張曉瓊，王濤,2*

輕型合金超高速?zèng)_擊防護(hù)性能和失效機(jī)理研究進(jìn)展

張曉瓊1，王濤1,2*

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024；2.太原理工大學(xué) 金屬成形技術(shù)與重型裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024）

系統(tǒng)總結(jié)目前關(guān)于輕型金屬合金及其復(fù)合層板在超高速?zèng)_擊載荷作用下的沖擊損傷模式和失效機(jī)理研究進(jìn)展。搜集整理大量有關(guān)研究文獻(xiàn)，從實(shí)驗(yàn)技術(shù)、輕型合金的超高速?zèng)_擊下可視性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以及高應(yīng)變率加載條件下材料的微觀組織結(jié)構(gòu)演化機(jī)理三方面對最新研究進(jìn)展進(jìn)行梳理與總結(jié)。指出了目前輕型合金超高速?zèng)_擊性能研究中的不足，并提出了未來研究方向的建議，為該領(lǐng)域輕質(zhì)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未來的研究方向提供了參考。

鋁合金；鎂合金；鈦合金；超高速撞擊；Whipple結(jié)構(gòu)；沖擊防護(hù)；失效機(jī)理

在航空航天等領(lǐng)域中開展先進(jìn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮材料的4類特性：性能、成形性、環(huán)保以及成本[1]。結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)不僅能夠節(jié)省能源，還能有效降低制造成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。開展結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的一種有效途徑就是選用輕質(zhì)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。近年來，關(guān)于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料發(fā)展得十分迅速，其中應(yīng)用最為廣泛的是纖維復(fù)合材料，如碳纖維、玻璃纖維、Kevlar纖維等。纖維復(fù)合材料因其普遍密度較低，輕于鋁合金，還具有高比強(qiáng)度和比剛度以及耐腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，現(xiàn)已形成逐步取代傳統(tǒng)金屬材料的趨勢。然而，在設(shè)計(jì)制造過程中采用儲(chǔ)量豐富、生產(chǎn)工藝成熟、成本造價(jià)較低、易于加工的輕質(zhì)金屬材料仍然在先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要地位。其中在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的三類輕型金屬材料分別為鋁合金、鎂合金和鈦合金。

隨著廢棄的航天飛行器爆炸損毀和太空垃圾的不斷增加導(dǎo)致空間環(huán)境持續(xù)惡化以及新型武器裝備的快速發(fā)展，在這些領(lǐng)域中以超高速飛行的空間碎片和武器爆炸引起的破片均嚴(yán)重威脅著航天飛行器、防護(hù)裝甲的安全[3-4]。在超高速撞擊中，沖擊速度均為公里/秒級(jí)，應(yīng)變速率可達(dá)105～106s?1，會(huì)在撞擊物和防護(hù)材料之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的激波，防護(hù)材料會(huì)處于極端的高溫和高壓狀態(tài)[3]，足以誘發(fā)出金屬材料產(chǎn)生各種變形組織。同時(shí)，材料伴隨著熔化和汽化，并且在穿孔的厚度方向上材料的塑性變形呈梯度變化，導(dǎo)致防護(hù)材料在超高速?zèng)_擊下的變形與失效過程極為復(fù)雜。超高速?zèng)_擊下防護(hù)材料的宏觀損傷形貌和微觀組織演化一直是材料和力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[5]。因此，開展輕型合金材料在超高速?zèng)_擊載荷作用下的防護(hù)性能和斷裂失效機(jī)理對防護(hù)結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。

超高速?zèng)_擊領(lǐng)域中涉及到研究課題種類繁多，主要的熱點(diǎn)問題有超高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)技術(shù)、超高速?zèng)_擊的數(shù)值模擬方法、超高應(yīng)變率范圍內(nèi)的材料相變和等離子體輻射、防護(hù)屏的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與損傷機(jī)理分析、沖擊應(yīng)力波的傳播特征等。在上述這些研究熱點(diǎn)里，碎片云的形成、移動(dòng)和膨脹過程，以及發(fā)生超高速撞擊后在防護(hù)結(jié)構(gòu)上留下的穿孔和撞擊坑等宏/微觀損傷形貌是最為直觀的，是具有較高可信性和可視性的研究對象[6-7]。因此在文中首先介紹常用的超高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)技術(shù)和防護(hù)屏的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式與防護(hù)機(jī)理；然后分類綜述鋁、鈦、鎂3類輕質(zhì)合金在超高速防護(hù)結(jié)構(gòu)中的研究進(jìn)展，主要集中總結(jié)了3類輕型合金在超高速?zèng)_擊過程中的碎片云特征和微觀損傷演化機(jī)理方面的研究；接著介紹目前使用輕質(zhì)合金設(shè)計(jì)的梯度結(jié)構(gòu)防護(hù)結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展；最后總結(jié)目前研究仍存在的不足并提出建議。

1 超高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)技術(shù)

