弹丸冲击下材料微结构演化及绝热剪切特性

本书研究了钢弹、钨合金穿甲弹在不同冲击速度下冲击不同材质、不同厚度的靶板，分析在冲击条件改变时，靶板材料的微观结构变化，并对材料的破坏机制、破坏过程进行了分析。本书从材料学角度研究了绝热剪切带的分类及形成机理，提出了位错塞积崩塌的绝热剪切形成机理；研究了连续梯度材料中绝热剪切特性，提出了剪切带孕育区和发散的观点。本书适用于关注材料研究工作的科研人员、军工企业研发人员，以及军工院校材料专业师生。

段占强：男，博士，1970年生。1992年毕业于东北工学院，学士，1998年东北大学硕士，2002年中国科学院金属研究所博士。主要研究方向：纳米复合材料制备与性能，高应变率下材料的微结构演化。

章 概述 1
1.1 穿甲与装甲防护 1
1.2 穿甲作用在碰撞问题中的地位 1
1.2.1 穿甲作用的分类方法 2
1.2.2 穿甲作用的应变率范围 2
1.3 靶板 2
1.4 弹体的碰撞现象 5
1.5 材料高速变形的动态行为及试验方法 6
1.5.1 穿甲过程中的力学问题研究 6
1.5.2 穿甲过程中的材料学问题研究 10
1.6 冲击过程中弹丸的损伤破坏研究 19
参考文献 20
第2章 钨合金穿甲弹对45钢靶板冲击穿孔的微观结构演化及其破坏机理 23
2.1 试验材料和试验方法 24
2.1.1 试验材料 24
2.1.2 试验过程 25
2.2 试验结果与讨论 25
2.2.1 靶板的显微组织 25
2.2.2 残余弹体的显微组织 40
2.2.3 侵彻过程分析 42
参考文献 43
第3章 钨合金穿甲弹对45钢靶板冲击的微观结构演化及其破坏机理 45
3.1 试验材料 45
3.2 试验过程 46
3.3 结果和讨论 46
3.3.1 钨合金穿甲弹嵌入45钢靶板的显微组织 46
3.3.2 钨合金穿甲弹穿透45钢靶板的显微组织 47
3.3.3 残余弹体的显微组织 51
第4章 钢弹对45钢靶板冲击的微观结构演化 53
4.1 试验材料 53
4.2 试验过程 54
4.3 结果和讨论 54
4.3.1 弹坑的宏观形貌 54
4.3.2 残余弹体与靶板的显微组织 55
4.3.3 显微硬度试验 59
4.4 侵彻过程分析 60
参考文献 61
第5章 钨合金穿甲弹对30CrMnMo装甲钢靶板垂直侵彻和斜侵彻的微观结构演化 62
5.1 钨合金穿甲弹对30CrMnMo装甲钢靶板垂直侵彻的显微组织研究 62
5.1.1 试验材料 63
5.1.2 试验过程 64
5.1.3 结果和讨论 64
5.1.4 30CrMnMo装甲钢靶板5号弹坑周围的绝热剪切带 72
5.1.5 残余弹体的显微组织 73
5.1.6 侵彻过程分析 76
5.2 钨合金穿甲弹对30CrMnMo装甲钢靶板斜侵彻的显微组织研究 76
5.2.1 试验材料和试验过程 77
5.2.2 试验结果 77
5.3 本章结论 81
参考文献 81
第6章 钨合金穿甲弹对25SiMnMo装甲钢靶板侵彻的微观结构演化 83
6.1 试验材料 83
6.2 试验过程 84
6.3 结果和讨论 84
6.3.1 三个弹孔及其宏观形貌 84
6.3.2 三个弹孔周围的显微组织 85
6.3.3 弹丸对靶板的侵彻过程及靶板破坏机理分析 95
6.4 本章结论 95
参考文献 96
第7章 钨合金穿甲弹对连续梯度装甲钢靶板侵彻的研究 97
7.1 连续梯度装甲钢的制备及性能 97
7.2 试验结果分析 102
7.2.1 靶场试验 102
7.2.2 弹孔的宏观形貌 102
7.2.3 靶板中出现的几种绝热剪切带 102
7.2.4 纳米压痕仪测试结果及分析 106
7.3 本章结论 110
参考文献 111
第8章 弹丸对靶板侵彻过程的理论探讨 112
8.1 靶板厚度的特性分析 112
8.2 弹坑容积 114
8.3 钨弹对45钢靶板侵彻过程中穿孔表面的冷却 116
8.4 绝热剪切带的形成原因 118
8.4.1 绝热剪切带形成原因的力学分析 118
8.4.2 绝热剪切带形成的材料学分析 122
8.5 本章结论 128
参考文献 129

