Hf 基非晶合金夹芯结构长杆弹的侵彻行为*

林琨富，张先锋，陈海华，熊 玮，刘 闯，张全孝

（1. 南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094；2. 中国兵器科学研究院宁波分院，浙江 宁波 315103）

杆式弹的威力提升一直是穿甲弹的发展方向[1]。在现有的武器发射能力下，增加弹体长度和长径比是提升杆式动能弹侵彻能力的主要途径之一，但大长径比会带来发射、飞行和着靶稳定性等诸多问题。因此，国内外研究学者提出一些新的结构设计方案，夹芯长杆弹是其中较好的方案之一，该方案能够通过套筒与弹芯的不同组合改变弹体侵彻威力。为使夹芯长杆弹威力达到最大化，研究者开展了不同材料套筒与夹芯搭配的夹芯长杆弹终点侵彻效应试验研究，探索了夹芯与套筒长径比的变化对侵彻威力的影响[2-6]，建立了夹芯长杆弹侵彻理论模型[7-10]，使得夹芯弹成为一条提升长杆弹威力的可行之路。目前常用的弹芯材料有高密度钨合金和贫铀合金，其中高密度钨合金长杆弹在侵彻过程中易产生蘑菇头，影响弹体侵彻效果；贫铀合金侵彻性能优于钨合金，但因其辐射有害性得不到广泛应用[11]。研究者逐渐将目光转向以高熵和非晶为代表的新型无序合金材料。

近年来，具有高度剪切敏感性与释能特性[12-14]的非晶合金及其复合材料引起了国内外广泛研究。非晶合金以其高强度、高硬度、良好的断裂韧性、在高温高压下瞬间激发化学放热反应等优异的力学及化学性能，成为一种极具应用前景的材料[15-16]。国内外学者开展了较多的非晶合金研究工作：宋璇等[17]利用纳秒脉冲激光对非晶合金加载后发现材料发生了爆炸式反应，并伴随明亮的火光。Shang 等[18]采用氧弹量热法对非晶合金进行了燃烧热测定，发现非晶合金具有较高的能量密度。Huang 等[19]研究了非晶合金冲击诱发响应的问题，弹道冲击试验中材料发生反应并在空气中完全燃烧。石永相等[20]在对非晶合金进行SPHB 试验时，发现撞击瞬间试样出现明显的火花，并获取到熔化的试样碎末。杜忠华等[1]在利用非晶合金复合材料弹体进行侵彻试验研究时，发现非晶合金发生了释能反应，可以提高弹体的侵彻毁伤能力。石永相等[21]开展了非晶合金药型罩侵彻性能实验，发现射流在侵彻过程中释放了能量，具有更强的后效毁伤能力。陈曦等[16]开展了非晶合金破片高速侵彻有限厚钢靶试验，发现非晶合金在侵彻过程中具有明显的释能效应以及开坑扩孔作用。非晶合金在高速冲击下会发生复杂的机械化学耦合响应，然而目前大多数学者多是通过力学性能测试、破片侵彻试验、复合材料长杆弹侵彻试验等手段研究非晶合金冲击动力学特性，还缺少系统的非晶合金结构弹体高速侵彻试验数据和侵彻特性分析。

本文针对Hf 基非晶合金材料开展静动态力学性能试验，设计非晶合金夹芯结构长杆弹，基于30 mm滑膛弹道炮平台开展1000 ～1500 m/s 速度范围内Hf 基非晶合金与45 钢夹芯结构弹体侵彻45 钢靶体试验研究；讨论Hf 基非晶合金夹芯在侵彻不同阶段的作用特性，分析非晶合金的能量释放特性对弹体毁伤效应的影响规律。

1 Hf 基非晶合金材料力学性能测试

本文所用的Hf 基非晶合金由铜模吸铸成型，密度约为8.1 g/cm3。为研究材料在不同应变率条件下的力学性能。本节利用WAW-300B 微机控制电液伺服万能试验机、分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)开展Hf 基非晶合金材料的静动态力学性能研究。