二級(jí)輕氣炮是實(shí)現(xiàn)超高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵裝置，最早于1948年由Crozier等[8]提出。圖1為典型二級(jí)輕氣炮的結(jié)構(gòu)，其工作原理：在第1級(jí)中，先由控制系統(tǒng)點(diǎn)燃火藥室中的火炮推進(jìn)劑（火藥），致使氣體膨脹推動(dòng)可移動(dòng)活塞對泵管中的輕氣進(jìn)行壓縮，并驅(qū)動(dòng)氣體壓縮到高壓；在第1級(jí)結(jié)束時(shí)，活塞會(huì)停留在圖1所示的錐形高壓段內(nèi)，該段左右分別連接了第1級(jí)中的泵管和第2級(jí)的發(fā)射管；當(dāng)高壓氣體沖破第2級(jí)發(fā)射管左端的膜片后，熱流和壓縮氣體進(jìn)入發(fā)射管，加速?zèng)_擊彈丸飛向靶體，靶體位于測試室內(nèi)。根據(jù)所進(jìn)行的沖擊實(shí)驗(yàn)的具體要求，第2級(jí)和實(shí)驗(yàn)室的壓力可以是環(huán)境壓力，也可以是更低的壓力，直至接近真空[9]。在彈丸飛行過程中，由于彈丸與和活塞之間空間的增大可使活塞擠壓加劇，彈丸的驅(qū)動(dòng)壓力可獲得一定程度的補(bǔ)償[6,10]。

使用二級(jí)輕氣炮發(fā)射直徑為3.12 mm鋁合金彈丸的最高速度可接近10 km/s[11]。Stilp等[12]將直徑為1.5 mm，質(zhì)量為10 mg的鋁彈丸最高速度也發(fā)射到了9.6 km/s。盡管針對二級(jí)輕氣炮的發(fā)射技術(shù)在不斷改進(jìn)，但要發(fā)射出能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求的具有一定質(zhì)量和尺寸的彈丸以此獲得更具有參考價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，二級(jí)輕氣炮的最高發(fā)射速度則很難突破7.5 km/s[13]。針對這個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，Chhabildas等[14]對沖擊彈丸進(jìn)行了改進(jìn)，使用具有密度梯度結(jié)構(gòu)的飛片進(jìn)行撞擊最終實(shí)現(xiàn)了發(fā)射速度高達(dá)14 km/s。但該技術(shù)方法同樣具有一定局限性，飛片容易出現(xiàn)變形、傾斜或者破損，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用球形彈仍然是大部分科研人員的首選。

超高速撞擊實(shí)驗(yàn)研究中普遍采用的輕質(zhì)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)最早由Whipple等[15]于1947年提出。傳統(tǒng)Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)較為簡單，具有前后2個(gè)防護(hù)平板，前板通常為防護(hù)屏主要起到緩沖作用，后板為結(jié)構(gòu)的壁板，前后兩板有一定距離。當(dāng)沖擊彈丸以一定速度撞擊到前板后，會(huì)在彈丸和前板內(nèi)部分別產(chǎn)生沖擊波，在沖擊波的作用下導(dǎo)致防護(hù)結(jié)構(gòu)的前板和彈丸共同發(fā)生破碎[16]，形成的碎片云在經(jīng)過移動(dòng)和膨脹后會(huì)以較大的接觸面積撞擊到后板上，從而可以有效降低后板主體結(jié)構(gòu)的損傷程度和沖擊載荷[17]。隨著Nextel纖維、Kevlar纖維、聚亞安酯泡沫、PTFE等先進(jìn)輕質(zhì)纖維材料、高分子材料等的發(fā)展和應(yīng)用[18-19]，以及眾多改進(jìn)和優(yōu)化后的多層結(jié)構(gòu)、夾芯結(jié)構(gòu)、波紋結(jié)構(gòu)等提出[20-22]，使得Whipple結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能有了快速提升。研究工作者主要通過分析前板穿孔的形態(tài)特征、碎片云移動(dòng)和擴(kuò)散特征，以及后板表面損傷形貌來評(píng)估防護(hù)屏材料的性能優(yōu)劣。

圖1 二級(jí)輕氣炮中彈丸加速的工作原理[9]

圖2 Whipple防護(hù)屏結(jié)構(gòu)[23]

