细晶铜材料力学性能及药型罩领域应用研究_闫超
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第 29 卷第 1 期 2017 年 3 月
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Journal of Ballistics
Vol．29 No．1 March 2017
细晶铜材料力学性能及药型罩领域应用研究
闫 超， 黄正祥， 祖旭东， 肖强强， 贾 鑫
（ 南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094） 摘要： 为研究细晶纯铜材料药型罩的侵彻性能， 对细晶纯铜材料进行力学性能研究。利用二级轻气炮加速飞片的方 法对细晶纯铜材料进行了冲击加载实验， 给出了细晶纯铜材料在 70 ～ 320 GPa 范围内的冲击波速度和质点速度的关 DYNA 的 Gruneisen 状态方程参数。利用拟合得到的参数分析了粗晶材料及细晶材料所形 系。计算得到了适用于 LS成的射流在断裂时间、 侵彻威力方面的差异。根据仿真， 在 160 mm 最佳炸高进行静破甲实验。结果表明， 细晶材料 说明将药型罩材料的晶粒组织细化是提高破甲威力的重要手段。 药型罩的侵彻威力较粗晶材料明显提高， 关键词： 细晶纯铜； 动态力学性能； 聚能射流； 侵彻 中图分类号： TJ413．2 文献标识码： A 499X（ 2017） 01008508 文章编号： 1004-
σ s / MPa 360 400 100 70 σ b / MPa 408 465 230 200 δ EB / % 20 12 48 49 δ VE / % 8 6 32 37
细晶纯铜材料力学性能
· cm －3 ） ρ/（ g 8．90 8．90 8．90 8．90
第1期
闫
超， 等
细晶铜材料力学性能及药型罩领域应用研究
表1
材料 Cu Cu Cu Cu 处理手段 ECAP8 ECAP8+CＲ ECAP8+CＲ+ 热处理 常规粗晶纯铜 s / μm 0．5 0．3 3 100
本文根据细晶纯铜药型罩实际加工制造流程， 选取其中 3 种状态的超细晶纯铜材料作为研究对 象， 开展细晶纯铜材料的动高压加载的冲击压缩实 验。选取 的 材 料 分 别 为： ① 经 过 剧 烈 塑 性 变 形 （ ECAP8 ） 之后的纯铜， ② 剧烈塑性变形加交叉轧制 （ ECAP8 +CＲ） 之后的纯铜， ③ 剧烈塑性变形加轧制 和热处理（ ECAP8 + CＲ + Treated ） 之后的纯铜。 上述 3 种细晶纯铜材料和常规粗晶纯铜在准静态拉伸条 件下的力学性能参数， 以及通过 EBSD 观察的平均 s 为晶粒尺寸， 晶粒尺寸见表 1， 表中， ρ 为材料密度， σ s 为屈服强度， σ b 为抗拉强度， δ EB 为断裂延伸率， δ VE 为均匀延伸率。
［7 ］
1
1．1
细晶纯铜材料的冲击压缩实验
细晶纯铜材料的制备
本次试验所选用的纯铜原材料为工业无氧高导 电性纯铜 TU1， 初始的外形尺寸为 32 mm 厚的热轧 态板料。考虑到纯铜板料的制造过程会对材料显微 结构造成破坏， 因此在后续的晶粒细化之前， 要对切 × × 割好的铜块 （ 32 mm 32 mm 160 mm ） 进行真空退 火处理。经过热处理之后， 纯铜材料的晶粒尺寸约 100 m 。 为 μ 在粗晶以及细晶纯铜药型罩的加工制造过程 中， 纯铜材料主要经历了如图 1 所示的过程， 最终形 成 2 种晶粒尺寸的纯铜药型罩。由粗晶纯铜材料到 超细晶纯铜药型罩主要经历剧烈的塑性变形晶粒细 化、 轧制板材、 旋压成形这三大过程。
在现代战场上， 间隔装甲、 复合装甲、 爆炸反应 装甲在坦克装甲车辆上的成熟运用， 使得现阶段各 国主战坦克的防御能力大幅提高， 这就使破甲战斗 部在与装甲防护技术和防护性能的博弈中处于明显 的劣势。因此， 提升现有破甲战斗部的毁伤威力 ， 已 经成为急需解决的关键性问题。在评价破甲战斗部 威力时， 射流的有效长度和断裂时间是衡量破甲能
87
1．2
实验方法及测量原理 针对 3 种状态的细晶纯铜材料， 采用二级轻气