"前言
随着科学技术的迅速发展，高速碰撞问题越来越得到人们的重视。材料在高应变速率下变形行为的研究不仅在航空航天、装甲防护领域，而且在高速切削、爆炸焊接等材料加工领域也得到迅猛发展。在日常生活中，高速列车、汽车的安全防护也涉及这些问题。材料在高应变率下的变形行为已成为现代材料研究的热点之一。
虽然关于高应变率下材料微结构演化的论文数量巨大，但由于高速变形问题的复杂性和不可复制性，目前国内外尚无从材料学角度系统论述高应变率下材料变形行为的专著，更多的是从力学研究及力学与材料学结合的角度来论述。本书以弹丸侵彻靶板为研究对象，力图从材料微观结构演化中给出一些高速冲击现象的材料学解释，为高应变率下材料的理论研究提供一些新思路。
材料在冲击作用下的高速变形特征与准静态时不同。在高速变形时伴随着材料的流动、破碎等现象，而观察材料的微观结构会发现，其中出现了绝热剪切带等特征。对此，以往的研究结果表明，绝热剪切带的出现会使材料发生突然、灾难性的破坏。本书通过不同材料的弹丸对不同材料的靶板进行穿甲试验，分析在冲击条件改变时材料微观结构的变化，并对材料的破坏机制和绝热剪切带的形成进行分析。
钨合金弹丸对45钢靶板的冲击，从弹靶界面到靶板内部可分为熔化快凝层、再结晶细晶层、变形细晶层、形变层和正常基体。弹丸的变形以垂直于侵彻方向被压缩成片层状为主，当压缩到临界值时弹丸破碎，弹丸的变形区域局限在距碰撞点3mm的范围内。
钢弹对45钢靶板的冲击，从弹靶界面到靶板内部的组织与钨合金弹丸冲击45钢靶板相同。而对残余弹体的分析表明，冲击过程中弹丸以脆性的绝热剪切方式破坏，弹体的碎片与弹靶基体的碰撞、摩擦使碎片周围出现如同爆炸焊接的组织。
钨合金弹丸对装甲钢靶板的冲击，从弹孔表面到靶板内部可分为熔化快凝层、扩散层、变形层和正常基体。弹丸以剪切变形为主，在残余弹体内出现初期的绝热剪切带。由于冲击速度不同，在穿孔和弹丸嵌入形成的弹孔周围出现了几类绝热剪切带，第一类是与侵彻方向夹角约为45°的绝热剪切带；第二类是与侵彻方向反向夹角约为45°的绝热剪切带；第三类在开坑阶段形成，绝热剪切带起始于材料内部，终止于材料内部
钨合金弹丸对具有连续梯度的微观结构和力学性能的装甲钢靶板的侵彻，形成了多种形式的绝热剪切带。通过金相观察得知，绝热剪切带不只在45°方向上形成，而是沿多个方向形成，而且绝热剪切带有明显的孕育区。
本书提出了绝热剪切带形成的位错塞积模型，在强度越高的材料中，位错运动越容易在位错障碍处塞积，且位错塞积的程度也越大，使这种位错塞积发生崩塌所需的应力也越大。当位错障碍崩塌时，形成高密度的自由位错，导致材料局部的应力和应变大大超过周围的基体，这种变形沿剪应力最大的方向发展并最终形成绝热剪切带。
本书由段占强和商艳共同完成。感谢中国科学院金属研究所李守新研究员对本书进行审阅，并提出了许多宝贵意见；感谢程国强教授在本书的理论分析中给予的帮助；感谢张烨同学在钨合金穿甲弹对连续梯度装甲钢靶板侵彻研究工作中的贡献。
由于著者水平有限，书中难免有不妥之处，望读者给予批评指正。

著者
2019年1月2日
于沈阳"