685裝甲鋼動態(tài)拉伸與壓縮性能研究

武海玲，苗 成，白利紅，鐘 濤,2，史 超，楊 林

(1.中國兵器科學(xué)研究院 寧波分院， 浙江 寧波 315103；2.沖擊環(huán)境材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 煙臺 264003；3.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014033)

目前，裝甲防護(hù)車輛上應(yīng)用的陶瓷復(fù)合裝甲主要是由陶瓷面板和金屬背板通過膠粘劑粘合構(gòu)成，在彈丸的沖擊下出現(xiàn)陶瓷斷裂錐的形成和金屬背板的塑性變形吸能兩個(gè)重要響應(yīng)。在侵徹過程中，彈丸在陶瓷面板的作用下會鈍化或毀壞，能量、質(zhì)量均有所減少，從而降低了繼續(xù)侵徹的能力[1-3]。隨著彈丸及其碎片的繼續(xù)侵徹，彈坑周邊較大面積的陶瓷已完全碎裂，同時(shí)金屬背板發(fā)生塑性形變，陶瓷面板與金屬背板之間出現(xiàn)層間的剝離。雖然陶瓷的進(jìn)一步碎裂、金屬的塑性形變以及這種層間的剝離均吸收大量能量，對抗彈具有有利的一面，但這種由強(qiáng)反射波導(dǎo)致的破壞作用，對于裝甲抗多發(fā)彈能力具有極其不利的一面[4-6]。

所以，在裝甲材料的選擇上應(yīng)盡可能滿足“高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、低密度、低成本”的要求。其中金屬背板的主要作用是給陶瓷提供支撐并吸收彈體和陶瓷碎片的動能，韌性高則吸收能量能力強(qiáng)。坦克裝甲的抗侵徹能力隨裝甲材料的硬度和彈性模量的提高而增大，抗沖擊能力隨裝甲材料韌性提高增強(qiáng)；抗崩落能力是衡量裝甲板抗破裂、剝離及層裂的能力，與裝甲材料的抗壓強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度有關(guān)[7-10]。本研究針對目前常用的685裝甲鋼背板進(jìn)行了動態(tài)拉伸與壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)研究，以探討其動態(tài)屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度等隨應(yīng)變率的變化關(guān)系，為裝甲車輛提供常用685裝甲鋼的動態(tài)力學(xué)性能理論基礎(chǔ)。

1 685裝甲鋼的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能

首先，對685裝甲鋼進(jìn)行了靜態(tài)拉伸與壓縮試驗(yàn)，以獲得685裝甲鋼靜態(tài)拉伸和壓縮屈服強(qiáng)度。

1.1 靜態(tài)拉伸試驗(yàn)及結(jié)果

靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，拉伸試樣標(biāo)距段長度為70 mm，試驗(yàn)用引伸計(jì)標(biāo)距段長度為50 mm，加載試驗(yàn)機(jī)的拉伸速度為2 mm/min，即名義應(yīng)變率為4.8×10-4s-1。工程應(yīng)力定義為施加載荷與試樣標(biāo)距段原始截面積之比，工程應(yīng)變定義為引伸計(jì)標(biāo)距段伸長量與標(biāo)距段原始長度之比，屈服強(qiáng)度取試樣0.2%塑性應(yīng)變時(shí)對應(yīng)的工程應(yīng)力。

通過對實(shí)驗(yàn)得到的載荷位移曲線進(jìn)行簡單轉(zhuǎn)換可以得到材料的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，685裝甲鋼的靜態(tài)單向拉伸實(shí)驗(yàn)獲得的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1，可知靜態(tài)拉伸下該材料的屈服強(qiáng)度約為1 400 MPa，且具有較長的塑性延展段，說明該材料具有良好的塑性。圖1中的3條曲線重復(fù)性非常好，說明該板材質(zhì)地較為均勻。計(jì)算得到的1#～3#試樣的彈性模量與屈服強(qiáng)度值如表1所示，可知該裝甲鋼的靜態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度為1 384 MPa。

圖1 685裝甲鋼靜態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試樣編號彈性模量/GPa屈服強(qiáng)度/MPa1208.991 387 2203.771 380 3212.321 384 平均值208.361 383.7

1.2 靜態(tài)壓縮試驗(yàn)及結(jié)果

靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定的加載速度為2 mm/min，即名義應(yīng)變率為3.3×10-3/s。靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)得出的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2，該裝甲鋼材料沒有明顯的屈服平臺，且應(yīng)變硬化現(xiàn)象非常明顯。為了分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，屈服強(qiáng)度取法和靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)一致，即統(tǒng)一取0.2%塑性應(yīng)變時(shí)對應(yīng)的工程應(yīng)力。由表2可知，靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)得出的材料平均屈服強(qiáng)度為1 499 MPa。

圖2 685裝甲鋼準(zhǔn)靜態(tài)壓縮工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試樣編號彈性模量/GPa屈服強(qiáng)度/MPa1213.81 4972213.41 4943219.11 506平均值215.41 499

2 685裝甲鋼的動態(tài)力學(xué)性能測試

2.1 685裝甲鋼動態(tài)拉伸試驗(yàn)及結(jié)果

動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)采用Ф16 mm的霍普金森拉桿對685裝甲鋼試樣進(jìn)行加載，桿材為高碳鉻合金鋼，入射桿1 100 mm，透射桿1 200 mm，彈性模量210 GPa，密度7 800 kg/m3，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3。本次試驗(yàn)用的子彈長300 mm。685裝甲鋼試樣取自40 mm厚板材。尺寸為M8*1×20+Ф4×10+ M8*1×20mm，試樣厚度方向與板材面內(nèi)方向一致，試樣尺寸大小如圖4。