2 輕型合金超高速?zèng)_擊失效行為研究進(jìn)展

鋁合金因具有密度小、耐沖擊、導(dǎo)電導(dǎo)熱、塑性好等優(yōu)點(diǎn)，易于加工成為各類型材，從而被廣泛應(yīng)用于飛行器結(jié)構(gòu)件中。通過添加微量金屬元素，可開發(fā)出具有不同力學(xué)性能的八大系列鋁合金[24]。關(guān)于純鋁合金超高速?zèng)_擊性能的研究目前主要集中于鋁合金作為Whipple防護(hù)屏服役時(shí)，鋁合金的碎片云形態(tài)特征、穿孔直徑、鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)損傷形態(tài)的演變以及彈丸撞擊角度、形狀密度等[7]。鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、高溫性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，與復(fù)合材料之間有良好的相容性，被廣泛應(yīng)用于裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)中，并成功地取代了一部分鋼制結(jié)構(gòu)件以此進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重[25]。隨著武器系統(tǒng)的快速發(fā)展，一些新型電磁炮的發(fā)射速度已經(jīng)高于2 km/s，造成防護(hù)材料的失效機(jī)理與傳統(tǒng)武器的攻擊下有著明顯區(qū)別[26]。鎂合金作為密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，因其具有高比能、良好的抗震減噪等性能優(yōu)點(diǎn)而成為極具吸引力的結(jié)構(gòu)材料，從而被廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車領(lǐng)域[27]。但因鎂合金的六方密排（HCP）晶格使得其具有各向異性，導(dǎo)致強(qiáng)度的拉壓不對稱性，所以，鎂合金在沖擊載荷作用下孿晶與位錯(cuò)滑移的耦合變形機(jī)制的行為極為復(fù)雜[28-30]，使得其不同于傳統(tǒng)各向同性材料，預(yù)測鎂合金的變形和失效行為變得較為困難[31-34]。

研究結(jié)果表明上述3類輕型合金在超高速?zèng)_擊中隨著沖擊條件的變化，如彈丸尺寸形狀、沖擊角度速度、防護(hù)材料本身性能等因素的變化，其碎片云的形成過程和分布形狀也隨之會(huì)發(fā)生改變。此外，沖擊結(jié)束后對防護(hù)材料的損傷模式和變形失效機(jī)理的分析，以及針對碎片云的形成機(jī)理和碎片云侵徹性能的研究，對了解材料防護(hù)性能和優(yōu)化防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均具有重要意義[35]。綜上，將對3類輕型合金的碎片云特征和微觀失效機(jī)理分別進(jìn)行總結(jié)。

2.1 輕型合金在球形彈超高速?zèng)_擊下的碎片云特征

如圖3和圖4a所示，鋁合金球形彈丸撞擊鋁合金薄板后，由彈丸和靶板斷裂失效產(chǎn)生的濺射物所形成的碎片云形態(tài)在空間上近似環(huán)錐形，碎片云中主要包含了構(gòu)成撞擊閃光主要熱源的高溫微粒子、金屬粉塵和低速碎片粒子構(gòu)成的濺射云團(tuán)簇。鋁合金碎片云通常會(huì)隨著撞擊速度的增加，其云團(tuán)簇分布將轉(zhuǎn)變得更為密集、均勻，濺射角也隨之減小。鋁合金的碎片云通常其前端邊緣形狀近似拋物線型，并且該部分屬于碎片密集區(qū)域，部分材料在超高速撞擊過程中發(fā)生相變，液相和氣相的碎片云對后板造成的損傷遠(yuǎn)弱于固相的碎片，因此后板的沖擊損傷也多由該碎片密集區(qū)域造成[35]。此外，關(guān)于鋁合金Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究多聚焦于彈丸正撞，而在實(shí)際情況中，90%以上空間碎片的撞擊角度大于10°，斜撞擊產(chǎn)生的碎片云范圍更大[36]。管公順等[36]開展了鋁合金薄板在不同角度超高速撞擊下的實(shí)驗(yàn)研究，得出對于1 mm厚的2A12鋁合金板在超高速斜撞下，發(fā)生滑彈返濺的臨界角度應(yīng)在30°～40°，并隨著彈丸撞擊角度的增大而逐漸減小，同時(shí)由于滑彈返濺碎片云分布減小，破壞能力提升。

圖3 鋁合金薄板碎片云擴(kuò)散過程[37]

由于鈦合金的密度高于鎂合金和鋁合金的，因此在超高速防護(hù)領(lǐng)域輕量化的前提下較少以單一組分材料作為防護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，多與纖維復(fù)合材料或其他輕型合金如鎂鋁進(jìn)行復(fù)合，其防護(hù)結(jié)構(gòu)多為梯度層合板[25,38-39]。圖4b、c所示即為鈦合金分別和碳纖維、Al-Nylon的層合結(jié)構(gòu)防護(hù)屏在超高速?zèng)_擊下的碎片云圖。從圖4b、c中觀測可知，Al2024和Ti-Al-nylon層合結(jié)構(gòu)防護(hù)屏的碎片云更具有典型球形彈丸撞擊后產(chǎn)生的碎片云形態(tài)特征。彈丸和防護(hù)屏發(fā)生撞擊后，沖擊波在二者內(nèi)部經(jīng)傳播反射后形成稀疏波，在稀疏波的作用下發(fā)生破碎后的大部分碎片沿著入射方向移動(dòng)和膨脹擴(kuò)散，有少量碎片發(fā)生反濺形成反向?yàn)R射流[40]。區(qū)別在于Ti-Al-nylon層合結(jié)構(gòu)在碎片云右端部分未出現(xiàn)帽狀的碎片密集區(qū)域，有效減緩了對后方結(jié)構(gòu)的沖擊損傷。另外受超高速撞擊引起防護(hù)材料氣化蒸發(fā)，蒸氣對可見光不透明，由此使得所拍攝的Ti-Al-nylon層合結(jié)構(gòu)碎片云更暗，其碎片云外部形體相較于純鋁合金薄板軸向和徑向直徑更大，材料破碎和膨脹更為充分。圖4c中由于受混雜的碳纖維影響，其碎片云與純鋁合金以及圖4b中Ti-Al-nylon的層合結(jié)構(gòu)對比，其碎片云呈不規(guī)則形狀，較難根據(jù)其碎片云特征反推防護(hù)結(jié)構(gòu)的性能。

