胡嘉蓉，陶春虎，鄔冠華，姜 濤，劉春江

(1.南昌航空大學 測試與光電工程學院，南昌330063；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，作戰(zhàn)人員和武器裝備的防護日益受到重視，因此對裝甲材料提出了越來越高的要求。裝甲材料應盡可能滿足高硬度、高強度、高韌性、低密度和低成本的要求[1]。金屬材料由于其良好的延展性、較高的材料阻力和良好的性價比，在軍用和民用工程的防護結構中得到廣泛的應用。目前，被廣泛用于裝甲防護領域的金屬主要有均質裝甲用鋼、鋁合金和鈦合金。

50年代初國外就開始研究鈦合金裝甲。作為裝甲材料，鈦合金的強度與均質裝甲鋼相當，韌性優(yōu)于大多數(shù)鋁合金，具有良好的強度和韌性匹配。試驗結果表明，相同質量條件下，鈦合金的防護性能比相同質量的均質裝甲鋼高30%以上。厚度相同的條件下，鈦合金的抗彈性能與裝甲鋼質量相當，但質量可降低25%以上。防護能力相同的情況下，鈦合金裝甲比鋁合金裝甲所占的空間小，有利于減小裝甲車輛的體積。美國曾用鈦合金制造裝甲車輛的指揮塔，其質量較裝甲鋼制的減小37%。表1列出了裝甲鋼、裝甲鋁合金和裝甲鈦合金的性能[2]。從綜合防護性能來看，鈦合金是很理想的裝甲防護材料。

表1 裝甲用鋼、鋁合金、鈦合金的性能對比[2]

在裝甲實際服役的過程中，承受的動態(tài)載荷越來越大，這就要求其具有良好的抗沖擊性能以抵抗撞擊加載。因此，材料在侵徹條件下變形行為的研究，對于支持鈦合金作為裝甲材料的發(fā)展具有十分重要的工程價值。本研究對國內外鈦合金侵徹損傷行為研究成果進行梳理，并結合課題組開展的相關工作，闡述鈦合金在穿甲侵徹作用下的宏、微觀損傷特征，分析穿甲過程中的失效模式以及損傷特征的影響因素，提出研究現(xiàn)狀的不足及發(fā)展方向，為鈦合金裝甲基礎研究與工程化應用提供參考。

1 穿甲侵徹損傷過程

穿甲侵徹行為導致靶板的破壞可分為開坑、穩(wěn)定侵徹、沖塞或背面崩落3個階段。在開坑階段中，彈丸與靶接觸時速率最大，碰擊應力可達幾十兆帕，彈體和靶板在碰撞區(qū)域內產生粉碎性破壞，兩者撞擊后產生的碎塊沿著抗力最小方向飛濺排出[3]。開坑階段結束后即進入穩(wěn)定侵徹階段，該階段侵入靶板較深，彈、靶繼續(xù)破碎、彈速下降、彈體質量銷蝕，長度減少，靶板中部的金屬受彈丸擠壓而產生橫向位移，此階段靶板的塑性變形將消耗大量的彈丸能量[4]。侵徹階段結束后，靶板背面會產生鼓包，彈體繼續(xù)侵徹轉入沖塞階段。由于彈丸在靶板中產生的絕熱剪切應變作用，導致沖塞塊沿絕熱剪切帶引發(fā)的路徑?jīng)_出，且使彈孔周圍金屬運動方向與塞塊沖出方向一致。沖擊過程一般是在幾十μs內完成，3個階段是連續(xù)不可分割的。

2 鈦合金穿甲侵徹損傷行為

早期對鈦合金穿甲侵徹損傷行為的研究首先在美國開展。國內主要有中國有色金屬總院、北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、中南大學等對鈦合金沖擊損傷進行研究。目前，對于鈦合金沖擊損傷行為的研究主要集中在2個方面：第一，從損傷形態(tài)、抗沖擊性能、組織性能的角度，研究鈦合金的沖擊宏觀損傷類型和失效機制；第二，從微觀結構演化的角度出發(fā)，探尋不同成分、組織的鈦合金的宏、微觀損傷形態(tài)和分布規(guī)律。

