破片撞击下YAG透明陶瓷复合靶的破坏特性

YAG透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能,是武器装备透明部分的优秀防护材料,在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景。冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要,能为透明复合靶设计提供依据。为获得YAG透明陶瓷多层复合靶的冲击破坏特性,利用内径9 mm的气体驱动发射平台进行了碳化钨球形破片在20～310 m/s速度下撞击YAG透明陶瓷复合靶的实验,通过高速摄影捕捉的陶瓷表面损伤演化过程,计算了典型径向、环向裂纹扩展速度。通过观测回收的靶体和YAG碎片的宏细观破坏特征,分析了撞击速度与靶体破坏特征之间的联系。结果表明,YAG陶瓷层径向裂纹和环向裂纹扩展速度均随着时间的延长线性降低,且裂纹扩展速度几乎不受撞击速度影响。陶瓷层中心粉碎区面积随撞击速度的提高而增大,且中间玻璃层破坏区域面积与陶瓷锥底面积相关联,陶瓷锥角与撞击速度关联性不强。同时,观察到陶瓷层在冲击破坏过程中出现了裂纹簇,获得了裂纹簇数量与破片撞击速度之间的关系,分析了裂纹簇的特征及其成因。裂纹变向、应力波作用会显著影响细观断面破坏特征。径向、环向和锥裂纹中沿晶断裂的比例均随着裂纹扩展距离的增大而增加,且穿晶比例随着撞击速度的提高而增加。     

考虑微结构特征的陶瓷材料含损伤本构模型

为了研究不同微结构陶瓷材料的冲击破坏特征,以从微结构角度出发、描述陶瓷材料非弹性变形和断裂行为的Deshpande-Evan模型为基础构建本构模型,计算了无约束条件下材料的应力状态。为了验证改进模型的有效性,将VUMAT子程序编程方法将与ABAQUS有限元软件相结合,并将其应用于典型陶瓷材料（YAG透明陶瓷）冲击破坏过程的分析模拟。采用改进模型分析应变率、应力三轴度、晶粒尺寸及初始缺陷分布密度对YAG透明陶瓷动态力学行为和损伤演化机制的影响规律。结果表明：随着晶粒尺寸和裂纹分布密度的增加,YAG透明陶瓷破坏程度随之加剧,完全损伤区域面积也随之增加,晶粒尺寸对YAG透明陶瓷宏观破坏特征的影响程度要大于裂纹分布密度;YAG透明陶瓷失效强度以及断裂应变随着晶粒尺寸以及初始缺陷分布密度的增大而减小;随着应变率不断增加,YAG透明陶瓷在不同晶粒尺寸以及初始缺陷分布密度下的峰值应力和断裂应变均随之增加;裂纹扩展速度会随着晶粒尺寸的增加呈现出先增加而后平缓的趋势,裂纹扩展速度与初始缺陷分布密度系数成线性关系。改进模型可以描述YAG透明陶瓷微结构对其宏观破坏特征的影响,为进一步分析微结构对陶瓷材料宏观...     

空爆冲击波与破片群联合作用下聚脲涂覆陶瓷复合装甲结构毁伤特性

基于均质钢板、聚脲涂层材料、SiC陶瓷材料设计了4种聚脲涂覆复合装甲结构,采用装药驱动预制破片试验方法开展了近炸下复合装甲结构毁伤特性实验研究,提出了各组分的毁伤破坏模式,对比分析了4种防护装甲结构的防护性能,探讨了复合装甲结构的防护机理。结果表明:作用于目标结构的破片动能远大于冲击波能,聚脲涂覆复合装甲结构的防护效能明显优于多层均质钢装甲,增加陶瓷厚度较增加背板、前面板厚度对提高整体防护效能更有效,破片撞击将引起陶瓷块大面积损伤,严重影响了其对后续着靶破片的防护性能。     

弹体侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余深度

为了研究钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)透明陶瓷及玻璃材料的抗弹性能和冲击破坏机制，开展了12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余侵彻深度实验研究。基于变形侵彻和刚性侵彻机制建立理论模型分析子弹撞击YAG透明陶瓷和玻璃的作用过程，并利用空腔膨胀模型确定了剩余弹体对2024T351航空铝的剩余侵彻深度。实验结果表明:YAG透明陶瓷对子弹有较强的破碎作用，其防护能力显著高于玻璃材料。理论模型计算得到的剩余弹体质量和侵彻深度结果与实验结果吻合较好，可见本文建立的理论模型可用于评估不同面板材料的抗弹性能。     

