W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片侵彻能力与后效研究

将W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片装入弹体制备成预制破片弹丸,并进行实爆试验,研究W骨架/Zr基非晶合金复合材料预制破片侵彻靶板的能力,以及预制破片贯穿靶板后对棉被、油箱的引燃能力。结果表明:制备的W骨架/Zr基非晶合金复合材料密度大、强度高,爆炸完整性和侵彻能力能够满足作为榴弹预制破片的要求;W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片侵彻过程中自身变形是影响侵彻能力的主要原因之一;W骨架/Zr基非晶合金复合材料预制破片侵彻和贯穿靶板的过程中伴随着强烈的爆轰,当穿透率足够高时,预制破片的爆轰作用能够引燃靶后的棉被和油箱。     

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。     

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。     

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。     

铁基大块非晶合金的摩擦磨损性能研究

采用电弧熔炼、铜模吸铸法制备Fe基大块非晶合金,利用球-盘式摩擦磨损试验机进行干摩擦磨损试验,研究了铸态Fe基大块非晶合金的摩擦磨损行为及热处理对其耐磨性的影响,利用扫描电子显微镜观察合金磨损表面形貌,分析了Fe基大块非晶合金以及相同成分晶态合金的磨损机理.结果表明:在本试验条件下,铸态Fe基大块非晶合金的耐磨性高于相同成分的晶态合金,热处理可以有效提高铸态Fe基大块非晶合金的耐磨性,在保持完全非晶状态的前提下,退火态非晶合金的磨损率较铸态非晶合金减小约40%;材料的结构和性能对合金的摩擦系数影响不大,当进入稳定阶段后Fe基大块非晶合金的摩擦系数稳定在0.58左右;不同处理状态的Fe基大块非晶合金和相同成分晶态合金的磨损机制不同,非晶合金的磨损机制以疲劳磨损为主兼有磨粒磨损,相同成分晶态合金的磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损共同作用的结果.     

预压下锆基块体非晶合金的热冲击变形与破坏

实验研究了不同预压载荷与加热速率下Zr51Ti5Ni10Cu25Al9块体非晶合金的失效温度和破坏规律, 发现预压力和温升率较低时, 随着温度的升高, 材料强度减小, 样品最后发生塑性变形; 预压力和温升率较高时样品则发生剪切断裂, 且发生剪切破坏时样品的温度高于其玻璃化转变温度.基于变温条件下的结构弛豫模型, 分析了块体非晶合金在快速加热条件下的变形过程,给出了材料发生屈服时的温度与温升率、预压力与屈服温度之间的相互关系, 并得出了实验结果的拟合关系式. 对回收样品断裂面进行分析, 发现了与恒温压缩断裂明显不同的断裂特征. 最后分析了预压载荷下快速加热过程中上述材料发生剪切破坏的临界条件.      

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.      

动态压缩下Zr基非晶合金失效释能机理

为研究Zr基非晶合金动态压缩条件下的失效释能机理，采用力学试验机、霍普金森杆、高速摄影、差示扫描量热分析（differential scanning calorimetry, DSC）、扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）等，得到了材料应力应变曲线、高速摄影图像、失效式样微观形貌及DSC曲线，根据实验数据计算了材料的晶化激活能，并拟合了材料的JH-2（Johnson-Holmquist II）模型，对材料动态失效过程进行有限元数值模拟。实验结果表明，压缩条件下材料为脆性断裂，断口处观察到典型的脉状纹样及液滴状结构，材料失效过程伴随着释能现象；数值模拟结果表明，材料裂纹局部的瞬时内能大于材料晶化激活能。动态压缩下材料的失效释能机理即为材料破碎释放储存的弹性势能，并导致材料局部晶化释能，释能强度与应变率成正相关。     