2.1 穿甲侵徹作用下鈦合金宏觀損傷行為

在彈丸作用下，靶板有以下比較常見的8種破壞形式[5](圖1)。張自強[6]曾系統(tǒng)地定義了裝甲的正面損傷有彈坑、裂紋、剝落和碟形變形4種類型。裝甲背面損傷主要有凸起、裂紋、沖孔(切口)、崩落、花瓣狀孔、穿孔等6類，這些定義一直沿用至今。

圖1 裝甲宏觀損傷類型[5]Fig.1 Type of armor damage

針對靶板的宏觀損傷特征，學者們進行了大量的研究，主要集中在以下2個方面：

1)鈦合金穿甲的破壞形式與能量之間的關系。Bartus[7]使用7.62 mm動能彈和12.7 mm破片模擬彈研究了不同熱處理下Ti-5553鈦合金的極限穿速度V50的影響規(guī)律，提出了鈦合金靶板的3種失效形式，即沖塞型破壞、碎塊型破壞和背面花瓣型的破壞。前兩者屬于耗能能力較低的絕熱剪切局域化誘發(fā)的損傷模式，而背面花瓣型的破壞，并伴有發(fā)亮圓盤型破壞，屬于高耗能的損傷模式。Me-Bar等[8]認為塑性孔擴孔導致的背面崩落失效模式較之沖塞失效具有更高的耗能能力。

2)不同組織的鈦合金與損傷形式之間關系。楊凱文等[9]用12.7 mm穿甲彈，以830 m/s的速率侵徹α+β區(qū)鍛造和β區(qū)鍛造獲得的雙態(tài)組織和片層組織的TC21鈦合金。通過對靶板宏觀損傷特征的對比，雙態(tài)組織呈現(xiàn)塑形擴孔所導致的背部崩落破壞，片層組織呈現(xiàn)脆性破壞。研究結果表明，雙態(tài)組織比片層組織有著更好的塑性變形的能力，而損傷形式的不同與鈦合金組織的塑性變形能力有關。B.B.Singh等[10]對不同熱處理狀態(tài)下得到的不同組織的Ti-6Al-4V靶板進行彈靶試驗，結果表明，具有等軸組織的鈦合金靶形成的彈坑最寬并且最深，靶板背面有呈環(huán)狀的裂紋。而片層組織的鈦合金靶板背面有少量的裂紋。雙態(tài)組織的鈦合金靶板形成的彈坑最淺，直徑最小，靶板背面無凸起和裂紋。對此，研究者認為雙態(tài)組織的鈦合金靶具有高效的吸收能量的效率。片層組織其次，等軸組織最差，但研究者并沒有進一步說明原因。

穿甲侵徹過程中靶板的破壞和靶板的機械性能、彈丸的撞擊速度、彈頭形狀、彈與靶的特征尺寸之比等諸多因素有關，不同的侵徹體形狀會造成靶板不同的損傷形式。目前的研究工作主要集中在沖塞破壞、碎塊破壞、花瓣型破壞等對于損傷耗能的大小以及鈦合金靶材微觀組織與宏觀損傷形態(tài)的建立。而對于靶材的機械性能、彈丸撞擊速度、彈頭形狀、沖擊角度等對于宏觀損傷的影響的文章鮮有報道。所以目前對于鈦合金在彈丸的侵徹作用下的宏觀損傷形態(tài)規(guī)律的認識仍舊存在不足。

2.2 穿甲侵徹作用下鈦合金的失效行為

裝甲材料在實際的服役過程中，通常處于高速沖擊、侵徹作用所產生的高溫高壓及高速變形狀態(tài)。在這種條件下，金屬材料極易發(fā)生絕熱剪切行為[11-12]。而鈦合金強度高但熱導率低[13]，對絕熱剪切現(xiàn)象極為敏感，而裂紋又極易于在絕熱剪切帶中形核擴展，致使材料承載能力下降，甚至發(fā)生斷裂。這極大地限制了鈦合金裝甲的實際工程應用。因此鈦合金裝甲的失效主要是通過絕熱剪切行為實現(xiàn)的。

