W/ZrNiAlCu亚稳态合金复合材料破片对RHA靶的侵彻释能特性

为研究W/ZrNiAlCu亚稳态合金复合材料破片对RHA靶板的侵彻释能特性，采用高速摄影弹道枪侵彻实验和能量方程、Avrami-Erofeev方程理论分析的方法，对破片的侵彻释能过程、侵彻规律、释能规律进行了研究。结果表明，破片在撞击并贯穿靶板的过程中激发了材料的燃烧反应，在靶板前方和后方产生了明显火光，随着撞击速度增加，火光范围增加、亮度提高；破片撞击速度、冲塞体速度的关系符合采用能量法推导的包含质量损失的破片侵彻公式，破片理论弹道极限速度为987.1 m·s?1；在实验速度范围内，材料反应效率随着冲击压力的增加而增加，与实验现象吻合。     

WFeNiMo高熵合金动态力学行为及侵彻性能研究

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 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, 在预制破片上有较好的应用前景.      

DYNAMIC MECHANICAL BEHAVIOR AND PENETRATION PERFORMANCE OF WFeNiMo HIGH-ENTROPY ALLOY 1)

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 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, 在预制破片上有较好的应用前景.     

球形钨合金破片终点弹道性能实验研究

实验研究了球形钨合金破片的速度衰减规律、爆轰驱动下的变形和破碎、对半无限钢靶的侵彻以及对薄钢靶的贯穿。结果表明:(1)破片长距离(120m)飞行时的衰减系数为常数,阻力系数与破片初速成线性关系;(2)在爆轰驱动下,直径为6.0和7.5mm的破片破碎率为2%～3%,而直径为8.5mm的破碎率为45%;(3)破片长距离飞行后仍有很强的穿甲能力。     

两种典型高熵合金冲击释能及毁伤特性研究

为研究FeNiMoW和FeNiCoCr两种典型高熵合金材料的冲击释能规律, 利用Φ14.5 mm弹道枪发射装置和准密闭试验容器系统开展了两种典型高熵合金破片在不同速度下冲击释能效应试验. 进一步, 利用该试验平台开展两种高熵合金破片侵彻多层目标的毁伤特性研究. 通过改变准密闭试验容器前置钢靶厚度, 研究了两种高熵合金破片对后续多层靶板的侵彻毁伤规律. 研究发现: FeNiMoW和FeNiCoCr高熵合金破片分别在1356 m/s和1217 m/s出现能量释放现象. 低于该撞击速度未发生化学反应. 撞击速度对两种高熵合金破片释能有显著的影响, 随着速度的增加, 两种高熵合金破片冲击释能反应加剧, 超压峰值上升加快. 在1600 m/s左右的撞击速度下, 随着试验容器前置钢靶厚度从1 mm增加至5 mm, FeNiMoW破片超压峰值整体上呈上升趋势, FeNiCoCr破片超压峰值呈下降趋势. 在两种高熵合金破片侵彻多层靶标过程中, 其释能反应程度的降低对破片穿孔能力的增强有一定贡献, 而容器前置钢靶厚度的进一步增大将降低破片对后续多层铝靶的穿孔毁伤能力. 另一方面, 随着前置钢靶厚度的增大, 破片对第一层铝靶的毁伤面积先增大后减小.      

带水墙靶板对高速破片侵彻能力影响规律

针对大当量成型弹药破片毁伤威力试验风险系数大、试验效能低的问题，提出采用带水墙靶板的方式对破片毁伤参数进行测定的新方法。应用动力学模拟软件AUTODYN，对破片侵彻带水墙靶板及无水墙靶板的过程进行了有限元数值模拟，分析了水墙厚度和破片入射角度对破片侵彻能力的影响规律，通过实弹试验的方式对带水墙靶板的实用效果进行了验证。计算结果表明，带水墙靶板相比无水墙靶板，能够大大降低破片的侵彻能力，同时与实弹试验效果也能较好吻合，说明在实际试验中使用带水墙靶板收集破片毁伤参数的方法是可行的。     

