TiZrNbVAl高熵合金弹体侵彻双层钢板可行性研究

马 田,吕永柱,张 博,周 涛

(西安近代化学研究所, 西安 710065)

0 引言

高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)最初定义为由5种或者5种以上元素组成,且每种组成元素的原子百分比在5%～35%之间的合金[1-2]。随着对高熵合金的深入研究,具有较高混合熵的三元和四元近等摩尔比材料也被定义为高熵合金[3-4]。与传统金属及其合金相比,高熵合金拥有高熵稳定的固溶体,进而表现出诸多优异性能,如高强度、高硬度、优异的耐磨和耐腐蚀性能等,在航空航天、石油开采、核电、精密机械等领域具有广阔的应用前景[5]。

随着对高熵合金性能研究的不断深入,针对高熵合金在冲击过载下的力学性能研究也逐步开展[6-8],为其在抗高过载环境下的应用奠定了基础。

Li等[9-10]通过Hopkinson压杆试验研究了FeCoCrNiMn高熵合金抵抗剪切变形的能力,发现FCC相高熵合金具有优异的应变硬化能力;陈海华等[11]基于弹道枪试验平台开展了WFeNiMo高熵合金对有限厚钢靶侵彻作用性能试验,发现WFeNiMo高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力,在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性,在预制破片上具有较好的应用前景;戴兰宏等[12]研究发现WMoFeNi高熵合金因为在动态再结晶过程中析出了超高强度的μ相,而展现出优于93 W合金的自锐性和动态力学性能;白书欣等[13]对准静态抗拉强度1 100 MPa、延伸率27%的TiZrHfTa0.53合金进行12.7 mm 弹道枪试验,发现在高速穿透钢板后发生了明显的释能燃爆现象;沈波等[14]通过全含能侵彻战斗部侵彻多层钢介质试验,发现高熵合金壳体侵彻战斗部相比于惰性战斗部在温度、超压、穿孔面积等方面均有明显增益。

利用多功能材料试验机及SHPB试验装置,对TiZrNbVAl高熵合金的力学性能及响应进行了试验研究,并根据试验数据,拟合了TiZrNbVAl高熵合金的Johnson-Cook模型参数。通过开展125火炮侵彻试验及数值仿真计算探究该材料在侵彻战斗部中应用的可行性。

1 材料力学性能试验及结果

1.1 准静态力学性能试验

分别进行了TiZrNbVAl高熵合金的室温准静态拉伸试验、压缩试验和冲击试验。

准静态拉伸试验和压缩试验采用15 t电子万能试验机进行,每组试验采用2个样品,样品尺寸如图1所示。图2为TiZrNbVAl高熵合金的准静态拉伸及压缩应力-应变曲线。试验结果表明:TiZrNbVAl高熵合金材料具有较好的强度和塑性,其抗拉强度为981 MPa,抗压强度为1 257 MPa,断后延伸率可达10.4%。

图2 常温0.001 s-1应变率下的拉伸真实 应力-应变曲线图Fig.2 Strength-stain curves at normal temperature and strain rate10-4 s-1 under tension and compression

TiZrNbVAl高熵合金的冲击韧性试验采用450J PIT452D-4摆锤冲击试验机进行,采用V型缺口试样,每组试验采用2个样品,试样尺寸55 mm×10 mm×10 mm,如图3所示。试验结果表明TiZrNbVAl高熵合金具有优异的冲击韧性,冲击韧性达Ak=93.6 J/cm2。TiZrNbVAl高熵合金力学性能见表1。

图3 冲击韧性试样Fig.3 Impact toughness samples

表1 TiZrNbVAl高熵合金力学性能Table 1 Mechanical properties of TiZrNbVAl HEA

1.2 动态力学性能试验

采用分离式Hopkinson拉杆试验装置开展室温、200、300 ℃条件下动态拉伸力学性能试验,每组试验采用2个样品,拉伸试样尺寸如图4所示。分离式 Hopkinson拉杆系统由气缸、撞击杆、入射杆、透射杆、数据采集系统、法兰和波导杆等组成。撞击杆、入射杆、透射杆和试样水平同轴心放置。在入射杆的中间位置和透射杆的靠近试样的前端位置沿径向分别粘贴一对应变片,用于测量试验过程中的应变信号。高温条件试验采用高温炉对试样进行加热,到达指定温度后对试样保温5 min,保温过程中温度变化范围为±5 ℃。

图4 动态拉伸试样尺寸Fig.4 Dynamic experiment sample size

试验得到不同应变率和温度下TiZrNbVAl高熵合金的真实应力—应变曲线图,如图5—图7所示。

TiZrNbVAl高熵合金在1 000 s-1和3 000 s-1高应变率条件下表现出明显的应变率强化效应,其动态屈服强度、抗拉强度及断裂应变均有所提升。

不同温度下的应力-应变曲线对比表明TiZrNbVAl高熵合金的温度软化效应较为明显,相同应变率下300 ℃温度状态下的材料强度较室温下显著降低,断裂应变变化不明显。

图5 10-3 s-1、1 000 s-1及3 000 s-1应变率下的 常温拉伸真实应力-应变曲线Fig.5 Strength-stain curves at room temperature andstrain rate 10-3 s-1,1 000 s-1and 3 000 s-1 under tension