1.1 准静态压缩实验

准静态压缩试件尺寸为 ∅4 mm×6 mm，实验加载速率为0.36 mm/min，对应的变形应变率为1×10−3s−1。利用高速摄像记录试件的压缩过程。图1 为高速摄像记录试件的准静态压缩实验过程照片。图2 为准静态压缩实验前后试件照片。

从图1 可以看出：Hf 基非晶合金材料试件在失效瞬间发出明亮的火光，火光呈放射状向四周飞散，火光在0.4 ms 时刻达到最强，随后逐渐减弱，火光持续时间约2 ms，说明Hf 基非晶合金材料在准静态压缩断裂过程中发生化学反应并释放了能量。回收试件发现Hf 基非晶合金材料准静态压缩剪切断裂面与加载方向夹角为38°，如图2(b)所示。

图1 准静态压缩试验试件断裂过程Fig. 1 High-speed video photographs in the quasi-static compression experiment

图2 试件准静态压缩断裂前后状态Fig. 2 States of the specimen before and after quasi-static compression fracture

表1 为Hf 基非晶合金准静态压缩实验结果。对万能试验机采集到的载荷-位移曲线进行处理，得到Hf 基非晶合金材料准静态压缩真实应力-真实应变曲线，如图3 所示。

表1 准静态压缩实验数据Table 1 Quasi-static compression experimental data

图3 试件准静态压缩的真实应力-真实应变曲线Fig. 3 True stress-true strain curves of the quasi-static compression of the specimens

通过分析图3 的实验结果曲线可以看出，在室温准静态压缩条件下，当达到试件的抗压强度后，试件发生脆断，应力迅速下降，Hf 基非晶合金在室温和低应变率条件下呈现脆性断裂特征，属于典型的脆性材料。Hf 基非晶合金材料室温准静态抗压强度在1.53～1.88 GPa 之间，平均压缩强度为1.69 GPa，其抗压强度显著高于典型穿甲弹材料（如93 钨抗压强度为1.25 GPa[22]）。

1.2 Hf 基非晶合金动态力学特性

为了研究Hf 基非晶合金材料的动态力学特性，基于SHPB 平台开展了冲击压缩实验。实验中采用的试件尺寸为 ∅4 mm×6 mm，考虑到Hf 基非晶合金具有较高的硬度，采用了碳化钨垫片对压杆端面进行保护。通过控制气室压力来控制子弹的撞击速度进而实现不同的加载应变率，得到550～1580 s−1应变率范围内Hf 基非晶合金冲击压缩试验结果，如表2 所示。

表2 SHPB 实验数据Table 2 SHPB experimental data

图4 为不同应变率下Hf 基非晶合金的动态真实应力-真实应变曲线，图中每条曲线相对于前一曲线作0.02 的应变后移。由图4 可以看出，不同应变率条件下试件在破坏前应力-应变关系基本呈线性变化，没有出现明显的屈服平台，处于弹性阶段；达到试件的断裂强度时试件即发生断裂，表现出脆性断裂特征，材料在550～1 580 s−1应变率范围内的断裂强度在1 150 ～1 470 MPa 之间。图5 给出了材料的应变率响应曲线。由图5 可以发现随着应变率的增加，材料的断裂强度呈现下降趋势，在1 600 s−1应变率之后材料的断裂强度趋近于1 100 MPa，表明该材料在冲击作用下保持较好的力学性能。值得注意的是，试件在撞击瞬间产生了明亮的火光，收集试验后试件，发现部分非晶合金残留在碳化钨垫片上，呈熔化粉末状，如图6 所示。

图4 Hf 基非晶合金的动态应力-应变曲线Fig. 4 Dynamic stress-strain curves of Hf-based amorphous alloys at different strain rates

图5 Hf 基非晶合金材料断裂强度-应变率曲线Fig. 5 Strain rate response curve of Hf-based amorphous alloy materials

通过对比分析Hf 基非晶合金准静态压缩和SHPB 冲击压缩力学性能的结果，可以发现：Hf 基非晶合金材料在准静态和动态条件下保持较高的断裂强度；试件在准静态压缩过程中产生明亮的火光，表现出了反应释能特性。

图6 SHPB 试验后Hf 基非晶合金试件状态Fig. 6 State of Hf-based amorphous alloy sample after SHPB experiment