Hf基非晶合金夹芯结构长杆弹的侵彻行为

为研究Hf基非晶合金的变形行为及高速侵彻性能,分别开展了Hf基非晶合金材料静动态力学性能和Hf基非晶合金夹芯结构长杆弹高速侵彻45钢靶体试验研究,并与45钢夹芯长杆弹侵彻结果进行对比。研究发现:Hf基非晶合金具有较高的断裂强度,断裂时伴随有能量释放现象;Hf基非晶合金夹芯长杆弹侵彻钢靶过程可分为3个阶段:开坑、夹芯结构侵彻和剩余弹体侵彻。Hf非晶合金在侵彻过程中发生了明显的释能反应,显著地增强了弹体毁伤效应,扩大了侵彻弹孔直径,增加了弹体侵彻深度和弹孔体积。在高速冲击下,Hf基非晶合金夹芯长杆弹表现出优异的侵彻性能,可以为非晶合金材料在高效毁伤领域的应用提供新思路。     

钨纤维复合材料穿甲弹芯侵彻时的自锐现象

对钨合金穿甲弹和钨纤维/Zr合金金属玻璃基复合材料穿甲弹进行了靶场对比侵彻实验。穿甲弹侵彻过程中,钨合金弹芯头部形成蘑菇头、头部晶粒被径向压扁;钨纤维复合材料弹芯头部在侵彻过程中,发生了绝热剪切破坏,具有自锐行为,且在弹芯头部形成很薄的边缘层,仅在这层中金属玻璃基体破碎,钨纤维断裂,温度升高,质量消蚀。钨纤维复合材料穿甲弹的侵彻能力明显高于钨合金穿甲弹。     

钨合金/黄铜复合结构靶抗高速破片侵彻的实验研究

在二级轻气炮上对新设计的一种钨合金/黄铜的有间隙的复合结构靶板开展了抗侵彻实验研究。靶板材料为多层结构,层与层之间有10mm到50mm的间隙。为了得到最优的结构设计参数,在二级轻气炮上对这种结构的靶板进行了弹丸质量为3g～20g、弹丸速度为2000m/s～4100m/s的抗侵彻实验研究。研究结果表明,高密度、高硬度的93W合金板和H62黄铜是防护结构最佳选材之一;用它们的两组合设计的四层复合结构靶能抵抗质量约20g,速度约2000m/s的钢质破片的侵彻。这一研究结果为选择合理的防护结构提供实验支持。     

复合材料层板的抗贯穿机理与模拟研究

为了研究树脂基纤维增强复合材料层板的抗侵彻贯穿机理和动态力学行为与抗侵彻毁伤的关系, 通过球形破片模拟弹贯穿实验表征了复合材料层板抗高速侵彻的吸能特性;通过高速摄影技术分析了层板 贯穿过程的瞬态变形失效特点;采用CT扫描成像及SEM 电镜分析等手段研究了复合材料层板的抗贯穿破 坏耗能模式。实验结果显示,高速冲击下层板抗贯穿吸能与入射速度成正比;高速侵彻过程是复合材料层板 高应变率变形的动态过程,高应变率动态力学行为对复合层板抗贯穿吸能特性影响显著;冲击波在层板中的 传播特性决定了不同破坏模式阶段的划分以及损伤区域的范围。基于复合层板高速贯穿下的动力学瞬态分 析,建立了复合层板抗高速侵彻吸能的两阶段动态破坏模型,模型计算值与实验值符合良好。研究结果表明, 应变率效应与惯性效应在复合材料层板抗侵彻性能分析中是不可忽视的2个关键因素。     

不同温度下2种钨结构增强Zr基非晶合金的动态压缩性能

利用SHPB装置对钨丝增强Zr基非晶复合材料和钨骨架增强Zr基非晶复合材料进行了3种环境温度下多种应变率的动态压缩性能测试。比较了2种材料的动态力学性能,发现二者均具有应变率敏感性和较强的塑性变形能力。但二者承载机制存在较大差异。钨丝增强结构变形主要表现在钨丝的失稳,由数值模拟初步分析了这种局部结构失稳控制的变形以及热失稳现象;钨骨架增强结构变形前期钨骨架起主要承载作用,而不是各成分的共同作用,这导致材料的屈服强度比纯非晶和纯钨的低。     

80%钨纤维增强锆(Zr)基块体金属玻璃复合材料长杆弹侵彻钢靶实验研究

本文在765~1766m/s速度范围内,对钨纤维体积分数为80%的增强锆(Zr)基块体金属玻璃复合材料长杆弹进行侵彻Q235钢靶的穿甲试验,对残余弹体进行宏、细观观测,研究弹体材料的失效破坏模式。穿甲试验表明,在大于1000m/s速度侵彻时,钨纤维非晶弹拥有头形自锐能力,表现出优秀的侵彻能力。弹材变形和破坏主要发生于弹体头部边缘层,呈局域化和尖锐化特点,而且边缘层厚度在整个高速穿甲过程中保持动态平衡。由于非晶基体作用,弹体材料易发生剪切断裂等破坏,通过流动形成质量侵蚀并导致弹体头部边缘层形成自锐。     