高强铝合金的动态拉伸断裂行为实验研究

在分离式霍普金森拉杆、三点弯曲和平板撞击加载下对棒材铝合金（2024-T4、7075-T6）进行动态拉伸断裂实验研究。实验结果表明：1）一维应力动态加载下 7075-T6铝合金的初始屈服应力与断裂应变明显高于2024-T4铝合金,但三点弯曲和平板撞击层裂实验中发现2024-T4铝合金相比于7075-T6铝合金具有更好的抗裂纹扩展与层裂失效能力,这表明应力状态对两种铝合金拉伸断裂行为有明显的影响; 2）断口的光学与扫描电镜分析发现：2024-T4铝合金主要表现出脆性断裂行为,起因于孔洞或裂纹主要成核于晶内强化相形成穿晶断裂;而7075-T6铝合金则展现出韧性和脆性混合断裂特征,原因是部分孔洞或裂纹在晶界成核增长发生沿晶断裂,部分在晶内强化相周围形成孔洞从而造成穿晶断裂。, 在分离式霍普金森拉杆、三点弯曲和平板撞击加载下对棒材铝合金（2024-T4、7075-T6）进行动态拉伸断裂实验研究。实验结果表明：1）一维应力动态加载下 7075-T6铝合金的初始屈服应力与断裂应变明显高于2024-T4铝合金,但三点弯曲和平板撞击层裂实验中发现2024-T4铝合金相比于7075-T6铝合金具有更好的抗裂纹扩展与层裂失效能力,这表明应力状态对两种铝合金拉伸断裂行为有明显的影响; 2）断口的光学与扫描电镜分析发现：2024-T4铝合金主要表现出脆性断裂行为,起因于孔洞或裂纹主要成核于晶内强化相形成穿晶断裂;而7075-T6铝合金则展现出韧性和脆性混合断裂特征,原因是部分孔洞或裂纹在晶界成核增长发生沿晶断裂,部分在晶内强化相周围形成孔洞从而造成穿晶断裂。     

压剪复合冲击下氧化铝陶瓷的剪切响应实验研究

通过对92.93%氧化铝陶瓷进行倾斜板碰撞实验,研究了多晶陶瓷材料在压剪复合冲击下的非弹性变形响应和剪切波传播规律。压剪复合冲击实验由57 mm开槽气体炮驱动铜飞片对陶瓷靶板加载,通过试件内埋植的电磁速度计来测量内部质点速度历程。将纵向粒子速度从感应电动势曲线中分离后得到横向粒子速度历程,发现在压剪复合冲击下由于材料剪切刚度的降低而引起的剪切波衰减。冲击软回收试件的扫描电子显微镜（SEM）观察表明,冲击载荷低于屈服强度时,多晶氧化铝陶瓷中存在沿晶界、气孔的微裂纹成核与扩展,在高于屈服强度的冲击加载下进一步产生了穿晶微裂纹,微裂纹系统导致了材料在卸载后的显著的体积膨胀。     

冲击波和高速破片联合作用下夹芯复合舱壁结构的毁伤特性

为探讨导弹战斗部近炸下舰船夹芯复合舱壁结构设计方法,采用TNT和预制破片近炸实验研究了典型夹芯复合舱壁结构在冲击波与高速破片联合作用下的破坏效应,分析了冲击波和破片联合毁伤载荷,指出了钢质面板和抗弹层的破坏模式,阐述了夹芯复合舱壁结构的防护机理。结果表明:预制破片装药近炸下,破片能远大于冲击波能,是防护结构的主要设计载荷;前面板主要是抵御冲击波,其变形破坏整体为挠曲大变形,局部为集团破片冲塞破口、破片穿孔和撞击凹坑;背板以挠曲大变形吸能为主;陶瓷材料碎裂严重,部分陶瓷碎片反向飞溅撞击前面板;纤维增强复合材料发生了纤维断裂、基体开裂、整体弯曲大变形及分层等破坏,抗弹层应避免产生穿透性破坏。     

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。     

抵御小口径火炮弹道侵彻装甲防护模拟实验研究

为研究舰艇结构在小口径火炮弹道冲击下的响应以及各种舰用装甲结构抵御小口径火炮弹道冲击的有效性,以典型的小口径火炮战斗部为模拟对象,根据弹道冲击的相似理论,分别设计了模拟实验的弹体和6种靶板结构,并进行了弹道冲击实验研究。模拟实验结果表明,普通舰艇结构不能抵御小口径火炮弹道侵彻,必须设置专门的防护装甲;采用陶瓷/钢/纤维增强复合材料组合装甲结构抵御小口径火炮时,装甲防护结构比均质钢装甲减轻约60%;陶瓷材料能改变背板的破坏形式和破坏程度,大大增加背板的吸能量,此外,陶瓷对弹体的侵蚀、钝化及碎裂能大大降低弹体的侵彻能力。     