2 夹芯弹侵彻性能实验

2.1 长杆弹结构与实验布局

次口径脱壳穿甲弹是穿甲弹中广泛应用的结构，本文选取钨合金为套筒、Hf 基非晶合金为夹芯，设计了Hf 基非晶-钨合金夹芯结构长杆弹（Hf-W），并采用以调质处理45 钢为弹体内芯的钨合金夹芯结构长杆弹（Steel-W）进行对比。图7 给出了夹芯结构长杆弹结构及尺寸：Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹可以分为钨合金弹体、Hf 基非晶合金夹芯和铝合金尾翼三个部分。在弹体尾部留有尾翼，以保证弹体的飞行稳定性。Hf 基非晶-钨合金夹芯结构长杆弹全弹质量为134.5 g，45 钢-钨合金夹芯结构长杆弹全弹质量为133 g。弹体材料参数见表3。

图7 夹芯结构长杆弹示意图(单位：mm)Fig. 7 Schematic diagram of the jacketed rod projectiles (unit: mm)

表3 弹体材料参数Table 3 Material parameters of the projectile

实验布局如图8 所示，基于30 mm 滑膛弹道炮平台，开展了夹芯弹侵彻45 钢靶体实验。实验中，通过改变火药装药量来调节弹体的发射速度。通过测速系统记录弹体的飞行及着靶速度。利用高速摄像系统记录弹体的飞行姿态及着靶过程，并校核弹体的着靶速度。

图8 实验布局示意图Fig. 8 Schematic diagram of the experimental setup

2.2 实验结果

实验过程中，利用高速摄像记录弹体的飞行姿态以及侵彻45 钢靶体的过程。图9 为高速摄像记录的长杆弹飞行姿态及着靶过程的照片，从图9 中可以看出，弹体脱壳顺利，飞行姿态较好，满足正撞击试验的要求。图10 为弹体侵彻靶体过程的高速摄像，以着靶瞬间为起始点，分别记录了两种弹体在侵彻过程中的不同现象。由图图10(a)可见，弹体撞击靶体后产生明亮火光，Hf 基非晶-钨合金夹芯弹体在着靶0.4 ms 后靶面火光出现了明显的增强现象，火光呈喷射状从靶面扩散，具有明显的持续性，说明非晶合金在高速冲击下瞬间激发化学放热反应[16]，释放出了大量的能量；图10(b)为45 钢-钨合金夹芯弹体侵彻靶体时的高速摄像，其火光大小与强度在0.2 ms 前与Hf 基非晶-钨合金夹芯弹体相近，0.2 ms 后持续减弱。该现象表明Hf 基非晶-钨合金夹芯弹体在侵彻过程中发生了明显的释能反应。

图9 弹体飞行及着靶姿态的高速摄像Fig. 9 High-speed video photography of the projectiles flight and landing postures

图10 弹体侵彻靶体的高速摄像Fig. 10 High-speed video photographs of the projectiles penetrating the targets

2.3 侵彻效果分析

2.3.1 侵彻过程分析

基于30 mm 滑膛弹道炮平台，开展了1 000～1 500 m/s 速度范围内的夹芯弹体侵彻45 钢靶体实验。实验后获得了靶体的破坏规律及成坑参数，如表4 所示。图11 为实验靶体的剖面形貌。从图11 可以看出，Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹侵彻靶体的弹孔直径表现出明显的先增大再减小的趋势，同时弹孔直径增大区域的弹孔内壁呈现高低起伏的粗糙状态，弹体碎片嵌入弹孔内壁，壁面上存在高温熔化以及弹体破碎流动的痕迹。在底部弹孔直径减小区域，弹孔壁面粗糙程度呈减小的趋势，剩余弹体与铝合金尾翼留在弹坑底部，弹体头部材料存在回流现象。

表4 实验后靶体成坑参数Table 4 Crater parameters of targets

图12 和图13 分别为典型撞击速度下Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹(v=1 180 m/s)和45 钢-钨合金夹芯长杆弹(v=1 196 m/s)侵彻45 钢靶体后侵彻弹孔区域轮廓图。从图中可以看出，夹芯弹体侵彻45 钢靶体弹孔区域可以分为3 个区域：I 为开坑区域；II 为夹芯结构侵彻区域；Ⅲ为剩余弹体侵彻区域。