2.2.1 絕熱剪切帶的形成與特征

在高應變速率下，材料的塑性變形功大部分都轉變成熱能，導致局部溫度的增高使材料發(fā)生熱軟化效應，變形進一步集中在此區(qū)域，形成了一個高溫、大變形的窄帶區(qū)域，最終在周圍基體的冷卻作用下形成了絕熱剪切帶。剪切帶的內部結構如圖2所示[14]。在金屬中絕熱剪切帶的寬度一般為0.1～100 μm，帶中心由直徑為0.01～0.5 μm的等軸晶組成，剪切帶內可發(fā)生1～102量級的剪應變，其形成過程中的應變速率可高達105～107s-1，溫升可達102～103K，而且周圍存在大量相對較冷的基體[15]。

圖2 絕熱剪切帶內部微觀結構示意圖[14] Fig.2 Schematic illustration of internal microstructure of adiabatic shear band

2.2.2 鈦合金絕熱剪切的內部結構與失效機制

圖3為本研究所觀察的穿甲燃燒彈侵徹下鈦合金彈坑側壁上的一條絕熱剪切帶。由圖可見，剪切帶沿彈坑側壁向上擴展。剪切帶始端較寬，可以看到大量晶粒被拉長變形的痕跡，隨著剪切帶的擴展，剪切帶逐漸變窄，內部隱約可見細化的組織。在剪切帶的末端，原始組織沿剪切應力的方向被拉長成條狀。圖4為剪切帶中的微裂紋和微孔洞。由圖可見，微裂紋和微孔洞均起源于剪切帶中，裂紋端部呈圓弧狀，與孔洞靠近甚至相連。

絕熱剪切失效作為鈦合金裝甲的主要失效模式，可分為2個階段考慮：一是材料高速變形過程中絕熱剪切帶的形成與擴展；二是裂紋在材料內形核擴展直至材料斷裂失效。

Teng等[16]對鈦合金從絕熱剪切帶到斷裂失效的過程進行研究時指出，剪切帶內溫度可以超過鈦合金熔點，剪切帶內“熱點”為裂紋形核提供優(yōu)選位置。微裂紋在剪切帶內形核后，當壓應力不能閉合這些微裂紋時，各微裂紋間以相互連接的形式長大直至材料最終斷裂破壞。Xue等[17]在研究Ti-6Al-4V合金中的絕熱剪切行為時發(fā)現(xiàn)，剪切帶內微孔洞的形核與長大如圖5所示。拉應力促使剪切帶內微孔洞的形成。微孔洞長大直至其達到剪切帶邊緣，基體材料較高的應力使其向基體方向的生長停滯而在剪切帶內繼續(xù)長大，此過程中微孔洞被拉長并最終合并導致材料破壞。

圖3 鈦合金彈坑側壁的絕熱剪切帶形貌Fig.3 Adiabatic shear band of crater in titanium alloy armor

圖4 鈦合金絕熱剪切帶內的微裂紋與微孔洞Fig.4 Micro holes and microcrack of adiabatic shear band

2.2.3 鈦合金絕熱剪切行為的影響因素

在穿甲侵徹過程中，影響鈦合金中絕熱剪切帶的形成和擴展的因素大致可分為微觀組織及加載應力2個方面。其中微觀組織因素包括相的種類及尺寸、相含量等。

1)組織對絕熱剪切帶分布的影響。不同的相以及相含量會影響絕熱帶的分布形態(tài)，并且具有不同的絕熱剪切敏感性。孫凱[18]研究了穿甲彈在彈靶作用下等軸組織、淬火時效組織和片層組織的Ti-6Al-4V鈦合金中剪切帶的分布及相互影響規(guī)律。研究得出：在彈靶作用的過程中，Ti-6Al-4V靶板中會產生多條絕熱剪切帶，并且伴隨有剪切帶分叉、交截、阻隔等多種復雜的相互作用；等軸組織中絕熱剪切帶分叉的數(shù)量較少，而淬火時效組織及片層組織絕熱剪切帶分叉數(shù)量較多，其中片層組織中單條絕熱剪切帶會發(fā)生多次分叉，由于不同晶粒束集內板條狀晶粒排列方向不同，導致不同晶粒束集相遇時更容易產生變形不協(xié)調，即絕熱剪切帶易于在晶粒束集邊界處分叉。Zheng等[19]用12.7 mm的穿甲彈對Ti-6Al-4V進行了穿甲試驗，建立了Ti-6Al-4V鈦合金靶板的微觀特征與損傷機理之間的聯(lián)系，研究結果表明，在等軸組織中，絕熱剪切帶的規(guī)則間隔傳播特征促進了靶板延性擴孔的破壞機制，而在片層組織中，絕熱剪切帶的網(wǎng)狀傳播特征促進了脆性斷裂的破壞機制。