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻特性

界面击溃/驻留效应可以有效提高装甲陶瓷的抗侵彻能力。为研究长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃及侵彻特性,开展了长杆弹撞击装甲陶瓷实验研究。同时,基于裂纹扩展理论建立了考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷计算模型,以定量描述界面击溃/驻留效应对装甲陶瓷抗侵彻性能的影响。不同弹靶条件下的界面击溃/侵彻转变速度、界面驻留时间、侵彻速度与侵彻深度的理论计算值与实验结果具有较好的一致性,表明计算模型可靠。在此基础上,分析了弹体及陶瓷材料对界面击溃/驻留及侵彻过程的影响规律。研究结果表明:随着弹体撞击速度的提高,陶瓷表面由界面击溃向侵彻转变。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型,可以较好地反映不同弹体撞击速度对应的弹靶作用模式。弹体材料的屈服强度和密度越高,界面驻留时间越短,弹体侵彻靶体的能力越强;陶瓷的屈服强度越高,界面击溃/驻留效应越显著,靶体的抗侵彻能力越强。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型揭示了部分界面击溃作用机理,可为陶瓷复合靶的设计提供参考。     

基于连续-非连续单元法的三维脆性颗粒冲击破碎特性分析

通过在连续-非连续单元法(CDEM)中引入考虑应变率效应的断裂能本构以及能量统计算法,实现了球体冲击破碎过程中损伤破裂程度及能量演化的定量分析。计算结果表明,冲击破碎过程分为接触蓄能阶段、损伤破碎阶段和碎块飞散阶段。首先,颗粒的部分动能转化为单元弹性变形能,随后这部分变形能和动能迅速转化为摩擦消耗、阻尼消耗及弹簧断裂能,破碎基本完全后碎块继续飞散。不同冲击速度下,颗粒分别出现了反弹、开裂、破碎和粉碎的现象。随冲击速度的增加,D50的变化速率逐渐放缓,破碎块度逐渐趋于稳定;破裂度、损伤度以及平均损伤因子的变化速率先增加后放缓,颗粒破坏以拉伸破坏为主。以上结论可为脆性材料冲击破碎工艺的优化设计提供依据。     

On the toughening of brittle materials by grain bridging: Promoting intergranular fracture through grain angle, strength, and toughness

The structural reliability of many brittle materials such as structural ceramics relies on the occurrence of intergranular, as opposed to transgranular, fracture in order to induce toughening by grain bridging. For a constant grain boundary strength and grain boundary toughness, the current work examines the role of grain strength, grain toughness, and grain angle in promoting intergranular fracture in order to maintain such toughening. Previous studies have illustrated that an intergranular path and the consequent grain bridging process can be partitioned into five distinct regimes, namely: propagate, kink, arrest, stall, and bridge. To determine the validity of the assumed intergranular path, the classical penetration/deflection problem of a crack impinging on an interface is re-examined within a cohesive zone framework for intergranular and transgranular fracture. Results considering both modes of propagation, i.e., a transgranular and intergranular path, reveal that crack-tip shielding is a natural outcome of the cohesive zone approach to fracture. Cohesive zone growth in one mode shields the opposing mode from the stresses required for cohesive zone initiation. Although stable propagation occurs when the required driving force is equivalent to the toughness for either transgranular or intergranular fracture, the mode of propagation depends on the normalized grain strength, normalized grain toughness, and grain angle. For each grain angle, the intersection of single path and multiple path solutions demarcates “strong” grains that increase the macroscopic toughness and “weak” grains that decrease it. The unstable transition to intergranular fracture reveals that an increasing grain toughness requires a growing region of the transgranular cohesive zone be near the cohesive strength. The inability of the body to provide the requisite stress field yields an overdriven and unstable configuration. The current results provide restrictions for the achievement of substantial toughening through intergranular fracture.     

Experimental Observations on Dynamic Response of Selected Transparent Armor Materials

Structural transparent material systems are critical for many military and civilian applications. Transparent armor systems can consist of a wide variety of glass laminate assemblies with polymeric bonding interfaces and backing as well as the inclusion of polycrystalline ceramic (AlON, spinel) and single crystals (sapphire) as front facing materials. Over the last 20 years as the threats have escalated and become more varied, the challenges for rapidly developing optimized threat specific transparent armor packages have become extremely complex. Ultimate failure of structural ceramics in impact events is a function of the temporal and spatial interaction of the macro-stresses at the macro-, micro- and nano-structural scale, including elastic and inelastic (plastic) deformation, crack nucleation, damage evolution and resulting failure from the macro-scale (top down) and/or from the nano-scale (bottom up). In order to accelerate the development of validated design and predictive performance models, a systematic series of experimental investigations have been carried out on various non-crystalline ceramics (glass), single crystal (sapphire) and polycrystalline ceramics (AlON). The Edge-on Impact (EOI) test coupled with a high-speed Cranz-Schardin film camera has been extensively used on a variety of monolithic and laminated glasses, AlON and crystallographically controlled sapphire single crystals to visualize and quantify stress wave, crack and damage propagation. A modified Kolsky bar technique instrumented with a high speed digital camera has been utilized in an unconfined and confined test sample mode to examine the dynamic deformation and failure of AlON undergoing uniaxial, high strain rate compression. Real time photography has clearly demonstrated the critical influence of defects and post mortem characterization of fragments resulting from these tests have revealed the influence of micro-deformational twining and cleavage down to the nano-scale. Finally, a brief summary of work using ultra-high-speed photography of the impact of conventional projectiles on glass and AlON will be presented. These experimental results will be absolutely critical to help evolve and validate existing models used in computer codes to simulate the impact performance of brittle materials.     