局部淬火对金属柱壳动态断裂行为的影响

采用高能束局部淬火技术对金属柱壳进行预制破片,结合淬硬层组织和性能的变化特征,对内部爆炸载荷作用下壳体的动态断裂行为进行了研究,并将其与壳体自然破碎结果进行了对比。实验结果表明:壳体局部由于快速熔化-凝固导致相变,形成淬硬层,其组织主要为针状马氏体,晶粒细化,硬度提高约64%,但冲击功下降15.4%~35.0%,脆化倾向明显;淬硬层对剪切带形成敏感性有着明显影响,壳体基本沿淬硬层断裂并发生破碎,破片形状规则,质量范围为0.2g~0.3g的有效破片比重接近90%,远高于自然破碎的有效破片比重(35%)。     

活性无序合金冲击的释能特性及在毁伤元中应用研究进展

无序合金是一种新型金属材料,突破了传统的合金设计理念,表现出不同于传统合金的优异力学性能、冲击释能及剪切自锐特性,在高温、高压、高应变率等环境具有良好的应用前景。分析活性无序合金的冲击释能特性对其应用于军事领域有着重要的指导作用,能为弹药战斗部的设计提供参考。本文阐述了静动态力学实验中典型无序合金的反应释能现象;总结了撞击速度与活性无序合金释能超压、释能效率之间的关系;讨论了撞击速度、材料破碎程度及靶标特征等因素对活性无序合金释能机理的影响;归纳了制备工艺及元素类型对活性无序合金释能特性的调控效果。进一步,本文梳理了活性无序合金在破片、穿甲弹芯和聚能装药战斗部三个方向的应用研究进展,分析了活性无序合金毁伤元的侵彻行为和作用机制。最后,针对活性无序合金材料未来的发展趋势和需求进行了展望。     

动高压加载下锆基金属玻璃强度测量

为了研究Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉金属玻璃的高压强度特性,进行了平靶冲击实验。采用反向碰撞方式,运用DISAR技术测量金属玻璃样品/LiF窗口界面粒子速度剖面,分析粒子速度剖面获得了37~66GPa压力范围锆基金属玻璃的屈服强度和剪切模量。实验结果表明,在上述压力范围金属玻璃的屈服强度和剪切模量均显示出一定程度的压力硬化效应,分析表明金属玻璃冲击加载波阵面剪应力衰减并非由损伤/破坏或温度软化等因素导致。     

爆炸驱动典型活性材料能量释放特性研究

为了研究活性材料爆炸驱动反应特性，基于粉末压制成型工艺，制备了Al/PTFE、Al/Ni两种典型的活性材料及Al₂O₃/PTFE、Al₂O₃/PTFE/W惰性材料。通过爆炸驱动试验，并结合高速摄影、远红外热像仪以及峰值超压测试技术，分析了不同活性材料壳体装药爆炸火球、温度场分布及空气冲击波峰值超压等特性。同时，在炸药爆炸空气冲击波峰值超压经验计算模型中考虑了活性材料释放的化学能，分析了反应释放能量对空气冲击波的影响规律。结果表明:活性材料在爆炸驱动过程中经历了强加载条件下反应、产生碎片并向四周飞散、撞击钢板及后续反应等阶段。活性材料对炸药爆炸产生的空气冲击波具有强化作用，爆炸加载瞬间材料仅发生了部分化学反应。     

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。     

Coupled thermo-mechanical modelling of bulk-metallic glasses: Theory, finite-element simulations and experimental verification

