685装甲钢动态拉伸与压缩性能研究

武海玲，苗 成，白利红，钟 涛,2，史 超，杨 林

(1.中国兵器科学研究院 宁波分院， 浙江 宁波 315103；2.冲击环境材料技术重点实验室， 山东 烟台 264003；3.内蒙古北方重工业集团有限公司， 内蒙古 包头 014033)

目前，装甲防护车辆上应用的陶瓷复合装甲主要是由陶瓷面板和金属背板通过胶粘剂粘合构成，在弹丸的冲击下出现陶瓷断裂锥的形成和金属背板的塑性变形吸能两个重要响应。在侵彻过程中，弹丸在陶瓷面板的作用下会钝化或毁坏，能量、质量均有所减少，从而降低了继续侵彻的能力[1-3]。随着弹丸及其碎片的继续侵彻，弹坑周边较大面积的陶瓷已完全碎裂，同时金属背板发生塑性形变，陶瓷面板与金属背板之间出现层间的剥离。虽然陶瓷的进一步碎裂、金属的塑性形变以及这种层间的剥离均吸收大量能量，对抗弹具有有利的一面，但这种由强反射波导致的破坏作用，对于装甲抗多发弹能力具有极其不利的一面[4-6]。

所以，在装甲材料的选择上应尽可能满足“高硬度、高强度、高韧性、低密度、低成本”的要求。其中金属背板的主要作用是给陶瓷提供支撑并吸收弹体和陶瓷碎片的动能，韧性高则吸收能量能力强。坦克装甲的抗侵彻能力随装甲材料的硬度和弹性模量的提高而增大，抗冲击能力随装甲材料韧性提高增强；抗崩落能力是衡量装甲板抗破裂、剥离及层裂的能力，与装甲材料的抗压强度和抗张强度有关[7-10]。本研究针对目前常用的685装甲钢背板进行了动态拉伸与压缩力学性能试验研究，以探讨其动态屈服强度及抗拉强度等随应变率的变化关系，为装甲车辆提供常用685装甲钢的动态力学性能理论基础。

1 685装甲钢的准静态力学性能

首先，对685装甲钢进行了静态拉伸与压缩试验，以获得685装甲钢静态拉伸和压缩屈服强度。

1.1 静态拉伸试验及结果

静态拉伸实验采用万能材料试验机进行，拉伸试样标距段长度为70 mm，试验用引伸计标距段长度为50 mm，加载试验机的拉伸速度为2 mm/min，即名义应变率为4.8×10-4s-1。工程应力定义为施加载荷与试样标距段原始截面积之比，工程应变定义为引伸计标距段伸长量与标距段原始长度之比，屈服强度取试样0.2%塑性应变时对应的工程应力。

通过对实验得到的载荷位移曲线进行简单转换可以得到材料的工程应力-应变曲线，685装甲钢的静态单向拉伸实验获得的工程应力-应变曲线见图1，可知静态拉伸下该材料的屈服强度约为1 400 MPa，且具有较长的塑性延展段，说明该材料具有良好的塑性。图1中的3条曲线重复性非常好，说明该板材质地较为均匀。计算得到的1#～3#试样的弹性模量与屈服强度值如表1所示，可知该装甲钢的静态拉伸屈服强度为1 384 MPa。

图1 685装甲钢静态拉伸应力-应变曲线

试样编号弹性模量/GPa屈服强度/MPa1208.991 387 2203.771 380 3212.321 384 平均值208.361 383.7

1.2 静态压缩试验及结果

静态压缩实验在万能材料试验机上完成，试验时设定的加载速度为2 mm/min，即名义应变率为3.3×10-3/s。静态压缩实验得出的工程应力-应变曲线见图2，该装甲钢材料没有明显的屈服平台，且应变硬化现象非常明显。为了分析数据的准确性，屈服强度取法和静态拉伸实验一致，即统一取0.2%塑性应变时对应的工程应力。由表2可知，静态压缩实验得出的材料平均屈服强度为1 499 MPa。

图2 685装甲钢准静态压缩工程应力-应变曲线

试样编号弹性模量/GPa屈服强度/MPa1213.81 4972213.41 4943219.11 506平均值215.41 499

2 685装甲钢的动态力学性能测试

2.1 685装甲钢动态拉伸试验及结果

动态拉伸实验采用Ф16 mm的霍普金森拉杆对685装甲钢试样进行加载，杆材为高碳铬合金钢，入射杆1 100 mm，透射杆1 200 mm，弹性模量210 GPa，密度7 800 kg/m3，实验装置如图3。本次试验用的子弹长300 mm。685装甲钢试样取自40 mm厚板材。尺寸为M8*1×20+Ф4×10+ M8*1×20mm，试样厚度方向与板材面内方向一致，试样尺寸大小如图4。