图6 1 000 s-1应变率下的常温、200 ℃及300 ℃ 拉伸真实应力-应变曲线Fig.6 Strength-stain curves at room temperature, 200 ℃, 300 ℃ and strain rate 1 000 s-1 under tension

图7 3 000 s-1应变率下的常温、200 ℃及300 ℃ 拉伸真实应力-应变曲线Fig.7 Strength-stain curves atroom temperature, 200 ℃, 300 ℃ and strain rate 3 000 s-1 under tension

2 材料本构模型参量拟合

Johnson和Cook[15]于1983年提出了针对高速冲击和爆轰问题能够模拟金属材料应变硬化、应变率强化和热软化效应的经典Johnson-Cook模型,该模型采用连乘的形式描述了金属在高应变率下产生的应变硬化、温度软化和应变率强化等效应。

Johnson-Cook模型表达式为

(1)

式(1)中:A、B、n、C和m为常数,由材料动态力学性能试验数据确定;εp为等效塑性应变;ε*=ε/ε0表示当参考应变取ε0=0.001s-1时的无量纲的塑性应变率;归一化的温度T*表示为

(2)

式(2)中:Tr和Tm分别表示参考温度和熔化温度。

根据试验数据,选取典型特征数据点,拟合获得Johnson-Cook模型参量如下:A=971 MPa,B=-172 MPa,n=0.587,C=0.05,m=0.85。试验数据与拟合结果如图8所示。

图8 Johnson-Cook模型拟合结果与试验结果的比较Fig.8 Comparison between fitted results of Johnson-Cook model and experimental results

3 高熵合金弹体侵彻试验及仿真

常规侵彻类战斗部壳体材料主要为高强钢及钛合金,选取典型材料G50高强钢及TA15钛合金与TiZrNbVAl高熵合金对比分析,发现TiZrNbVAl材料抗拉强度与TA15相当,冲击韧性与G50相当,比强度稍弱于G50及TA15。TiZrNbVAl材料具备侵彻类战斗部壳体材料需要的高强韧性。

表2 G50、TA15、TiZrNbVAl材料性能参数

为验证TiZrNbVAl材料在侵彻战斗部壳体上的适用性,设计试验弹体如图9所示。弹体由壳体、后盖及装药组成,壳体及后盖采用TiZrNbVAl材料加工,装药为惰性装药。弹体总质量17 kg,长度500 mm,装填比约12%。

图9 缩比试验弹体Fig.9 Warhead test piece

通过125 mm火炮发射试验弹体侵彻2层钢板靶标。钢板靶标厚度18 mm+8 mm,垂直间距1 m,钢板型号为Q345,板面尺寸2 m×2 m。试验布局如图10所示。

图10 试验布局图Fig.10 Shooting test system layout

高速摄像机记录的高熵合金弹体侵彻靶标过程如图11所示。试验弹体以786 m/s速度、20°着角、1°攻角侵彻靶标。试验后弹体完整回收,头部损伤较大,长度方向侵蚀约20 mm,中部有轻微弯曲,上表面呈金属光泽,下表面擦拭痕迹显著且烧蚀发黑,如图12所示。

根据试验结果分析,高熵合金弹体侵彻过程中与钢板剧烈摩擦,激发壳体表面材料强烈化学反应,释放能量,形成强烈火光;但反应区域仅限于壳体表层,壳体材料自身的强韧性保证了壳体结构在穿靶过程中的完整性。综上,TiZrNbVAl材料用于侵彻战斗部壳体可行性较高。

图11 战斗部侵彻试验过程Fig.11 The warhead penetration process

利用LS-DYNA 软件建立了对应的仿真计算侵彻模型,弹体材料选用MAT_JOHNSON_COOK模型,材料参数采用本文中拟合的结果,装药材料选用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型。数值计算网格数约15万,弹靶作用过程采用侵蚀接触算法,头部侵蚀部位网格做局部加密处理,单元失效算法采用主应变失效以及剪切应变失效。具体的网格划分如图13所示。

图13 试验弹体网格划分Fig.13 Geometric model of projectile

图14所示为试验弹体在786 m/s初始速度条件下侵彻靶标后的数值仿真结果。弹体在侵彻过程中沿头部不断向后发生侵蚀,长度方向侵蚀量为18.5 mm,与试验结果相近,误差为7.5%。

图14 试验弹体侵彻损伤数值仿真Fig.14 Numerical simulation of projectile wear after penetration

4 结论

1) 针对TiZrNbVAl高熵合金开展了静态力学及不同温度下的动态力学性能试验研究,得到其抗拉强度为981 MPa,抗压强度为1 257 MPa,冲击韧性为93.6 J/cm2,并发现具有高温软化效应和应变率强化效应;根据力学性能试验数据,拟合得到了TiZrNbVAl高熵合金的J-C模型参数,其中A=971 MPa,B=-172 MPa,n=0.587,C=0.05,m=0.85。

2) 根据125 mm火炮试验结果,17 kg高熵合金缩比弹体以786 m/s速度、20°着角、1°攻角侵彻2层钢板靶标,缩比弹体完整回收,表明高熵合金弹体侵彻过程中与钢板摩擦反应区域仅限于壳体表层,壳体材料自身的强韧性能够保证壳体结构在穿靶过程中的完整性,TiZrNbVAl材料用于侵彻战斗部壳体可行性较高。