如圖5所示，鎂合金因其材料本身具有各向異性，其碎片云也呈現(xiàn)出各向異性特征，包含了反向?yàn)R射流、內(nèi)核結(jié)構(gòu)以及碎片云的外泡結(jié)構(gòu)。從圖5中可觀察到，鎂合金碎片云演變過程在其軋制方向和橫向方向上有明顯不同，主要體現(xiàn)在沿著法向觀測時(shí)其橫向擴(kuò)散尺寸要大于材料的軋制方向，碎片云更接近扇形，而沿著軋制方向觀測碎片則更集中于沖擊方向上的同心軸附近。不同于鋁合金超高速撞擊下的典型碎片云特征，鎂合金在球形彈丸撞擊后的碎片云截面呈橢圓形，長軸沿材料軋制方向，短軸沿橫向方向。彈丸的沖擊條件對鎂合金的碎片云分布特征同樣有著明顯影響，隨著彈丸的沖擊速度的增加或者沖擊彈丸的密度增加，鎂合金靶板和彈丸的破碎程度越嚴(yán)重，碎片云沿著軸向、徑向擴(kuò)散的范圍也隨之增加，鎂合金碎片云的形狀會(huì)逐漸接近圓形[41]。

圖4 Carbon fibre-Ti、Al2024和Ti-Al-nylon碎片云形貌[38-39]

圖5 不同觀測方向上鎂合金碎片云形狀特征[41]

綜上所述，在關(guān)于平板防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊研究中，可以觀察記錄到的主要現(xiàn)象為在彈丸和靶板發(fā)生破裂后所形成的包含了固-液-氣多相碎片的膨脹球形云。彈丸和靶板的破碎特性與彈丸的沖擊速度/角度、彈丸和靶板的尺寸比值、靶板層合結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度均密切相關(guān)，任一因素的變化都能引起該膨脹球形云的形狀和內(nèi)部碎片分布的密度變化。目前關(guān)于碎片云形成機(jī)理的定量研究仍然較為欠缺，多采用X-ray技術(shù)或激光陰影拍攝技術(shù)記錄的圖像進(jìn)行定性分析，碎片云內(nèi)部碎片數(shù)量眾多難以借助測量工具精準(zhǔn)識(shí)別，導(dǎo)致對其的細(xì)觀建模、識(shí)別和統(tǒng)計(jì)均有較大難度，不同材料或結(jié)構(gòu)的碎片云特征與其防護(hù)性能之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制仍不明朗。

2.2 輕型合金超高速?zèng)_擊下的失效特征

2.2.1 鋁合金

林木森等[42]對不同厚度5A06鋁合金板開展超高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明，當(dāng)沖擊速度不變時(shí)，鋁合金防護(hù)屏的穿孔直徑與厚度正相關(guān)，而當(dāng)防護(hù)屏厚度不變時(shí)，穿孔直徑與彈丸撞擊速度正相關(guān)。Zhang等[43]對超高強(qiáng)度7055鋁合金板在超高速撞擊下的損傷特征和形成機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析。通過對撞擊坑形態(tài)對比分析后發(fā)現(xiàn)，隨著撞擊速度的增加，撞擊坑由球形冠狀演變?yōu)榍蛐五F形復(fù)合形狀，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榘肭蛐?，如圖6所示。并指出7055鋁合金薄板的撞擊坑彈坑形狀的演變與穩(wěn)態(tài)沖擊壓力和合金強(qiáng)度的比值密切相關(guān)。類似錐形環(huán)形山形狀的撞擊坑的形成主要是由7055鋁合金在動(dòng)載荷下應(yīng)變硬化速率較低，抗剪切局部化能力較差引起的。絕熱剪切帶的產(chǎn)生并演化為剪切裂紋，從而導(dǎo)致撞擊坑底部形成錐形區(qū)域，同時(shí)材料發(fā)生失效。