板内部的材料进行冲击压缩。实验整体的方法原理 v w 为飞片速度。 如图 2 所示， 图中，
使得飞片与靶板撞击， 对靶 炮加速发射飞片的方法，
图2
冲击压缩实验原理图
Hale Waihona Puke Baidu
在碰撞面前后的物理量满足如下的质量 、 动量、 能量守恒方程： （ 1） ρ0（ v D －v u0 ） = ρ1（ v D －v u1 ） － = － － p 1 p 0 ρ0（ v D v u0 ） （ v u1 v u0 ） （ 2） 1 e1 －e0 = （ p 1 +p 0 ） （ V0 －V1 ） （ 3） 2 v u 为质点速度， e 为比内 式中： p 为压强， ρ 为密度， v D 为样品中的冲击波速度， V 为比体积， 能， 下标 0 1 表示冲击压缩后状态。 上 表示冲击压缩前状态， 5 ， 述 个待测物理量 需要测量出其中的任意 2 个， 再 根据式（ 1 ） ～ 式（ 3） 就可以计算出其余的参数。 考 虑到现有的技术手段及测量准确性等因素 ， 本文选 择测量冲击波速度 v D 及粒子速度 v u 。 冲击波速度 v D 采用直接测量的方法， 粒子速度则是根据阻抗匹 配法进行测量。考虑到本文研究的冲击压力范围较 高， 因此选用2 种标材： 无氧铜和 Ta， 其中选择 Ta 是 为了实现更高的冲击压力。 当标材为无氧铜时， 属 于对称碰撞， 此时飞片的速度 v w 等于样品中粒子速 度的 2 倍， 即 v w = 2v u 。当选择 Ta 为标材时， 待测材 料中的冲击波后粒子速度可以表示为 vu = 式中： F = ρ0t λ t G = －ρ0t C 0f － 2λ t v w ρ0t －ρ0s v D （ 5） －G + 槡 G 2 － 4FH 2F （ 4）
（ School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）
Abstract： In order to study the penetration performance of ultrafine grained（ UFG） copper liner， the mechanical property of UFG copper was studied．The impact experiment of UFG copper were conducted by twostage lightgasgun planar impact technique．The relation between shock velocity and particle velocity was described in the pressure range from 70 GPa to 320 GPa．The parameters of Gruneisen EOS applied to LSDYNA were calculated． The differences of breakup time and penetration power between the coarse grained copper and UFG copper were analyzed by fitting parameters．The penetration experiment was carried out by choosing the best burstheight 160 mm． The results show that the penetration power of UFG copper liner significantly improves compared with the coarse grained copper liner， and it is the effective way to improve the penetration power to reduce the grain size of liner material． Key words： ultrafine grained copper； dynamic mechanical property．TIF； Shaped charge jet； penetration
