聚能金属射流形成及侵彻过程中的动态变形研究

摘要

聚能射流的形成和侵彻问题,因涉及到材料的动态超塑性变形而具有十分重要的现实意义。射流的微观分析一直是射流研究的薄弱环节,而这恰恰是揭示射流动态超塑性变形的重要方法。本文设计了回收射流及杵体的实验,结合理论计算与数值模拟,得到了钢板在侵彻过程中应力波和动态超塑性变形对靶板宏观力学性能和微观组织的影响,并对射流形成中动态超塑性变形引起的温度及微观组织的变化进行量化分析。
　　 本文首先设计了杵体回收实验,利用沙子对杵体进行回收并分析其微观组织,结合对药型罩压垮时应力波和应变造成的材料温度变化的分析,得出药型罩在压垮形成射流前就能够发生动态超塑性变形这一结论。其次,针对射流侵彻会造成靶板硬化这一宏观物理问题,利用数值模拟得到了传入靶板应力波的压力大小,以此为基础分别计算了两种应力波一冲击波和等熵波造成的靶板硬度变化情况,结合靶板变形产生的硬化效果,在与侵彻后靶板的实测硬度对比后可以判断射流在侵彻时向靶板传入的应力波为等熵波而不是冲击波,而等熵波也是造成靶板发生硬化的主要因素。材料的宏观特性由其微观组织决定的,因此接下来本文对侵彻后的钢靶进行了微观分析。由扫描电镜(SEM)的观察发现孔壁附近0.2mm内的铁素体为等轴晶(动态再结晶的典型特征),其后则为普通塑性变形引起的挤压变形状态。微观硬度的测量也证实了SEM的观察结果。通过对变形的铁素体宽度的测量,可以估算出距侵彻孔壁不同距离处钢靶的应变情况,以此可将钢靶分为动态超塑性区、大塑性变形区、小塑性变形区和基体。最后利用设计的射流回收实验得到了侵彻孔壁上的射流附着层并对其进行分析。利用球缺形药型罩可以得到较低速度的射流,该射流在侵彻挤压钢靶的过程中速度会迅速下降,最终附着在孔壁上。附着前射流处于高应变率的变形过程中,附着后由于冷却时间很短(＜0.7s),温度对其微观形貌的影响不大,因此侵彻孔壁上的射流附着层较好的保持了射流运动时的微观形貌。利用SEM观察发现射流附着层各处的等轴晶尺寸基本一致,同时存在少量孪晶,而数值模拟结合理论计算得到的射流晶粒度与实验结果一致。