上述研究中均采用球形彈丸作為撞擊物，然而評(píng)估材料防護(hù)性能時(shí)的重要依據(jù)之一的撞擊坑的形態(tài)與形成和彈丸自身的形狀尺寸、密度及強(qiáng)度均密切相關(guān)。Burton[44]曾指出相較于球形彈丸，非球形彈丸的撞擊會(huì)對防護(hù)結(jié)構(gòu)造成更為嚴(yán)重的威脅。文獻(xiàn)[45-47]開展了關(guān)于圓柱形撞擊彈丸的長徑比對撞擊坑形貌的影響研究。對于沖擊彈丸的形狀，Itagaki等[48]采用了不同頭部形狀的圓柱形沖擊彈丸。該沖擊彈丸由一對塑料前后彈殼和一個(gè)鋁合金內(nèi)盤組成，兩者形狀不同，但總質(zhì)量、平均質(zhì)量密度和沖擊速度保持不變。結(jié)果表明，在撞擊條件下，只有撞擊體的長度和中軸線面質(zhì)量密度發(fā)生了變化，這些變量對撞擊坑形態(tài)的影響可用它們的冪值表示。Keita等[49]更進(jìn)一步提出了一種平頭塑料-金屬多面圓柱撞擊彈丸，并分析討論了其長度、平均質(zhì)量密度和撞擊速度對彈坑形態(tài)具有哪些同步效應(yīng)。其研究結(jié)果指出描述撞擊坑的每一個(gè)參數(shù)均與撞擊彈單位面積的動(dòng)量大小有明確的關(guān)聯(lián)。

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圖6 7055鋁合金超高速?zèng)_擊后的宏/微觀損傷形貌[43]

2.2.2 鈦合金

鈦合金的高速?zèng)_擊損傷主要與絕熱剪切帶的擴(kuò)展、微裂紋擴(kuò)展方向以及微觀組織結(jié)構(gòu)演化密切相關(guān)[50]。圖7和圖8分別為鈦合金受不同速度下超高速?zèng)_擊載荷作用后的宏、微觀形貌，圖8中可觀察到受高速?zèng)_擊載荷作用后微觀組織結(jié)構(gòu)里出現(xiàn)了明顯的絕熱剪切帶。絕熱剪切帶的形成則主要與鈦合金受高速?zèng)_擊載荷作用后材料局部發(fā)生劇烈塑性變形導(dǎo)致的溫升現(xiàn)象和高應(yīng)變速率加載條件有關(guān)[51]。在防護(hù)裝甲被超高速碎片穿透的情況下，即超過103s?1的應(yīng)變速率下，更容易產(chǎn)生絕熱剪切帶，更高的應(yīng)變率意味著更急劇的溫升現(xiàn)象。而溫度的上升導(dǎo)致局部鈦合金局部發(fā)生熱軟化，沖擊加載結(jié)束后材料冷卻時(shí)會(huì)形成再結(jié)晶，再結(jié)晶導(dǎo)致材料內(nèi)部形成更細(xì)的晶粒尺寸，絕熱剪切帶中心區(qū)域晶粒尺寸甚至能夠達(dá)到納米尺度[52]。圖8中可觀察到在絕熱剪切帶內(nèi)部出現(xiàn)了一系列孔洞，Xue等[53]認(rèn)為絕熱剪切帶是孔洞成核、生長和聚并的首選位點(diǎn)。關(guān)于孔洞的形成，一種觀點(diǎn)認(rèn)為在α+β雙相鈦合金中的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)直接關(guān)系到微孔的成核，成核位置一般主要分布在較軟的α相和較硬的β相之間[54]。而Kai等[55-56]則認(rèn)為絕熱剪切帶因條紋亞晶與等軸亞晶之間的變形不一致引起分叉，而分叉處的交點(diǎn)由于局部應(yīng)力的存在更容易形成微孔洞。這些孔洞的逐步演化和聚集導(dǎo)致了材料最終的斷裂失效[57-58]。鈦合金的等軸組織結(jié)構(gòu)容易形成絕熱剪切帶，而這種剪切帶的形成又成為材料內(nèi)部失效的主要因素。Bless等[59]也觀察到在1 500 m/s和2 300 m/s的速度下，Ti-6Al-4V鈦合金在彈道沖擊下發(fā)生剪切帶斷裂。He等[50]則認(rèn)為在不同的超高速度撞擊下，如圖9所示鈦合金的微觀組織有明顯不同。在他們的研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)彈丸以970 m/s的速度撞擊后靶體后，撞擊坑內(nèi)主要發(fā)生位錯(cuò)滑移和纏繞，形成較大的位錯(cuò)胞數(shù)和{10-12}拉伸孿晶，并形成了幾個(gè)絕熱剪切帶，絕熱剪切帶內(nèi)部的顆粒被嚴(yán)重拉長，幾乎沒有微孔洞。以1 590 m/s的速度撞擊后隕石坑整體變形程度增大，部分形成了{(lán)11-22}壓縮孿晶在一些絕熱剪切帶中出現(xiàn)晶粒變形和再結(jié)晶。當(dāng)撞擊速度達(dá)到超高速2 240 m/s時(shí)，除具有上述變形特征外，還有FCC孿晶和馬氏體相變在撞擊坑火山口內(nèi)出現(xiàn)，絕熱剪切帶數(shù)量顯著增加，產(chǎn)生許多微孔洞，并相互連接形成絕熱剪切帶中的宏觀裂紋。