圖5 微孔洞的形核、長大和連接的示意圖[15] Fig.5 Schematic illustration of nucleation, growth and connecting of micro holes

2)加載應力狀態(tài)對絕熱剪切帶分布的影響。不同的加載應力狀態(tài)影響鈦合金中的絕熱剪切敏感性以及剪切帶的分布形態(tài)。Li等[20]用4 mm直徑GCr15球形彈丸對Ti-6Al-4V鈦合金裝甲板對進行沖擊試驗，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高速撞擊后，靶材彈坑中的絕熱剪切帶可分為初始絕熱剪切帶和二次絕熱剪切帶，初始絕熱剪切帶與撞擊坑內表面均成45°，而二次絕熱剪切帶與初始絕熱剪切帶也呈45°，研究者分析認為形成這種現(xiàn)象的原因是剪切應力與沖擊方向形成45°。

2.3 沖擊作用下變形組織以及損傷區(qū)域的表征

Murr等[21]總結了彈坑附近的顯微組織示意圖(圖6)，在彈坑附近的組織包括：固態(tài)塑性流動層、動態(tài)再結晶層、塑性變形層及顯微條帶層等，每層變形組織的分布區(qū)域與彈坑的形狀類似，但變形組織分布范圍不一致，彈坑底部變形組織的分布區(qū)域較寬，而側壁分布較窄。

根據(jù)Murr等的觀察結果，圖7為筆者觀察下彈坑周圍變形組織的分布。由圖可見，彈坑周圍主要分3個區(qū)：一是劇烈變形區(qū)(Ⅰ區(qū))，在該區(qū)域晶粒發(fā)生劇烈的塑性變形，與原始晶粒相比，晶粒被擠壓得十分嚴重，該區(qū)域范圍極小，僅距彈坑邊緣幾十個μm范圍內；二是剪切變形區(qū)(Ⅱ區(qū))，該區(qū)域晶粒發(fā)生局部塑性變形，并且出現(xiàn)絕熱剪切帶；三是輕微塑性變形區(qū)(Ⅲ區(qū))，該區(qū)域在沖擊波的作用下發(fā)生輕度的塑性變形。由此可見，不同材料以及不同侵徹條件下，材料的損傷組織分布存在很大差異。

圖6 彈坑附近變形組織分布的示意圖[21]Fig.6 Schematic diagram of the deformation organization near the crater

圖7 鈦合金裝甲彈坑附近變形組織示意圖 Fig.7 Schematic diagram of the deformation organization near the crater of titanium alloy

3 存在的不足及展望

目前，對于鈦合金在穿甲侵徹作用下的損傷方面的研究仍有所欠缺。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)穿甲過程中應力波的傳播特性與組織的關系。穿甲侵徹過程中能量主要以應力波的形式傳播，而在穿甲侵徹過后變形組織的微觀結構與穿甲侵徹前材料相比存在很大的差異，其性能發(fā)生了變化，因而了解穿甲侵徹過程中應力波的傳播特性與組織的關系有助于對穿甲侵徹過程中應力波對組織變化的影響以及不同微觀結構對損傷形態(tài)的影響有更深的認識。國內外在這方面的研究鮮有報道。

2)對穿甲損傷區(qū)域的定量表征。對于變形組織的定量表征是對彈坑周圍損傷區(qū)的有效判斷，目前對于穿甲侵徹作用下金屬靶材損傷組織的定量表征有鋼、鋁合金，而對鈦合金損傷組織的定量與表征的認識仍有不足。

3)對于鈦合金微觀損傷與典型組織表征與評價。國內外對于TC4鈦合金靶板的抗彈性能及宏微觀損傷特征已經(jīng)有了一定的認識，但對于其他類型組織的鈦合金的抗彈性能的研究還沒有報道，以及組織細節(jié)對抗彈性能影響的認識還不足，所以對于鈦合金典型組織與鈦合金微觀損傷的表征與評價的研究有所欠缺。

