孔慶強，沈 飛，邢逸凡，呂永柱，曹玉武

（西安近代化學研究所，陜西 西安 710065）

G50 鋼是一種無鈷高強高韌鋼材，具有足夠高的強度、斷裂韌性和抗沖擊載荷的能力，在航空、航天和軍事領域應用漸廣，尤其作為新一代戰(zhàn)術侵徹戰(zhàn)斗部的殼體材料得到了廣泛應用[1-2]。G31 鋼是目前國內(nèi)研制出來的另一種新型高強高韌鋼材，在研制過程中通過調(diào)整化學成分與制造工藝，令其具有與G50 鋼相當?shù)撵o態(tài)力學性能，并且其使用成本較G50 鋼大幅降低。G31 鋼作為G50 鋼的低成本替代品，因投入應用較晚，目前在軍工領域的應用較少，尤其是對于力學性能要求較高的侵徹戰(zhàn)斗部殼體材料，還未見相關應用。

針對G50 鋼和G31 鋼的性能對比研究，國內(nèi)目前常用的手段有準靜態(tài)試驗、動態(tài)霍普金森桿試驗[3-4]，但這些試驗手段不能完全反映該系列材料在工程應用中的超高壓及超高應變率行為。為了能夠更好地研究G50 鋼和G31 鋼在超高壓及超高應變率下的性能差異，設計了一種模擬侵徹戰(zhàn)斗部穿靶過程中殼體破壞形態(tài)的爆轟加載試驗，并結(jié)合準靜態(tài)、動態(tài)試驗方法，系統(tǒng)對比G50 鋼與G31 鋼的準靜態(tài)、動態(tài)力學性能及爆轟加載下的差異，以期為該材料在相關領域的應用提供參考。

1 常規(guī)試驗方法及結(jié)果

1.1 試驗材料

試驗選用的G50 鋼和G31 鋼的化學成分如表1 所示[5]。試驗前對兩種鋼分別進行熱處理，G50 鋼熱處理制度為：920 ℃ × 2 h、空冷，880 ℃ × 2 h、油淬，280 ℃ × 4 h、空冷；G31 鋼熱處理制度為：960 ℃ × 2 h、空冷，660 ℃ × 4 h、空冷，950 ℃ × 2 h、油淬，300 ℃ × 4 h、空冷[5]。

1.2 準靜態(tài)加載試驗及結(jié)果

用熱處理后的G50 鋼與G31 鋼制備出3 個拉伸試樣和3 個沖擊試樣，拉伸試驗使用WDW-300E 微機控制電子萬能試驗機進行，沖擊試驗使用JBW-300B 微機控制半自動沖擊試驗機進行[6]。試驗結(jié)果如表2 所示，通過對比試驗結(jié)果可以看出G50 鋼與G31 鋼在準靜態(tài)條件下的抗拉強度( σb)、屈服強度( σs)及沖擊韌性（表2 中αku）等力學性能非常相近，由此可以判定兩種鋼材在準靜態(tài)條件下的抗拉強度、屈服強度、塑性（表2 中A 和Z）及沖擊韌性屬于同一水平。

表1 G50 鋼與G31 鋼主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical constituents of G50 steel and G31 steel (Mass fraction) %

表2 G50 鋼與G31 鋼準靜態(tài)力學性能Table 2 Quasi-static mechanical properties of G50 steel and G31 steel

1.3 常規(guī)動態(tài)加載試驗及結(jié)果

用熱處理后的G50 鋼與G31 鋼制備出直徑5 mm、厚度3 mm 圓柱形試樣進行動態(tài)力學性能試驗，獲得了兩種鋼在1 000、2 000 和3 000 s-13 個應變率下的應力-應變曲線。動態(tài)力學性能試驗是在分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置上進行的。試驗過程中，針對每種應變率進行了3 次試驗，由于子彈速度難以精確控制，因此：若3 發(fā)試驗中試樣的應變率相對偏差在 ± 2.5%以內(nèi)，且數(shù)據(jù)處理結(jié)果吻合度較好，則取實際應變率最接近目標值的曲線作為最終試驗結(jié)果；若相對偏差超過 ± 2.5%，則繼續(xù)增加試驗次數(shù)，直到有3 發(fā)試驗結(jié)果滿足相對誤差的要求[7]。

圖 1 為 G50 鋼和 G31 鋼分別在 1 100、2 050 和3 100 s-1應變率條件下的應力-應變曲線。對比曲線，并結(jié)合表3 兩種鋼在不同應變率下的應力峰值分析可得：3 種應變率下的G50 鋼和G31 鋼的應力峰值均超過2 200 MPa，且隨著應變率的提高，應力峰值也相應提高，說明兩種材料均具有一定的應變強化效應[8]；同時兩種材料在不同應變率下的應力-應變曲線整體吻合度較好，說明這兩種材料的強度和塑性屬于同一水平。