2.2.3 鎂合金

研究結(jié)果表明在103～104s?1的應(yīng)變率范圍內(nèi)，鎂合金的抗侵徹性能明顯優(yōu)于鋁合金的，其動(dòng)態(tài)力學(xué)行為主要受晶體組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、添加元素以及外部載荷作用方向影響[5]。鎂合金的塑性變形機(jī)理主要受孿晶和位錯(cuò)滑移主導(dǎo)。在超高速?zèng)_擊過程中，受沖擊波在材料中的傳播影響，穿孔周圍區(qū)域的變形微觀組織結(jié)構(gòu)可主要分為三部分：動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域、高密度和低密度變形孿晶區(qū)[60-61]，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、孿晶和裂紋是鎂合金吸收沖擊波能量和釋放超高速?zèng)_擊產(chǎn)生的應(yīng)力的主要變形行為。孿晶雖然能夠協(xié)調(diào)一部分應(yīng)變，但在超高速撞擊下孿晶發(fā)揮作用有限。其中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶主要依靠撞擊坑底部發(fā)生較大變形，從而使得儲(chǔ)存的大量應(yīng)變能無法釋放而形成的[62]。超高速碰撞時(shí)瞬時(shí)微觀組織分析表明（圖9），孿晶-孿晶、位錯(cuò)-位錯(cuò)和孿晶-位錯(cuò)的相互作用決定了超高速?zèng)_擊過程中的應(yīng)變硬化，最終決定了鎂合金材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。撞擊坑周圍顯微硬度的演變進(jìn)一步證明了超高速撞擊下的微觀結(jié)構(gòu)演變及其相互作用[5]。鎂合金的宏觀損傷形貌中針對其撞擊坑中超細(xì)晶粒的形成機(jī)制和外部沖擊條件的關(guān)聯(lián)，以及撞擊坑變形區(qū)不同密度區(qū)域內(nèi)的微觀組織演化和鎂合金的屈服強(qiáng)度、硬度等宏觀力學(xué)行為間的關(guān)系尚未明確。鎂合金的特殊晶體結(jié)構(gòu)和拉壓不對稱性造成了對其在超高速?zèng)_擊下力學(xué)行為預(yù)測的困難，建立能夠描述鎂合金超高速彈道極限方程和描述其在超高應(yīng)變率加載條件下的力學(xué)行為的模型仍然是目前研究的難點(diǎn)。

圖7 橫截面上撞擊坑的宏觀形貌[50]

圖8 鈦合金絕熱剪切帶的微觀組織[50]

圖9 梯度織構(gòu)AZ31B鎂合金靶板在3.8 km/s速度撞擊后的TEM微觀形貌[5]

綜上所述，盡管3類輕質(zhì)合金的原始微觀組織結(jié)構(gòu)和受撞擊后變形區(qū)域的微結(jié)構(gòu)演變都有較大區(qū)別，但有一個(gè)共同點(diǎn)，即絕熱剪切帶的形成和演變機(jī)理對輕型合金的宏觀性能表現(xiàn)有著重要影響，但具體內(nèi)在聯(lián)系的機(jī)制仍存在爭論，如前文中所敘述鈦合金絕熱剪切帶上所存在的微小孔洞形成機(jī)理原因。此外，超高速撞擊過程中往往伴隨著高溫現(xiàn)象，溫度的急劇變化對撞擊坑形貌的形成和微觀組織結(jié)構(gòu)演化具體影響機(jī)理仍缺乏研究?？山柚邷貥O端環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置和紅外測溫裝置等，通過在極寬速度范圍內(nèi)對同種材料進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測撞擊結(jié)束后材料各區(qū)域的溫度。根據(jù)材料冷卻速率間接推理材料在整個(gè)撞擊過程中的實(shí)際溫度變化規(guī)律，并收集在不同沖擊速度下的材料碎片和變形損傷區(qū)域的樣品結(jié)合材料分析技術(shù)分析其微觀組織結(jié)構(gòu)演化機(jī)理，以期獲得更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 輕質(zhì)合金波阻抗梯度防護(hù)結(jié)構(gòu)

波阻抗梯度材料是將具有不同密度的材料進(jìn)行層合，使得整體結(jié)構(gòu)的波阻抗沿著厚度方向能夠呈現(xiàn)階梯性或準(zhǔn)連續(xù)性變化[63]。不同于單一材料的所制成的防護(hù)結(jié)構(gòu)，波阻抗梯度結(jié)構(gòu)具有以下2點(diǎn)優(yōu)勢：波阻抗梯度結(jié)構(gòu)中能夠改變沖擊波的傳播路徑，使其發(fā)生多次反射和透射，提升沖擊過程中的能量耗散率[64]；將高波阻抗材料置于迎彈面，能夠在沖擊物內(nèi)部形成更高的壓力和溫升，提高沖擊物的破碎程度，促使沖擊物的動(dòng)能更容易轉(zhuǎn)變?yōu)榉雷o(hù)結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)能，進(jìn)一步促進(jìn)防護(hù)結(jié)構(gòu)材料發(fā)生熔化和氣化[65-66]。低波阻抗材料通常具有較好的吸能特性，將其置于高波阻抗材料后側(cè)可增加對碎片動(dòng)能的消耗，最大程度降低對后方結(jié)構(gòu)的損傷[67]。