其中，在开坑区域，靶体表面弹孔周围形成了塑性金属所具有的外翻“唇沿”，这是由于弹、靶体材料在剧烈碰撞后发生较大变形，靶体材料沿着坑壁向外流动形成的痕迹。弹坑周围未受撞击的靶体部位有不同程度的隆起，这是由于靶体在受到挤压后，坑体四周的材料向上抬升运动形成的。靶体材料在弹体高速撞击的压力作用下，产生塑性流动，并形成翻边型的侵彻孔洞。在开坑过程中，弹体头部材料迅速产生镦粗、变形，并且由两边向后流动。

在夹芯结构侵彻区域，由于进入夹芯结构侵彻阶段后弹孔呈先缩小后增大的缩口，故在侵彻过程中易出现回流不通畅现象，随着侵彻的进行，回流的弹体材料聚集，到达一定程度产生部分堵塞，导致侵彻过程中的压力不断升高[1]。同时，Hf 基非晶合金释能反应释放出的能量使得弹孔内温度、压力骤增，夹芯结构弹体出现破碎，靶体材料在Hf 基非晶合金碎片及其反应的高压作用下挤压而形成不规则沟槽，同时弹体碎片在高压作用下被挤压嵌入靶体（见图12 中②处）。从图10(a)的Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹侵彻靶体的高速摄像中可以观察到弹体侵彻过程中靶面产生了持续扩散的大面积明亮火光，与图10(b)中45 钢-钨合金夹芯长杆弹在侵彻过程中产生的火光形成鲜明对比，表明Hf 基非晶合金在高速撞击过程中，发生剧烈反应并释放大量的能量，最终在夹芯结构侵彻区域形成了较大的侵彻弹孔直径（见图12中①处），这与已有的研究结果一致[16,23]。

在剩余弹体侵彻阶段，剩余弹体侵彻弹孔直径逐渐减小，该阶段主要是剩余钨合金材料对45 钢靶体的侵彻作用。随着侵彻的进行，弹体的速度逐渐减小，其对45 钢靶体的侵彻能力减弱，从而形成的弹孔区域直径不断减小。图中可以看出在剩余弹体侵彻阶段，靶体弹孔区域内壁较为光滑，同时，45 钢靶体弹孔区域底部出现了大量裂纹，并逐渐延伸（如图12 中④处所示）。

2.3.2 毁伤效果分析

图14 为两种夹芯长杆弹在不同速度下侵彻45 钢靶体的弹孔轮廓，夹芯长杆弹在侵彻过程中分为了开坑、夹芯结构侵彻、剩余弹体侵彻3 个阶段。其中，Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹侵彻过程中Hf 基非晶合金发生释能反应，产生的高温高压导致了弹体破碎，甚至嵌入靶体内，形成了高低起伏的沟壑状侵彻弹孔内壁。另外，释能反应增强了对靶体毁伤效应，扩大了弹孔直径，但容易造成靶板阻力不对称，使得弹孔不规则。

图11 靶体剖面Fig. 11 Sections of the targets

图12 Hf-W 夹芯长杆弹弹孔剖面Fig. 12 Cross-section of Hf-W (1 180 m/s)

图13 Steel-W 夹芯长杆弹弹孔剖面Fig. 13 Cross-section of Steel-W (1 196 m/s)

图14 夹芯结构长杆弹侵彻弹孔轮廓Fig. 14 Penetrating ballistic outline at different speeds

由于实验所用两种长杆弹夹芯材料密度不同，会造成夹芯长杆弹总体质量存在差异，分析过程中采用归一化的方法进行处理，计算每发弹体的撞击动能，研究相同动能下Hf 基非晶合金在侵彻半无限靶板中的作用。图15 为两种长杆弹侵彻深度随撞击动能的变化规律。由图15 可以看出，相同动能下，Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹的侵彻深度显著大于45 钢-钨合金夹芯长杆弹的侵彻深度：撞击动能Ek=96.90 kJ 时，Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹的侵彻深度为54.25 mm，对比相同动能条件下的45 钢-钨合金夹芯长杆弹侵彻深度增幅为5.2%；Ek=103.85 kJ 时，Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹的侵彻深度为62.57 mm，对比相同动能条件下的45 钢-钨合金夹芯长杆弹侵彻深度增幅为13.1%；其余动能条件下的侵彻深度增幅均在5.2%～13.1%之间。