A three-dimensional, finite-deformation-based constitutive model to describe the behavior of metallic glasses in the supercooled liquid region has been developed. By formulating the theory using the principles of thermodynamics and the concept of micro-force balance [Gurtin, M., 2000. On the plasticity of single crystals: free energy, microforces, plastic-strain gradients. J. Mech. Phys. Solids 48, 989-1036], a kinetic equation for the free volume concentration is derived by augmenting the Helmholtz free energy used for a conventional metallic alloy with a flow-defect free energy which depends on the free volume concentration and its spatial gradient. The developed constitutive model has also been implemented in the commercially available finite-element program ABAQUS/Explicit (2005) by writing a user-material subroutine. The constitutive parameters/functions in the model were calibrated by fitting the constitutive model to the experimental simple compression stress-strain curves conducted under a variety of strain-rates at a temperature in the supercooled liquid region [Lu, J., Ravichandran, G., Johnson, W., 2003. Deformation behavior of the Zr-Ti-Cu-Ni-Be bulk metallic glass over a wide range of strain-rates and temperatures. Acta Mater. 51, 3429-3443].With the model calibrated, the constitutive model was able to reproduce the simple compression stress-strain curves for jump-in-strain-rate experiments to good accuracy. Furthermore stress-strain responses for simple compression experiments conducted at different ambient temperatures within the supercooled liquid region were also accurately reproduced by the constitutive model. Finally, shear localization studies also show that the constitutive model can reasonably well predict the orientation of shear bands for compression experiments conducted at temperatures within the supercooled liquid region [Wang, G., Shen, J., Sun, J., Lu, Z., Stachurski, Z., Zhou, B., 2005. Compressive fracture characteristics of a Zr-based bulk metallic glass at high test temperatures. Mater. Sci. Eng. A 398, 82-87].     

适用于自洽强度方法的冲击加载-再加载实验技术

针对自洽强度方法存在的冲击加载-再加载的难题,提出了一种采用较高硬度材料为支撑制作组合飞片的简便方法。利用该方法获得了铝、锡和锆基金属玻璃较理想的冲击加载-再加载粒子速度剖面,验证了该方法的有效性。由本文获得的冲击加载-再加载粒子速度剖面,并根据自洽方法,计算得到了铝、锡和锆基金属玻璃再加载过程剪应力变化数据。进一步分析表明,在本文涉及的压力范围内,仅由冲击加载-卸载实验得到的铝、锡和锆基金属玻璃屈服强度将比实际结果降低20%~50%。因此,在采用自洽方法计算高压强度时,冲击加载-再加载数据不可或缺。     

快速烤燃条件下B炸药战斗部的临界泄压面积

为了确定战斗部装药在快速烤燃条件下能稳定燃烧的临界泄压面积,基于质量守恒定律和气体状态方程,建立了战斗部壳体内考虑炸药初始温度和排气孔排气的气体压力增长模型。以B炸药圆柱战斗部为研究对象,研究了炸药意外点火后能稳定燃烧的A_V0/S_B(临界泄压面积/炸药外表面积)确定方法,并与实验值进行了比较。结果表明,本文建立的模型能够很好地预测B炸药战斗部的临界泄压面积。研究了战斗部炸药装药表面积、炸药初始温度、空气体积占比和炸药燃速对A_V0/S_B的影响,并将不同温度的模型预测值与实验值进行了比较。结果表明：炸药装药表面积对A_V0/S_B基本没有影响;A_V0/S_B与温度和炸药燃速成正相关,与空气体积占比成负相关;不同温度的模型预测值A_V0/S_B与实验值吻合较好。     

Origin of anomalous inverse notch effect in bulk metallic glasses

Understanding notch-related failure is crucial for the design of reliable engineering structures. However, substantial controversies exist in the literature on the notch effect in bulk metallic glasses (BMGs), and the underlying physical mechanism responsible for the apparent confusion is still poorly understood. Here we investigate the physical origin of an inverse notch effect in a Zr-based metallic glass, where the tensile strength of the material is dramatically enhanced, rather than decreased (as expected from the stress concentration point of view), by introduction of a notch. Our experiments and molecular dynamics simulations show that the seemingly anomalous inverse notch effect is in fact caused by a transition in failure mechanism from shear banding at the notch tip to cavitation and void coalescence. Based on our theoretical analysis, the transition occurs as the stress triaxiality in the notched sample exceeds a material-dependent threshold value. Our results fill the gap in the current understanding of BMG strength and failure mechanism by resolving the conflicts on notch effects and may inspire re-interpretation of previous reports on BMG fracture toughness where pre-existing notches were routinely adopted.