由輕質(zhì)合金組成的波阻抗梯度結(jié)構(gòu)目前主要有Al/Mg結(jié)構(gòu)、Ti/Al/Mg、Ti/Al/nylon[39]結(jié)構(gòu)等。相較于其他類型梯度結(jié)構(gòu)，Al/Mg結(jié)構(gòu)因其質(zhì)量輕、防護(hù)性能好、成本低廉受到了科研人員的廣泛關(guān)注，有關(guān)研究也多集中于該結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能的研究上。經(jīng)研究表明，在不同超高速?zèng)_擊載荷作用下，Al/Mg波阻抗梯度防護(hù)結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出了優(yōu)于純鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)的性能。Al/Mg梯度結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢在于一方面能夠改變沖擊波的傳播路徑，有效延長了沖擊波脈沖的持續(xù)時(shí)間，另一方面提升了沖擊峰值壓力從而更有利于沖擊彈丸的充分破碎[67]。如圖10所示，對比2類防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻前側(cè)損傷形貌可觀測到，鋁合金結(jié)構(gòu)撞擊坑呈放射狀，而Al/Mg梯度結(jié)構(gòu)則呈無序分布。后板后側(cè)鋁合金結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量層裂裂紋并伴有嚴(yán)重的塑性變形，而Al/Mg梯度結(jié)構(gòu)層裂輕微，僅中心區(qū)域出現(xiàn)鼓包和中心附近區(qū)域出現(xiàn)環(huán)形鼓包。表面Al/Mg梯度結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)異的防護(hù)性能。

在Ti/Al/nylon梯度結(jié)構(gòu)與2024純鋁合金的對比實(shí)驗(yàn)中，如圖11所示，與Al/Mg梯度結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，Ti/Al/nylon結(jié)構(gòu)同樣展現(xiàn)出了優(yōu)于純鋁合金的防護(hù)性能。具體表現(xiàn)在碎片幾乎均勻地分布在碎片云中，并沒有集中在射線軸上，碎片云的膨脹角也大于鋁合金。與鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，Ti/Al/nylon防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻上在噴射區(qū)域散布的損傷程度更低、分布更少。張品亮等[66]提出改進(jìn)型Ti/Al/Mg結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)具有高阻抗的鈦合金能夠在其表層產(chǎn)生更高的溫升和峰值載荷，能夠使彈丸破碎得更為充分。在等面密度情況下，Ti/Al/Mg結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)優(yōu)于Al/Mg結(jié)構(gòu)和2A12鋁合金結(jié)構(gòu)。

輕質(zhì)合金波阻抗梯度防護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕、防護(hù)性能優(yōu)異，相較于單一金屬材料的防護(hù)屏，梯度結(jié)構(gòu)可形成雙層或多層結(jié)構(gòu)。通過選取不同波阻抗材料、不同厚度尺寸等能夠?qū)崿F(xiàn)不同的防護(hù)功能需求，可設(shè)計(jì)性極強(qiáng)是一種極具應(yīng)用前景的輕質(zhì)防護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是未來超高速防護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。但是對多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有諸多文獻(xiàn)報(bào)道中忽略了多層結(jié)構(gòu)中異種材料間的界面復(fù)合工藝和成形技術(shù)難點(diǎn)，即如何設(shè)計(jì)并能夠制造出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的多層結(jié)構(gòu)。此外，多數(shù)科研人員均采用平面薄板這一最為簡單的結(jié)構(gòu)形式開展研究，對非平面的防護(hù)結(jié)構(gòu)形式的探索較少。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)挑選出適用的組分材料后，如何將異種組分材料之間進(jìn)行高效、高強(qiáng)的復(fù)合，并制備出具有復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)，以及針對非平面結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)形式的改變對其防護(hù)性能有何具體影響和相關(guān)的結(jié)構(gòu)破碎、波致失效機(jī)理、碎片云的理論模型特征、彈道極限方程等超高速?zèng)_擊研究的相關(guān)課題仍然有待進(jìn)一步拓展。

圖10 鋁合金和Al/Mg防護(hù)結(jié)構(gòu)在5.0 km/s撞擊速度下表面損傷形貌[65]

圖11 在球形彈沖擊速度為6.40～6.53 km/s時(shí)，Al2024和Ti/Al/nylon緩沖屏被穿孔后的照片對比[39]