图16 为两种长杆弹侵彻弹孔体积随撞击动能的变化规律。图中可以看出：当撞击动能Ek=96.90 kJ时，Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹的侵彻弹孔体积为27.86 cm3，对比相同动能条件下的45 钢-钨合金夹芯长杆弹侵彻弹孔体积增幅为12.9%；当撞击动能Ek=70.44 kJ 时，Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹的侵彻弹孔体积为21.14 cm3，对比相同动能条件下的45 钢-钨合金夹芯长杆弹侵彻弹孔体积，增幅为54.3%；其余动能条件下的弹孔体积增幅均在12.9%～54.3%之间。

图15 长杆弹侵彻深度和撞击动能的关系曲线Fig. 15 Relation curves of kinetic energy and penetration depth of both projectiles

图17 为两种长杆弹侵彻45 钢靶体最大弹孔直径随撞击动能的变化规律。由图17 可以看出，在实验速度范围内，Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹的最大弹孔直径明显大于45 钢-钨合金夹芯长杆弹的最大弹孔直径，在Ek=70.44 kJ 时，Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹的最大弹孔直径为30.24 mm，对比相同动能条件下45 钢-钨合金夹芯长杆弹的最大弹孔直径增幅为23.8%；在Ek=143.43 kJ 时，Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹的最大弹孔直径为34.62 mm，对比相同动能条件下45 钢-钨合金夹芯长杆弹的最大弹孔直径增幅为14.4%。一定质量的Hf 基非晶合金完全发生释能反应释放出的能量具有上限，随着弹体侵彻动能的增加，释能反应释放的能量在弹体侵彻过程的总能量中占比减小，故随着侵彻动能的增大，Hf 基非晶合金对弹孔直径的增幅呈逐渐减小趋势，但对侵彻毁伤效应的增幅仍保持在较高水平。Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹的毁伤增强效应与夹芯弹体结构具有密不可分的关系，并影响对靶体的毁伤能力。

图16 长杆弹弹孔体积和撞击动能的关系曲线Fig. 16 Relation curves of kinetic energy and total penetration volume of both projectiles

图17 长杆弹最大弹孔直径和撞击动能的关系Fig. 17 Relation curves of kinetic energy and the maximum penetration diameter of both projectiles

综上，夹芯长杆弹侵彻靶体过程中分成了3 个阶段，Hf 基非晶合金夹芯与45 钢夹芯相比，主要在阶段Ⅱ起作用。Hf 基非晶合金在高速冲击下达到反应阈值，发生释能反应，释放出大量能量，对弹体的侵彻深度、弹孔体积及弹孔直径均有明显的增幅作用，增强了对靶体的毁伤效应。

3 结 论

本文开展了Hf 基非晶合金静动态力学性能实验，获得了Hf 基非晶合金在不同应变率下的力学响应特性。基于30 mm 滑膛弹道炮平台开展了1 000～1 500 m/s 速度范围内Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹和45 钢-钨合金夹芯长杆弹侵彻45 钢靶体实验。讨论了Hf 基非晶合金夹芯在开坑、夹芯结构侵彻、剩余弹体侵彻3 个不同侵彻阶段的侵彻作用特性，分析了Hf 基非晶合金的能量释放特性对长杆弹侵彻深度、弹孔体积和弹孔直径的影响。得到如下结论：

（1）Hf 基非晶合金在准静态压缩条件下断裂强度达1.69 GPa，动态压缩条件断裂强度达1.15 GPa，在准静态压缩压缩条件下，该材料存在明显的反应特性；

（2）Hf 基非晶合金在侵彻过程中发生释能反应，增强了弹体的毁伤效应。在相同动能下，Hf 基非晶-钨合金夹芯长杆弹对比45 钢-钨合金夹芯长杆弹，侵彻深度增幅在5.2%～13.1%，侵彻弹孔体积增幅在12.9%～54.3%，侵彻弹孔直径增幅在14.4%～23.8%。