结论。Golaski
［5 ］
图1
粗晶及细晶纯铜药型罩加工过程示意图
提出了一种能够解释细晶材料破甲
射流形成与补充的模型， 研究指出当金属晶粒小于 5 μm 时， 其可获得类似液体表面张力的性质 。 本文以提升传统紫铜药型罩侵彻威力为目标， 通 ECAP ） 过等位角挤压（ equal channel angular pressing， 手段将紫铜材料的晶粒组织进行细化， 来实现破甲能 力的提升。针对细晶纯铜材料， 采用二级轻气炮作为 加载手段， 对细晶纯铜的 Gruneisen 状态方程参数进 DYNA 的细晶纯铜材料参 得到了适用于 LS行计算， 数。计算求解了 2 种材料药型罩在不同炸高条件下 的侵彻威力， 最终选取最佳炸高条件进行了静破甲实 验研究， 验证仿真参数的正确性。
Mechanical Property of Ultrafine Grained Copper Material and Study on Application of Liner Field
YAN Chao， HUANG Zhengxiang， ZU Xudong， XIAO Qiangqiang， JIA Xin
收稿日期： 2016－04－27 mail： 18601408248@ 163．com。 作者简介： 闫超（ 1991－ ） ， 男， 硕士研究生， 研究方向为材料的动态力学行为。E-
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第 29 卷
晶粒尺寸一般在几十微米以上， 至多细化到10 μm。 若能将药型罩材料的晶粒尺寸进一步细化到亚微米 则有望大幅度提升传统材料破甲弹 甚至纳米级别， 的威力。因此， 将超细晶及纳米晶材料运用到药型 罩的加工生产当中， 则可为药型罩侵彻能力的提升 开拓新途径、 新方法。 目前， 国内外科研单位及学者针对药型罩材料 晶粒尺寸及织构对射流长度和断裂时间的影响 ， 开 ［2 ］ 展了大量的研究工作。 Bourne 等 研究了初始药 型罩材料晶粒尺寸和结晶织构对聚能装药药型罩侵 彻威力的共同影响， 结果表明药型罩材料晶粒组织 的细化以及组织均匀性的改变， 对聚能装药侵彻威 ［3 ］ 力的提升意义重大。 Lichtenberger 针对纯铜材料 药型罩射流的断裂时间和晶粒尺寸之间的关系进行 了研究， 指出当药型罩材料晶粒尺寸在 20 ～ 90 μm 范围内变化时， 药型罩形成金属射流的断裂时间随 ［4 ］ 着晶粒的细化而呈现增长趋势。 Walters 对晶粒 尺寸范围在 10 ～ 120 μm 内的无氧纯铜药型罩侵彻 结果进行了研究， 得到了与 Lichtenberger 相类似的 通过实验指明射流的断裂时间直 ［6 ］ 接受药型罩材料晶粒尺寸的影响。 王铁福等 利 用静破 甲 威 力 实 验 和 X 光 射 线 照 相 技 术 对 25 ～ 70 μm范围内变化的 4 种紫铜药型罩进行了研究， 得出药型罩材料晶粒度对射流动态延展性有重要影 材料晶粒细化可增加射流长度、 延缓断裂时间的 响， 结论。Hirsh
力的 重 要 指 标。 根 据 国 内 外 关 于 射 流 的 理 论 研 究
［1 ］
， 破甲金属射流是一种超塑性金属固体流 ， 而
金属的超塑性与其晶粒尺寸的平方成反比 。 另外， 大量的动静态射流测量和破甲实验也表明 ， 金属药 型罩材料的破甲威力与其初始材料晶粒尺寸有着密 切关系， 随着药型罩材料初始晶粒尺寸的降低 ， 射流 的侵彻威力显著增加。但是传统加工手段的药型罩
验测量得到。因此就可以通过式（ 4 ） 、 式 （ 5 ） 求解出 待测样品中的冲击波后粒子速度 v u 。通过上述手段 就可以将 v u 的测量转变为弹速 v w 的测量。 本次实验是在中国工程物理研究院 28 mm 口 径二级轻气炮试验系统上进行的 。弹丸的击靶速度 通过安装在 采用激光遮断式测试技术 （ OBB ） 测量， 发射管末端的 2 组光源， 当弹丸通过时会依次遮挡 光束， 此时示波器会显示 2 个脉冲的响应时间差， 再 就可以得到弹丸的速度 v w 。 样 结合两光源的距离， 品中的冲击波速度采用成熟的电探针测试技术测 量， 电探针的布局如图 3 所示。
