溫度

數值模擬也是彈、靶侵徹分析常用的方法，但現有的數值模擬軟件還不能再現熔化快凝層的形成過程。由于高溫是彈坑熔化快凝層形成的重要條件，而瞬間高溫在試驗現場無法測得，因此可應用LSDYNA模擬本文的靶場試驗，以獲得高溫條件。采用軸對稱模型模擬，垂直侵徹。彈、靶均采用shell-162軸對稱單元，采用Language算法，彈、靶接觸區(qū)域網格局部細化，彈、靶材料均用（1）式所示的Johnson-Cook本構模型。

式中:σ為Von Mises流動應力；ε為等效塑性應變；為等效塑性應變率；一般為參考應變率；T*為無量綱溫度，表達式如（2）式；Tr為參考溫度（一般取室溫）；Tm為材料熔點溫度；A、B、C、n、m為5個材料參數，其中A為參考應變率、室溫狀態(tài)下材料的屈服強度，B為應變硬化系數，C為應變率硬化系數，m為熱軟化系數。彈芯及靶板材料參數見表2.采用Gruneisen高壓狀態(tài)方程。建模采用厘米-微秒-克單位制，溫度單位為℃.

本文只選擇溫度場的模擬結果分析，侵徹過程60 μs內完成。圖15是5號彈侵徹靶板，當t= 10 μs時，彈、靶溫度場模擬結果。從圖15中可知彈、靶侵徹過程中僅在彈、靶作用很薄的一層內出現溫度驟然升高的現象。

表2 模擬中彈芯和靶板的材料參數Tab.2 Material parameters of projectile and armor

圖15 侵徹時間約10 μs時的溫度場Fig.15 Temperature field at 10 μs

在圖15中取4個節(jié)點A、B、C、D，作溫度-時間曲線，如圖16.A點（節(jié)點號11889）為彈芯頭部最前點；B點（節(jié)點號19）為靶板彈坑底部最低點，與A點接觸；C點（節(jié)點號6679）距離殘余彈芯頭部40 mm；D點（節(jié)點號為375）在彈坑的翻唇上，距離彈體軸線5 mm.由圖16中節(jié)點A溫度曲線，當t= 10 μs，溫度快速上升到約1 400℃.當t=40 μs，溫度高達1 680℃.這個溫度持續(xù)約20 μs，直至侵徹結束。這正是Ni-Fe粘結相發(fā)生熔化的溫度。

圖16 彈靶節(jié)點溫度時間曲線Fig.16 Temperature-time curve of node

4 結論

1）熔化快凝層內存在較大和超細兩種鎢晶粒。較大的鎢晶粒呈壓扁或破碎狀態(tài)，這是由于侵徹過程中彈芯頭部發(fā)生嚴重擠壓變形，鎢晶粒破碎被剝離，且隨Ni-Fe液相移動，無規(guī)則地快速凝固在熔化快凝層中。而超細的鎢晶粒呈球狀彌散分布在粘結相內，粒徑約100～400 nm.原因是當Ni-Fe粘結相液化時，鎢晶粒部分溶解于內，而快速冷卻凝固時，鎢溶解度降低，鎢過飽和析出成為納米晶。

2）在殘余彈體頭部表面層，侵徹時鎢晶粒散落和破碎，與Ni-Fe粘結相及靶板中產生的液相混合，形成液-固兩相物。當侵徹結束后，快速冷卻形成熔化快凝層。因有些部位Ni-Fe粘結相與較多破碎鎢晶粒凝固在一起，致使熔化快凝層凹凸不平，厚薄不均，成分各異。特別是凸起部分，破碎鎢晶粒較多，微孔洞等缺陷也較多。

3）鎢合金桿式穿甲彈侵徹裝甲靶板過程中，殘余彈芯頭部呈蘑菇頭狀，其蘑菇頭表面層會發(fā)生“溶化破碎”質量消耗。待當前表面層消耗完畢以后，彈芯后續(xù)部分又出現新的蘑菇頭，且發(fā)生新的“溶化破碎”質量消耗。逐層漸進，直至侵徹完成。

4）對于彈坑表面熔化快凝層的研究，揭示了桿式穿甲彈高速“熔穿”靶板的過程。也給出了侵徹過程中彈、靶間的相互作用機理。這對于開發(fā)新的彈芯材料、進一步改進裝甲防護技術及更深入研究桿式彈高速侵徹機理都有重要參考作用。

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Research on Melted and Rapidly Solidified Layer on the Surface of Crater Penetrated by Long Tungsten Rod

LUO Rong-mei1，2，HUANG De-wu2，YANG Ming-chuan2，HUANG Hai3，LI Fu-ying3
（1.School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.College of Equipment Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110168，Liaoning，China；3.College of Art and Design，Shenyang Ligong University，Shenyang 110168，Liaoning，China）

A thin surface layer，called melted and rapidly solidified layer，is formed when tungsten long rod penetrates into armor at high velocity.When the 30CrMnMo target is shot by a small caliber long rod armor piercing projectile at 0°angle，a crater is formed on the target.In order to investigate the morphology characteristics and forming mechanism of MRSL，the surface of the crater is observed by scanning electron microscopy and analyzed by energy spectrum.LS-DYNA is used to simulate the temperature field of the interaction area between penetrator and target.It is shown that MRSL consists of W，Ni and Fe elements，which are contained in long rod material，and Fe，Cr and Mn elements，which are contained in target material.In MRSL，tungsten grains have two kinds of size:the big one is of long and flat shape，and its length is in the range from several micrometers to dozens of micrometers；the small one is dispersed in matrix with 100～400 nm in diameter.The mass consumption of long rod head is happened in the form of“melted and broken”.

ordnance science and technology；armor piercing；interaction area between penetrator and target；melted and broken mass consumption；melted and rapidly solidified layer

TJ1012.4；TG113

A

1000-1093（2015）07-1167-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.07.003

2015-04-10

裝備預先研究項目（62301050204）

羅榮梅（1979—），女，講師，博士研究生。E-mail:luorm_1999@126.com；黃德武（1944—），男，教授，博士生導師。E-mail:hdwcmh@sina.com