圖1 G50 鋼和G31 鋼在不同應變率條件下的應力-應變曲線Fig. 1 Stress-strain curves of G50 steel and G31 steel in different strain rates

表3 G50 鋼和G31 鋼在不同應變率條件下的應力峰值Table 3 Peak stresses of G50 steel and G31 steel in different strain rates

2 爆轟加載試驗

2.1 試驗設計

侵徹戰(zhàn)斗部殼體在高速侵徹靶體時，殼體與靶之間劇烈作用，殼體頭部與靶體的撞擊接觸面產(chǎn)生高壓及高溫，出現(xiàn)因熱/力學環(huán)境超過材料強度而引起的侵蝕破壞，其附近區(qū)域由于壓力超過彈體材料的屈服強度，進入塑性流動狀態(tài)，在沖擊壓縮及升溫軟化的作用下產(chǎn)生蘑菇頭墩粗變形甚至破壞[9-10]。由于侵徹速度通常為1.5～3.0 Ma（Ma 為馬赫數(shù)），因此殼體在侵徹過程中所受壓強往往在吉帕以上，應變率在104s-1以上。所以侵徹過程中戰(zhàn)斗部殼體產(chǎn)生破壞的主要因素是超高壓和超高應變率，而這兩個因素，尤其是超高應變率，是目前常規(guī)動態(tài)試驗無法達到的。

綜合考慮以上兩個因素，同時結(jié)合侵徹戰(zhàn)斗部殼體的圓柱筒形結(jié)構(gòu)特征，設計出能夠模擬戰(zhàn)斗部殼體侵徹靶體破壞形式的爆轟加載試驗，其具體過程為：將金屬原材料加工成管型試樣，在金屬圓管的內(nèi)部放置炸藥，且炸藥與金屬圓管內(nèi)壁留有間隙，通過炸藥爆轟產(chǎn)生的沖擊波，可以對金屬圓管提供超高壓和超高應變率。試驗后通過對比觀察圓管試樣的變形量及破壞形式來對比不同材料的力學性能，試驗方案如圖2 所示。

圖2 爆轟加載試驗方案Fig. 2 Scheme of the detonation loading test

2.2 仿真計算

考慮到原材料的規(guī)格尺寸，將圓管試樣的外形尺寸設定為直徑50 mm、壁厚5 mm、長度100 mm，采用數(shù)值模擬方法來計算圓管試樣在爆轟加載條件下所受的壓強和應變率。數(shù)值模擬采用LS-DYNA軟件，利用ALE 算法及流固耦合模擬炸藥爆轟作用于圓管試樣的過程。圓管試樣采用Johnson-Cook 模型，代入G50 鋼的性能參數(shù)（材料參數(shù)如表4 所示，其中 ρ為密度，G 為剪切模量，E 為彈性模量， μ為泊松比，AJC、BJC、nJC、CJC、MJC為 Johnson-Cook 模型參數(shù)。）；炸藥采用 TNT 炸藥模型，狀態(tài)方程為 JWL 方程（材料參數(shù)如表 5 所示，其中：D 為爆速，pCJ為 CJ 面壓力，A、B、R1、R2、 ω為 JWL 狀態(tài)方程參數(shù)，E0為炸藥初始比內(nèi)能）；而空氣域為MAT-NULL 模型；單位采用cm-g-μs[11]。本次仿真計算了10 g 藥量（ ?18 mm ×25 mm）、20 g 藥量（ ?25 mm × 25 mm）與 30 g 藥量（ ?31 mm × 25 mm）3 種藥量的 TNT 藥柱對圓管試樣進行爆轟加載，如圖3 所示。圖4 為爆轟后圓管試樣應變云圖。