4 結(jié)語

本文概述了鋁合金、鈦合金和鎂合金3類輕型合金在超高速?zèng)_擊載荷作用下的性能表現(xiàn)和微觀失效特征，介紹了近年來由輕型合金組成的波阻抗梯度結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對比了不同組合類型的防護(hù)性能優(yōu)劣。目前，關(guān)于輕型合金在超高速?zèng)_擊領(lǐng)域的研究仍存在一些不足：

1）發(fā)生爆炸和空間碎片撞擊時(shí)，沖擊物往往是不規(guī)則形狀的破片，而現(xiàn)有的絕大部分研究中仍然以標(biāo)準(zhǔn)球形彈丸作為沖擊物開展實(shí)驗(yàn)研究。防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊坑形貌特征與沖擊物的形狀和尺寸密切相關(guān)，因此，還需開展非規(guī)則形狀沖擊物對防護(hù)結(jié)構(gòu)造成損傷的評(píng)估研究。

2）波阻抗梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仍多采用傳統(tǒng)輕質(zhì)合金或結(jié)合纖維材料、高分子材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，對近年來涌現(xiàn)出的超材料、金屬極薄帶材在超高速防護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究仍有欠缺。

3）目前，關(guān)于單一輕型合金的沖擊防護(hù)性能研究中，針對材料微觀組織結(jié)構(gòu)的演化對其具體性能特征的影響均有大量分析探討，而對由輕型合金組成的波阻抗梯度結(jié)構(gòu)在超高速撞擊后，多集中于表面宏觀形貌分析，缺乏對微觀組織結(jié)構(gòu)失效機(jī)理的深入分析。

4）對波阻抗梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則未能有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，即限定結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和尺寸后，如何針對性地選擇組分材料、各組分材料間尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)什么原則等并未充分進(jìn)行討論。

針對上述研究內(nèi)容的不足，提出建議如下：

1）改進(jìn)輕氣炮實(shí)驗(yàn)裝置的發(fā)射機(jī)構(gòu)、加速裝置、增壓裝置、沖擊物夾持裝置等，提升輕氣炮的發(fā)射速度、發(fā)射質(zhì)量和不規(guī)則形狀沖擊物的發(fā)射技術(shù)。采用超高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)和爆炸實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)手段，在地面實(shí)驗(yàn)中獲取更接近實(shí)際超高速碰撞工況中極高應(yīng)變率和急劇溫升變化中防護(hù)材料性能表現(xiàn)數(shù)據(jù)。

2）針對防護(hù)結(jié)構(gòu)所用材料開展其本構(gòu)方程、狀態(tài)方程、材料相變模型等理論研究，以提供更為準(zhǔn)確的模型參數(shù)和包含沖擊條件的函數(shù)。結(jié)合有限元、顆粒法、機(jī)器深度學(xué)習(xí)等多種計(jì)算方法，同時(shí)借助豐富的材料分析技術(shù)和圖像分析技術(shù)，建立包含多種材料碎片云特征、穿孔形貌和尺寸、不同沖擊速度下微觀組織結(jié)構(gòu)圖像等超高速各項(xiàng)性能的基因數(shù)據(jù)庫，提升計(jì)算仿真精度，降低實(shí)驗(yàn)成本。

3）開展新型輕質(zhì)材料在波阻抗梯度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究，探索研究如折紙結(jié)構(gòu)、可編程超材料等新結(jié)構(gòu)和超薄超輕材料的協(xié)同設(shè)計(jì)，分析材料和新結(jié)構(gòu)形式對防護(hù)性能的影響規(guī)律。對新材料的應(yīng)用不局限于僅提高其超高速防護(hù)性能，還可以綜合考慮如外太空中的防輻射功能、極端高低溫環(huán)境中的服役性能等。

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Research Progress on Hyper Velocity Impact Protection and Failure Mechanism of Lightweight Alloy

ZHANG Xiao-qiong1, WANG Tao1,2*

(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. State Key Laboratory of Metal Forming Technology and Heavy Equipment, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

The work aims to summarize the current research progress on impact damage modes and failure mechanisms of light metal alloys and composite laminates subject to hyper velocity impact loads. A large amount of relevant literature was collected and summarized and the latest research progress was sorted out and summarized from experimentaltechniques, experimental phenomena of visibility of light alloys under hyper velocity impact, and microstructure evolution mechanism of materials under high strain rate load. The shortcomings of current research on hyper velocity impact properties of light alloys are pointed out and some suggestions are put forward for future research directions, which can provide reference for future research directions of lightweight protective structure design in this field.

aluminum alloy; magnesium alloy; titanium alloy; hyper velocity impact; Whipple structure; impact protection; failure mechanism

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.21.004

2023-10-07

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)專項(xiàng)（U22A20188）；國家自然科學(xué)基金（51974196，12302479）；山西省科技重大專項(xiàng)（202101120401008）；山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（20210302124691）

通信作者

TB484；O389

A

1001-3563(2023)21-0024-12

責(zé)任編輯：曾鈺嬋