轻型陶瓷/金属复合装甲抗垂直侵彻过程中陶瓷碎裂行为研究

为探讨轻型陶瓷复合装甲抗侵彻过程中陶瓷的碎裂行为,采用12.7 mm穿燃弹对不同背板厚度及陶瓷厚度下陶瓷/金属复合装甲进行弹道冲击试验。通过观测回收的靶体陶瓷宏观破坏特征,分析不同厚度组合与陶瓷主要破坏特征之间的关系;并通过对陶瓷碎块的多级筛分称重,分析不同厚度组合下陶瓷面板的碎块尺度分布规律。结果表明,陶瓷锥是陶瓷面板的主要破坏形态,其宏观裂纹主要有:径向裂纹、环向裂纹和锥形裂纹。陶瓷锥内可细分为由高压缩应力引起的粉末状较小陶瓷碎块组成的陶瓷粉碎锥和由应力波造成的较大片状陶瓷碎块组成的陶瓷破碎锥。冲击后陶瓷锥内陶瓷碎片尺度分布满足Rosin-Rammler分布模型,当背板厚度增大时,陶瓷半锥角增大,导致陶瓷锥整体体积增大,破碎区占比亦增大,产生的陶瓷碎块以大粒径碎块为主,陶瓷锥内整体破碎尺度增大。当陶瓷厚度增大时,陶瓷锥半锥角及径向裂纹数量基本不变,陶瓷锥内粉碎区占比增大,整体破碎尺度减小。     

Al2O3陶瓷动静态压缩下碎片形貌与破坏机理分析

为探究Al₂O₃陶瓷的宏观力学响应与破坏机理,分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验,同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程,并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明,Al₂O₃陶瓷的抗压强度符合Weibull分布,且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂,宏观表现为劈裂裂纹较少,且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样;而动态加载时穿晶断裂占主导地位,劈裂裂纹明显增加并发生相互作用,因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹,提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致,即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。     

Damage Mechanisms Perspective on Superior Ballistic Performance of Spinel over Sapphire

Sapphire and magnesium spinel are two commonly used transparent armor materials. Although it is commonly believed that better mechanical properties often result in better field performance, the ballistic performance of spinel is reported to be superior to sapphire despite its inferior mechanical properties. The above discrepancy has been rationalized on the basis of mechanisms of deformation during impact loading. After reviewing the reported ballistic performance results on spinel and sapphire, we will discuss the relevant mechanical properties and their inability to explain the observed paradoxical behavior. We will then present differences in static (15 s duration) and dynamic (100 μs duration) indentation fracture characteristics and compare these observations to fracture modes witnessed during ball-on-rod impact tests. Lastly, the energy absorbed in various deformation mechanisms for each material is compared to draw a rationale for the intriguing behavior of spinel. Fracture along crystallographic planes in sapphire during ball impact allows large fragments to be ejected causing a significant loss in structural integrity and deeper projectile penetration, whereas the mixed mode fracture in spinel produces fine debris which opposes the incoming projectile and causes severe deceleration and erosion of the ball. Thus a mechanism based rationale has been provided to describe the superior performance of spinel over sapphire.     

多孔铁电陶瓷冲击压缩响应与损伤演化的离散元数值模拟

采用flat-joint粘结模型,建立多孔铁电陶瓷在一维应变冲击压缩下的PFC (particle flow code)颗粒流离散元模型,通过数值模拟再现了平板撞击实验中实测的自由面速度剖面历史,并揭示了多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程与损伤演化机制。多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程可分4个阶段:弹性变形、失效蔓延、冲击压溃变形、冲击Hugoniot平衡状态;其中,失效蔓延的内在机制是由剪切裂纹的成核与增长,而冲击压溃变形的主要机制是孔洞的塌缩以及层状剪切裂纹的形成与扩展;冲击速度与孔隙率对铁电陶瓷的响应有显著的影响,Hugoniot弹性极限强烈依赖于孔隙率,但与冲击速度的大小无关,宏观损伤累积随着冲击速度和孔隙率的增加而增加。