图3 SHTB实验装置

图4 动态拉伸试样及尺寸

为了准确得出685装甲钢的动态拉伸力学性能的变化，进行了多次单向动态拉伸实验。通过调节加载气压以实现不同应变率的拉伸状况，拉伸试验在5个气压值下(0.5、0.8、1.1、1.4、1.7)进行，对每个气压值下试样的动态拉伸应力-应变曲线进行对比分析，确定出685装甲钢在不同应变率下对应的拉伸屈服强度，不同应变率下685装甲钢试样的动态拉伸应力-应变曲线见图5所示，从其中可知685装甲钢材料在0.5～1.7 MPa气压内，材料的屈服强度变化在897～1 780 MPa范围。685装甲钢在平均应变率为863 s-1时，试样出现颈缩现象，在平均应变率为1 182 s-1、1 487 s-1和1 732 s-1时，拉伸试样发生断裂。

图5 685装甲钢在不同应变率下的动态拉伸真实应力-应变曲线

图6 685装甲钢动态拉伸屈服强度随应变率的变化关系

图7 抗拉强度随应变率的变化关系

通过实验数据分析拟合，得出了每个试样的屈服强度、加载应变率，材料的屈服强度随动态应变率的变化关系和抗拉强度随应变率的变化关系见图6、图7所示。从其中可知，在0.5～1.7加载气压内，685装甲钢动态拉伸屈服强度随应变率的增大而增大，动态拉伸屈服强度最大值为1 780，较其静态拉伸屈服强度1 384 MPa有所提高，所以685装甲钢在动态拉伸过程中有一定的应变率强化作用，且材料的动态抗拉强度随应变率的增大而增大。

2.2 685装甲钢动态压缩实验及结果

动态压缩试验采用Ф16 mm的霍普金森压杆，杆材为高碳铬合金钢，入射杆1 200 mm，透射杆1 200 mm，弹性模量210 GPa，密度7 800 kg/m3，实验装置如图8所示,本次试验用的子弹长300 mm。685装甲钢试样尺寸为Ф8 mm×4 mm，试样厚度方向与板材厚度方向一致，试样及尺寸大小见图9。

图8 SHPB实验装置

图9 动态压缩试样及尺寸

为了准确得出685装甲钢的动态压缩力学性能的变化，进行了多次单向动态压缩实验。通过调节加载气压以实现不同应变率的压缩状况，压缩试验在5个气压值下(1.2、1.4、1.5、1.8、2.0)进行，对每个气压值下试样的动态压缩应力-应变曲线进行对比分析，确定出685装甲钢在不同应变率下对应的屈服强度，不同应变率下685装甲钢试样的动态压缩应力-应变曲线见图10，从其中可知685装甲钢材料在1.2～2.0 MPa气压范围内，材料的屈服强度变化在 2 600～3 200 MPa范围。

图10 685装甲钢在不同应变率下的动态压缩应力-应变曲线

通过实验数据分析，得出了每个试样的动态雅压缩屈服强度、抗压强度和加载应变率，685装甲钢的动态压缩屈服强度随应变率的变化关系和抗压强度随应变率的变化关系见图11、图12所示。从其中可知，该材料的动态压缩屈服强度和抗压强度是随应变率的增大而增大的，说明该材料具有应变率强化效应。在1.2～2.0加载气压，685装甲钢动态压缩屈服强度最大值约为3 200，较其静态压缩屈服强度1 499 MPa大幅提高，所以685装甲钢在动态压缩过程中有很强的应变率强化作用。

图11 685装甲钢动态压缩屈服强度随应变率的变化关系

图12 685装甲钢动态压缩抗压强度随应变率的变化关系

3 结论

1) 通过万能材料试验机进行了静态拉伸与压缩试验，在相同加载速度下，685装甲钢静态拉伸屈服强度和静态压缩屈服强度分别约为1 384 MPa和1 499 MPa。

2) 通过霍普金森系统拉伸试验，获得了685装甲钢不同应变率下的动态拉伸屈服强度和抗拉强度，两者皆随应变率的增大而增大；在0.5～1.7加载气压获得的动态拉伸屈服强度最大约为1 780 MPa，较静态拉伸屈服强度1 384 MPa有一定提高，所以，在此加载气压范围内，685装甲钢有一定的应变率强化作用。

3) 通过霍普金森系统压缩试验，获得了685装甲钢不同应变率下的动态压缩屈服强度和抗压强度，两者皆随应变率的增大而增大；在1.2～2.0加载气压获得的动态压缩屈服强度最大约为3 200 MPa，较静态拉伸屈服强度1 499 MPa有大幅提高，所以，在此加载气压范围内，685装甲钢有很强的应变率强化作用。