4)鈦合金裝甲抗彈性能的關鍵影響因素及優(yōu)化設計。鈦合金裝甲在實際工程應用中涉及到性能改良和優(yōu)化設計兩個方面，國內外對這方面的研究仍有不足。

4 結束語

穿甲侵徹是一個復雜的過程，且鈦合金組織多樣，因此對鈦合金穿甲侵徹損傷的研究，可以深入理解鈦合金的抗彈性能，推動鈦合金材料在裝甲材料中的應用。

[1] 劉薇,楊軍. 裝甲防護材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[M]. 熱加工工藝,2011,40(2):108-111.

[2] 王艷玲. 鈦合金動態(tài)力學行為與抗彈性性能關系研究[D]. 北京：北京有色金屬研究總院，2015:2-9.

[3] 趙志國. 穿甲工程力學[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社,1984:58-79,43-44.

[4] 李金泉. 穿甲機理及絕熱剪切帶特性研究[D]. 南京:南京理工大學,2005:25-27.

[5] Backman M E, Goldsmith W. The mechanics of penetration of projectiles into targets[J]. International Journal of Engineering Science,1978,16(1):1-99.

[6] 張自強. 裝甲防護技術基礎[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2000:60-62.

[7] Bartus S D. Evaluation of titanium-5Al-5Mo-5V-3Cr alloy aginst fragment and armor-piercing projectiles[C]. U.S.Army Research Laborarory,2009:1-99.

[8] Me-Bar Y, Rosenberg Z. On the correlation between the ballistic behavior and dynamic properties of titanium-alloy plates[J]. International Journal of Impact Engineering,1997,19(4):311-318.

[9] 楊凱文,程興旺,鄭超,等. TC21鈦合金動態(tài)力學性能和抗彈性能的研究[J]. 稀有材料與工程,2015,44(17):2728-2732.

[10] Singh B B, Sukumar G, Bhattacharjee A, et al. Effect of heat treatment on ballistic impact behavior of Ti -6Al-4V against 7.62 mm deformable projectile[J]. Materials and Design,2012,36:640-649.

[11] 王禮立,余希同,李永池. 沖擊動力學進展[M]. 合肥:中國科學技術大學出版社,1992:3-33.

[12] 楊勇彪. 高應變速率下鎂合金塑性變形、斷裂特性及抗彈機理研究[D]. 北京:北京理工大學,2009:1-97.

[13] 楊揚,程信林. 絕熱剪切的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 中國有色金屬學報,2002,12(3):401-408.

[14] 楊卓越，趙家萍. 金屬材料中絕熱剪切帶微觀結構綜述[J]. 華北工學院學報，1995，16(4)：327-332.

[15] 肖大武,李英雷,蔡靈倉. 絕熱剪切帶的研究進展[J]. 實驗力學,2010,25(4):463-475.

[16] Teng X, Wierzbicki T, Couque H. On the transition formed adiabatic shear banding to fracture[J]. Mechanics of Materials,2007,39(2):107-125.

[17] Xue Q, Lii G T G. Development of adiabatic shear bands in annealed 316Lstainless steel: PartⅡ. TEM studies of the evolution of microstructure during deformation localization[J]. Metallurgical Materials Transaction A,2006,37(8):2447-2458.

[18] 孫凱. Ti-6Al-4V合金中絕熱剪切帶之間相互作用規(guī)律及其對抗多次打擊性能的影響[D]. 北京:北京理工大學,2014:64-90.

[19] Zheng C, Wang F C, Cheng X W, et al. Effect of microstructures on ballistic impact property of Ti-6Al-4V targets[J]. Materials Science and Engineering A,2014,608(7):53-62.

[20] Li G A ,Zhen C, Lin C, et al. Deformation localization and recrystallization in TC4 alloy under impact condition[J]. Materials Science and Engineering A,2005,395(1-2):98-101.

[21] Murr L E, Ferreyra E, Pappu T S, et al. Novel deformation process and microstructures involving ballistic penetrator formation and hypervelocity impact and penetration phenomena[J]. Materials Characterization,1996,37(5):245-276.