表4 G50 圓管試樣參數(shù)Table 4 Parameters of G50 tube specimen

表5 TNT 炸藥參數(shù)Table 5 Parameters of TNT

計算結(jié)果顯示：(1) 10 g 藥量藥柱爆轟后僅使圓管試樣中段整體發(fā)生了塑性變形，環(huán)向未發(fā)生破壞；20 g 藥量藥柱爆轟后圓管試樣不僅中段整體發(fā)生了塑性變形，而且在圓管試樣環(huán)向發(fā)生了局部破壞；30 g 藥量藥柱爆轟后圓管試樣中段發(fā)生了塑性變形，且整個圓管試樣在環(huán)形方向整體發(fā)生了破壞。(2) 10、20、30 g 藥柱爆轟后圓管試樣壓強最大單元的壓強分別為3.0、5.5 和9.0 GPa。(3) 通過對圓管試樣應變最大單元的塑性應變求導，得出最大應變率曲線，10、20、30 g 藥柱爆轟后圓管試樣的最大應變率分別為6 175、13 826 和24 082 s-1（如圖5 所示）。依據(jù)計算結(jié)果，20 和30 g 藥柱爆轟加載后對圓管試樣產(chǎn)生的超高壓和超高應變率能夠滿足戰(zhàn)斗部殼體在侵徹過程中的超高壓及超高應變率條件，為了使試驗結(jié)果更直觀且具有對比性，最終選取20 g TNT 藥柱進行爆轟加載圓管試樣試驗。

圖3 仿真計算模型Fig. 3 Models of the simulated calculation

圖4 爆轟后圓管試樣應變云圖Fig. 4 Strain nephograms of tube specimen after detonation loading

2.3 試驗及結(jié)果分析

用熱處理后的G50 鋼與G31 鋼分別制備出直徑50 mm、壁厚5 mm、長度100 mm 的圓管試樣，將圓管試樣放置于地面上，結(jié)合仿真計算結(jié)果，在圓管試樣的內(nèi)部中心處放置一個 ?25 mm ×25 mm 的TNT 藥柱，在藥柱上安裝雷管，起爆TNT藥柱，對圓管試樣進行爆轟加載。試驗布局示意及現(xiàn)場如圖6 和圖7 所示。

圖5 最大應變率曲線Fig. 5 Curves of maximum strain rate

試驗后的圓管試樣外形如圖8 所示。通過觀察和對比發(fā)現(xiàn)，G50 鋼和G31 鋼制成的圓管試樣均在試樣中段發(fā)生非常明顯的塑性變形，與模擬計算結(jié)果基本吻合。試驗結(jié)果如表6 所示，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，G50 鋼和G31 鋼圓管試樣塑性變形處的最大直徑分別為57.6 和57.0 mm，二者的變形量幾乎相同，說明兩種材料在爆轟加載條件下的屈服強度接近。同時可以看到，G50 鋼與G31 鋼圓管試樣在發(fā)生塑性變形的區(qū)域均出現(xiàn)1 條裂紋。通過對裂紋斷口形態(tài)進行觀察發(fā)現(xiàn)，兩個試樣裂紋斷口處呈現(xiàn)出粗糙的撕裂狀破壞形態(tài)（如圖9所示），由此可以斷定，在爆轟加載過程中，兩種材料試樣的破壞形式主要為拉伸破壞。另外，測得G50 鋼圓管試樣的裂紋寬度不大于1.5 mm，裂紋長度約為41 mm，而G31 鋼圓管試樣的裂紋寬度不大于1.5 mm，長度約為36 mm，說明兩種材料在爆轟加載條件下的抗拉強度接近。綜上所述，在同等爆轟能量條件的爆轟加載下，由G50 鋼和G31 鋼制成的圓管試樣產(chǎn)生幾乎相同的塑性變形和裂紋，說明G50 鋼和G31 鋼在超高壓及超高應變率下的力學性能極為相似。

圖6 爆轟加載試驗布局示意圖Fig. 6 Schematic diagram of detonation loading test

圖7 爆轟加載試驗布局Fig. 7 Layout of detonation loading test

圖8 試驗后的鋼圓管試樣Fig. 8 Steel pipe after test

圖9 鋼圓管試樣斷口形貌Fig. 9 Fracture morphology of steel pipe

表6 爆轟加載試驗結(jié)果統(tǒng)計Table 6 Statistical results of detonation loading test

3 結(jié) 論

（1）通過常規(guī)試驗手段，對比研究發(fā)現(xiàn)G50 鋼與G31 鋼在準靜態(tài)及動態(tài)條件下的力學性能較相近。

（2）從工程實際出發(fā)，設計了能夠模擬戰(zhàn)斗部侵徹過程中殼體所承受的超高壓及超高應變率的爆轟加載試驗，并通過數(shù)值仿真計算得到該試驗產(chǎn)生的超高壓與超高應變率能夠滿足戰(zhàn)斗部殼體在侵徹過程中的力學環(huán)境條件。

（3）通過爆轟加載試驗發(fā)現(xiàn)，G50 鋼與G31 鋼在超高壓及超高應變率條件下具有相似膨脹狀態(tài)及破壞形態(tài)，表明兩種材料具有相似的屈服強度和抗拉強度。可在侵徹戰(zhàn)斗部殼體材料等方面嘗試用G31 鋼替代 G50 鋼。