圖3 SHTB實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 動態(tài)拉伸試樣及尺寸

為了準(zhǔn)確得出685裝甲鋼的動態(tài)拉伸力學(xué)性能的變化，進(jìn)行了多次單向動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)加載氣壓以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變率的拉伸狀況，拉伸試驗(yàn)在5個(gè)氣壓值下(0.5、0.8、1.1、1.4、1.7)進(jìn)行，對每個(gè)氣壓值下試樣的動態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對比分析，確定出685裝甲鋼在不同應(yīng)變率下對應(yīng)的拉伸屈服強(qiáng)度，不同應(yīng)變率下685裝甲鋼試樣的動態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖5所示，從其中可知685裝甲鋼材料在0.5～1.7 MPa氣壓內(nèi)，材料的屈服強(qiáng)度變化在897～1 780 MPa范圍。685裝甲鋼在平均應(yīng)變率為863 s-1時(shí)，試樣出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，在平均應(yīng)變率為1 182 s-1、1 487 s-1和1 732 s-1時(shí)，拉伸試樣發(fā)生斷裂。

圖5 685裝甲鋼在不同應(yīng)變率下的動態(tài)拉伸真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 685裝甲鋼動態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系

圖7 抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析擬合，得出了每個(gè)試樣的屈服強(qiáng)度、加載應(yīng)變率，材料的屈服強(qiáng)度隨動態(tài)應(yīng)變率的變化關(guān)系和抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系見圖6、圖7所示。從其中可知，在0.5～1.7加載氣壓內(nèi)，685裝甲鋼動態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而增大，動態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度最大值為1 780，較其靜態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度1 384 MPa有所提高，所以685裝甲鋼在動態(tài)拉伸過程中有一定的應(yīng)變率強(qiáng)化作用，且材料的動態(tài)抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而增大。

2.2 685裝甲鋼動態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

動態(tài)壓縮試驗(yàn)采用Ф16 mm的霍普金森壓桿，桿材為高碳鉻合金鋼，入射桿1 200 mm，透射桿1 200 mm，彈性模量210 GPa，密度7 800 kg/m3，實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示,本次試驗(yàn)用的子彈長300 mm。685裝甲鋼試樣尺寸為Ф8 mm×4 mm，試樣厚度方向與板材厚度方向一致，試樣及尺寸大小見圖9。

圖8 SHPB實(shí)驗(yàn)裝置

圖9 動態(tài)壓縮試樣及尺寸

為了準(zhǔn)確得出685裝甲鋼的動態(tài)壓縮力學(xué)性能的變化，進(jìn)行了多次單向動態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)加載氣壓以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變率的壓縮狀況，壓縮試驗(yàn)在5個(gè)氣壓值下(1.2、1.4、1.5、1.8、2.0)進(jìn)行，對每個(gè)氣壓值下試樣的動態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對比分析，確定出685裝甲鋼在不同應(yīng)變率下對應(yīng)的屈服強(qiáng)度，不同應(yīng)變率下685裝甲鋼試樣的動態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖10，從其中可知685裝甲鋼材料在1.2～2.0 MPa氣壓范圍內(nèi)，材料的屈服強(qiáng)度變化在 2 600～3 200 MPa范圍。

圖10 685裝甲鋼在不同應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出了每個(gè)試樣的動態(tài)雅壓縮屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和加載應(yīng)變率，685裝甲鋼的動態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系和抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系見圖11、圖12所示。從其中可知，該材料的動態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度是隨應(yīng)變率的增大而增大的，說明該材料具有應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。在1.2～2.0加載氣壓，685裝甲鋼動態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度最大值約為3 200，較其靜態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度1 499 MPa大幅提高，所以685裝甲鋼在動態(tài)壓縮過程中有很強(qiáng)的應(yīng)變率強(qiáng)化作用。

圖11 685裝甲鋼動態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系

圖12 685裝甲鋼動態(tài)壓縮抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化關(guān)系

3 結(jié)論

1) 通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了靜態(tài)拉伸與壓縮試驗(yàn)，在相同加載速度下，685裝甲鋼靜態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度和靜態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度分別約為1 384 MPa和1 499 MPa。

2) 通過霍普金森系統(tǒng)拉伸試驗(yàn)，獲得了685裝甲鋼不同應(yīng)變率下的動態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，兩者皆隨應(yīng)變率的增大而增大；在0.5～1.7加載氣壓獲得的動態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度最大約為1 780 MPa，較靜態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度1 384 MPa有一定提高，所以，在此加載氣壓范圍內(nèi)，685裝甲鋼有一定的應(yīng)變率強(qiáng)化作用。

3) 通過霍普金森系統(tǒng)壓縮試驗(yàn)，獲得了685裝甲鋼不同應(yīng)變率下的動態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，兩者皆隨應(yīng)變率的增大而增大；在1.2～2.0加載氣壓獲得的動態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度最大約為3 200 MPa，較靜態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度1 499 MPa有大幅提高，所以，在此加載氣壓范圍內(nèi)，685裝甲鋼有很強(qiáng)的應(yīng)變率強(qiáng)化作用。