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Journal of Ballistics
Vol．29 No．1 March 2017
细晶铜材料力学性能及药型罩领域应用研究
闫 超， 黄正祥， 祖旭东， 肖强强， 贾 鑫
（ 南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094） 摘要： 为研究细晶纯铜材料药型罩的侵彻性能， 对细晶纯铜材料进行力学性能研究。利用二级轻气炮加速飞片的方 法对细晶纯铜材料进行了冲击加载实验， 给出了细晶纯铜材料在 70 ～ 320 GPa 范围内的冲击波速度和质点速度的关 DYNA 的 Gruneisen 状态方程参数。利用拟合得到的参数分析了粗晶材料及细晶材料所形 系。计算得到了适用于 LS成的射流在断裂时间、 侵彻威力方面的差异。根据仿真， 在 160 mm 最佳炸高进行静破甲实验。结果表明， 细晶材料 说明将药型罩材料的晶粒组织细化是提高破甲威力的重要手段。 药型罩的侵彻威力较粗晶材料明显提高， 关键词： 细晶纯铜； 动态力学性能； 聚能射流； 侵彻 中图分类号： TJ413．2 文献标识码： A 499X（ 2017） 01008508 文章编号： 1004-
σ s / MPa 360 400 100 70 σ b / MPa 408 465 230 200 δ EB / % 20 12 48 49 δ VE / % 8 6 32 37
细晶纯铜材料力学性能
· cm －3 ） ρ/（ g 8．90 8．90 8．90 8．90
第1期
闫
超， 等
细晶铜材料力学性能及药型罩领域应用研究
表1
材料 Cu Cu Cu Cu 处理手段 ECAP8 ECAP8+CＲ ECAP8+CＲ+ 热处理 常规粗晶纯铜 s / μm 0．5 0．3 3 100
本文根据细晶纯铜药型罩实际加工制造流程， 选取其中 3 种状态的超细晶纯铜材料作为研究对 象， 开展细晶纯铜材料的动高压加载的冲击压缩实 验。选取 的 材 料 分 别 为： ① 经 过 剧 烈 塑 性 变 形 （ ECAP8 ） 之后的纯铜， ② 剧烈塑性变形加交叉轧制 （ ECAP8 +CＲ） 之后的纯铜， ③ 剧烈塑性变形加轧制 和热处理（ ECAP8 + CＲ + Treated ） 之后的纯铜。 上述 3 种细晶纯铜材料和常规粗晶纯铜在准静态拉伸条 件下的力学性能参数， 以及通过 EBSD 观察的平均 s 为晶粒尺寸， 晶粒尺寸见表 1， 表中， ρ 为材料密度， σ s 为屈服强度， σ b 为抗拉强度， δ EB 为断裂延伸率， δ VE 为均匀延伸率。
［7 ］
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细晶纯铜材料的冲击压缩实验
细晶纯铜材料的制备
本次试验所选用的纯铜原材料为工业无氧高导 电性纯铜 TU1， 初始的外形尺寸为 32 mm 厚的热轧 态板料。考虑到纯铜板料的制造过程会对材料显微 结构造成破坏， 因此在后续的晶粒细化之前， 要对切 × × 割好的铜块 （ 32 mm 32 mm 160 mm ） 进行真空退 火处理。经过热处理之后， 纯铜材料的晶粒尺寸约 100 m 。 为 μ 在粗晶以及细晶纯铜药型罩的加工制造过程 中， 纯铜材料主要经历了如图 1 所示的过程， 最终形 成 2 种晶粒尺寸的纯铜药型罩。由粗晶纯铜材料到 超细晶纯铜药型罩主要经历剧烈的塑性变形晶粒细 化、 轧制板材、 旋压成形这三大过程。
在现代战场上， 间隔装甲、 复合装甲、 爆炸反应 装甲在坦克装甲车辆上的成熟运用， 使得现阶段各 国主战坦克的防御能力大幅提高， 这就使破甲战斗 部在与装甲防护技术和防护性能的博弈中处于明显 的劣势。因此， 提升现有破甲战斗部的毁伤威力 ， 已 经成为急需解决的关键性问题。在评价破甲战斗部 威力时， 射流的有效长度和断裂时间是衡量破甲能
87
1．2
实验方法及测量原理 针对 3 种状态的细晶纯铜材料， 采用二级轻气
板内部的材料进行冲击压缩。实验整体的方法原理 v w 为飞片速度。 如图 2 所示， 图中，