Zr基非晶合金破片冲击破碎反应机制研究

为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的升高而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO₂。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好地解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。     

Zr基非晶合金JH-2模型的构建及应用

为构建Zr_62.5Nb₃Cu_14.5Ni₁₄Al₆非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型，采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法，对材料的Johnson-Holmquist本构模型（JH-2模型）参数进行了研究:材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到；无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定；材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定；破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟，通过数值模拟与实验结果对比的方式，验证材料模型的准确性。结果表明，平板冲击实验中，材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高；破片侵彻实验中，破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好，构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。     

On the permeability of fibre-reinforced porous materials

Biological tissues can be considered as composite materials comprised of a porous matrix filled with interstitial fluid and reinforced by impermeable collagen fibres. Motivated by studies on fluid flow in articular cartilage, we would like to quantify the undeformed configuration permeability of fibre-reinforced composite materials. If there is a sufficient scale separation between the internal structure of the porous matrix and the arrangement of the fibres, the matrix can be taken as a porous continuum at the fibre scale. In this case, the fibres can be treated as inclusions in a porous continuum, and the overall permeability of the composite can be evaluated using homogenisation procedures. For an isotropic homogeneous matrix, the symmetry of the system is governed by the orientation of the fibres. Here, we propose to retrieve the overall permeability through geometrical considerations and directional averaging methods. The special case of transverse isotropy is discussed in detail, with particular attention to the sub-cases of aligned fibres and fibres lying on a plane.     

钨纤维增强金属玻璃复合材料分段弹体侵彻性能研究

结合穿甲实验，基于复合材料细观有限元模拟，系统开展针对钨纤维增强金属玻璃复合材料分段弹体侵彻性能的研究，并与复合材料长杆弹进行对比分析。结果表明，相对于复合材料长杆弹显著的穿甲“自锐”行为和优异的侵彻性能，复合材料分段弹体在侵彻过程中的“自锐”特性有所减弱，且弹体结构容易发生分散，进而导致弹体侵彻能力明显降低。另外，分段数目和分段间隔等因素对复合材料分段弹体的侵彻性能具有一定影响，但总体而言，不同构型分段弹体的侵彻能力均弱于复合材料长杆弹。     

Simulation of crack propagation in fiber-reinforced bulk metallic glasses

Based on a phase-field model for deformation in bulk metallic glasses (BMGs), shear band formation and crack propagation in the fiber-reinforced BMG are investigated. Ideal unbroken fibers embedded in the BMG matrix are found to significantly influence the shear banding and crack propagation in the matrix. The crack propagation affected by fibers’ length and orientation is quantitatively characterized and is described by micromechanics models for composite materials. Furthermore, fractures in some practical fiber-reinforced BMG composites such as tungsten-reinforced Zr-based BMG are simulated. The relation between the enhanced fracture toughness and the mechanical properties of fiber reinforcements is determined. Different fracture modes of BMG-matrix composites are identified from the systematic simulation studies, which are found to be consistent with experiments. The simulation results suggest that the phase-field modeling approach could be a useful tool to assist the fabrication and design of BMG composites with high fracture toughness and ductility.     

Shear stability of metallic glasses

The effect of sample size on the shear deformation and compressive plasticity of different metallic glasses were investigated. The experimental results showed that the deformation and fracture behaviors of samples prepared from chemically identical Zr-, Ti-, Fe-, or Mg-based metallic glass ingots were strongly dependent on the sample size and machine stiffness, and a super-high compressive plasticity was achieved in the Zr-based metallic glasses with sample size of 1.0 mm in width. It is also found that the sample size can significantly influence the density of elastic energy dissipated in the shear band: with sample size decreasing and machine stiffness increasing, the density of the elastic energy dissipated in the shear band of metallic glasses is prominently decreased, thus the shear deformation turns to be more stable, resulting in the improvement of plasticity in ductile metallic glasses and the transition from fragmentation fracture to shear fracture in brittle metallic glasses. This finding is important for the potential applications of the present metallic glasses and for designing new metallic glasses with better mechanical properties.