使得飞片与靶板撞击， 对靶 炮加速发射飞片的方法，
图2
冲击压缩实验原理图
Hale Waihona Puke Baidu
在碰撞面前后的物理量满足如下的质量 、 动量、 能量守恒方程： （ 1） ρ0（ v D －v u0 ） = ρ1（ v D －v u1 ） － = － － p 1 p 0 ρ0（ v D v u0 ） （ v u1 v u0 ） （ 2） 1 e1 －e0 = （ p 1 +p 0 ） （ V0 －V1 ） （ 3） 2 v u 为质点速度， e 为比内 式中： p 为压强， ρ 为密度， v D 为样品中的冲击波速度， V 为比体积， 能， 下标 0 1 表示冲击压缩后状态。 上 表示冲击压缩前状态， 5 ， 述 个待测物理量 需要测量出其中的任意 2 个， 再 根据式（ 1 ） ～ 式（ 3） 就可以计算出其余的参数。 考 虑到现有的技术手段及测量准确性等因素 ， 本文选 择测量冲击波速度 v D 及粒子速度 v u 。 冲击波速度 v D 采用直接测量的方法， 粒子速度则是根据阻抗匹 配法进行测量。考虑到本文研究的冲击压力范围较 高， 因此选用2 种标材： 无氧铜和 Ta， 其中选择 Ta 是 为了实现更高的冲击压力。 当标材为无氧铜时， 属 于对称碰撞， 此时飞片的速度 v w 等于样品中粒子速 度的 2 倍， 即 v w = 2v u 。当选择 Ta 为标材时， 待测材 料中的冲击波后粒子速度可以表示为 vu = 式中： F = ρ0t λ t G = －ρ0t C 0f － 2λ t v w ρ0t －ρ0s v D （ 5） －G + 槡 G 2 － 4FH 2F （ 4）
（ School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）
Abstract： In order to study the penetration performance of ultrafine grained（ UFG） copper liner， the mechanical property of UFG copper was studied．The impact experiment of UFG copper were conducted by twostage lightgasgun planar impact technique．The relation between shock velocity and particle velocity was described in the pressure range from 70 GPa to 320 GPa．The parameters of Gruneisen EOS applied to LSDYNA were calculated． The differences of breakup time and penetration power between the coarse grained copper and UFG copper were analyzed by fitting parameters．The penetration experiment was carried out by choosing the best burstheight 160 mm． The results show that the penetration power of UFG copper liner significantly improves compared with the coarse grained copper liner， and it is the effective way to improve the penetration power to reduce the grain size of liner material． Key words： ultrafine grained copper； dynamic mechanical property．TIF； Shaped charge jet； penetration
结论。Golaski
［5 ］
图1
粗晶及细晶纯铜药型罩加工过程示意图
提出了一种能够解释细晶材料破甲
射流形成与补充的模型， 研究指出当金属晶粒小于 5 μm 时， 其可获得类似液体表面张力的性质 。 本文以提升传统紫铜药型罩侵彻威力为目标， 通 ECAP ） 过等位角挤压（ equal channel angular pressing， 手段将紫铜材料的晶粒组织进行细化， 来实现破甲能 力的提升。针对细晶纯铜材料， 采用二级轻气炮作为 加载手段， 对细晶纯铜的 Gruneisen 状态方程参数进 DYNA 的细晶纯铜材料参 得到了适用于 LS行计算， 数。计算求解了 2 种材料药型罩在不同炸高条件下 的侵彻威力， 最终选取最佳炸高条件进行了静破甲实 验研究， 验证仿真参数的正确性。
Mechanical Property of Ultrafine Grained Copper Material and Study on Application of Liner Field
YAN Chao， HUANG Zhengxiang， ZU Xudong， XIAO Qiangqiang， JIA Xin
收稿日期： 2016－04－27 mail： 18601408248@ 163．com。 作者简介： 闫超（ 1991－ ） ， 男， 硕士研究生， 研究方向为材料的动态力学行为。E-
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第 29 卷
晶粒尺寸一般在几十微米以上， 至多细化到10 μm。 若能将药型罩材料的晶粒尺寸进一步细化到亚微米 则有望大幅度提升传统材料破甲弹 甚至纳米级别， 的威力。因此， 将超细晶及纳米晶材料运用到药型 罩的加工生产当中， 则可为药型罩侵彻能力的提升 开拓新途径、 新方法。 目前， 国内外科研单位及学者针对药型罩材料 晶粒尺寸及织构对射流长度和断裂时间的影响 ， 开 ［2 ］ 展了大量的研究工作。 Bourne 等 研究了初始药 型罩材料晶粒尺寸和结晶织构对聚能装药药型罩侵 彻威力的共同影响， 结果表明药型罩材料晶粒组织 的细化以及组织均匀性的改变， 对聚能装药侵彻威 ［3 ］ 力的提升意义重大。 Lichtenberger 针对纯铜材料 药型罩射流的断裂时间和晶粒尺寸之间的关系进行 了研究， 指出当药型罩材料晶粒尺寸在 20 ～ 90 μm 范围内变化时， 药型罩形成金属射流的断裂时间随 ［4 ］ 着晶粒的细化而呈现增长趋势。 Walters 对晶粒 尺寸范围在 10 ～ 120 μm 内的无氧纯铜药型罩侵彻 结果进行了研究， 得到了与 Lichtenberger 相类似的 通过实验指明射流的断裂时间直 ［6 ］ 接受药型罩材料晶粒尺寸的影响。 王铁福等 利 用静破 甲 威 力 实 验 和 X 光 射 线 照 相 技 术 对 25 ～ 70 μm范围内变化的 4 种紫铜药型罩进行了研究， 得出药型罩材料晶粒度对射流动态延展性有重要影 材料晶粒细化可增加射流长度、 延缓断裂时间的 响， 结论。Hirsh
力的 重 要 指 标。 根 据 国 内 外 关 于 射 流 的 理 论 研 究
［1 ］
， 破甲金属射流是一种超塑性金属固体流 ， 而
金属的超塑性与其晶粒尺寸的平方成反比 。 另外， 大量的动静态射流测量和破甲实验也表明 ， 金属药 型罩材料的破甲威力与其初始材料晶粒尺寸有着密 切关系， 随着药型罩材料初始晶粒尺寸的降低 ， 射流 的侵彻威力显著增加。但是传统加工手段的药型罩
验测量得到。因此就可以通过式（ 4 ） 、 式 （ 5 ） 求解出 待测样品中的冲击波后粒子速度 v u 。通过上述手段 就可以将 v u 的测量转变为弹速 v w 的测量。 本次实验是在中国工程物理研究院 28 mm 口 径二级轻气炮试验系统上进行的 。弹丸的击靶速度 通过安装在 采用激光遮断式测试技术 （ OBB ） 测量， 发射管末端的 2 组光源， 当弹丸通过时会依次遮挡 光束， 此时示波器会显示 2 个脉冲的响应时间差， 再 就可以得到弹丸的速度 v w 。 样 结合两光源的距离， 品中的冲击波速度采用成熟的电探针测试技术测 量， 电探针的布局如图 3 所示。