杆式穿甲弹侵彻靶板时弹坑表面熔化快凝层研究

罗荣梅，黄德武，杨明川，黄海，李馥颖

（1.南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京210094；2.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110168；3.沈阳理工大学艺术设计学院，辽宁沈阳110168）

杆式穿甲弹侵彻靶板时弹坑表面熔化快凝层研究

罗荣梅1，2，黄德武2，杨明川2，黄海3，李馥颖3

（1.南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京210094；2.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110168；3.沈阳理工大学艺术设计学院，辽宁沈阳110168）

钨合金杆式穿甲弹高速侵彻装甲靶板时，在弹孔表面会产生很薄的“熔化快凝层”。为了进一步研究熔化快凝层的形貌特征和形成机理，对小口径钨合金杆式穿甲弹垂直侵彻30CrMnMo装甲钢板产生的弹坑表面，进行了扫描电镜观察及能谱分析，并利用LS-DYNA对弹、靶作用区的温度场进行数值模拟。结果表明：熔化快凝层的成分包含弹芯材料W、Ni、Fe和靶板材料Fe、Cr、Mn.其中钨在熔化快凝层中以两种晶粒形式存在，较大的呈扁状细长形，长度为几个到几十个微米；较小的呈球状弥散分布在基体内，直径为100～400 nm.还发现杆式弹芯头部的质量消耗是以“溶解破碎”形式发生。对“熔化快凝层”的研究可为深入分析钨合金杆式弹穿甲机理提供依据。

兵器科学与技术；穿甲侵彻；弹、靶作用区域；溶解破碎质量消耗；熔化快凝层

0 引言

钨合金杆式穿甲弹长细比一般都大于10，当杆式弹以高达800～1 500 m/s的速度侵彻钢板时，弹、靶接触压力达十几个吉帕，甚至更高。其接触处弹、靶材料出现剧烈的塑性变形、断裂、破碎，并导致温度急剧升高，穿甲弹的动能转化为材料内的热能和破碎功［1-5］。侵彻过程瞬间完成，约几十微秒，弹、靶接触处产生的大量热量来不及消散，可视为绝热过程，能使其局部温度急剧升高，可达1 500℃以上，导致弹、靶接触处薄层内的金属快速熔化和破碎［6-10］。当侵彻过程瞬间完成后，局部熔化的金属又迅速冷却，在弹坑或弹孔表面形成厚薄不均的一个薄层，一般为几十个微米以下。外观上银白色，具有金属光泽，且凹凸不平，有些部位还有黑色斑痕和细小颗粒出现，有明显熔化后再凝固的特征，可称为熔化快凝层。该层由不同组分和不同材料构成的相组成［11-13］，图1是某次30 mm穿甲弹试验弹坑剖面形貌。坑内金属光泽因锈蚀已经成黑色，但明显可见表面高低不平，入口处有翻唇，弹孔发生局部弯曲。还可以从图1中看到，弹坑边缘处有一层薄薄的较白色亮带，即为熔化快凝层。

图1 某弹坑剖面形貌Fig.1 Cross-sectional morphology of a crater

Gerlach［9］观察到在靶板内嵌入残余弹体的弹坑表面形成了由钨弹体细小碎块和靶板材料构成的熔化快凝层，其厚度达30 μm.Senthil等［10］对不同热处理的3种靶板做穿甲侵彻，均在弹、靶接触处发现弹芯和靶板细小碎块形成的混合物，并认为这是剧烈的塑性变形、摩擦、温度升高而发生摩擦焊导致的现象。文献［13-15］用钨合金杆式弹侵彻45#钢靶板和30CrMnMo钢靶板，观察弹孔半径方向临近区域靶板微结构，结果表明绝大部分穿孔表面被一层熔化快凝物覆盖，该层厚度约15 μm，且经硝酸酒精腐蚀时未显示组织特征。其成分由弹丸碎片、尾翼和侵彻中熔化的靶板材料构成，因此将其定义为熔化快凝层。丛美华等［16］，李金泉等［17-18］对30CrMnMo靶板穿甲弹孔微观结构进行观察，发现穿孔表面大部分被熔化快凝物覆盖，能谱分析也表明熔化快凝物组分包括弹、靶及尾翼材料。

以上表明已观测到钨合金杆式弹侵彻靶板后熔化快凝层的存在，并对它的作用和形成机理做了一定分析。但有些分析显得粗浅和不够深入，如对熔化快凝层为何凹凸不平，还有对在其内发现的细微钨颗粒的存在原因和作用没有给出进一步解释。弹孔和弹坑表面熔化快凝层是弹、靶两种材料在高速冲击下相互作用的结果，对它们产生的机理和对穿甲过程的影响还有待进一步分析，特别是从材料金相变化和成分分析等方面应进行更深入研究。本文对小口径钨合金杆式穿甲弹垂直侵彻装甲钢板后，弹坑表面的熔化快凝层进行扫描电镜（SEM）观测及能谱分析。侵彻瞬间高温无法测量，高温是熔化快凝层产生的温度条件。本文用LS-DYNA模拟了弹、靶高速冲击时产生的温度场，以对熔化快凝层的分析进行补充。

图2 37 mm钨合金穿甲弹Fig.2 37 mm tungsten alloy projectile

1 靶场穿甲试验

为了深入研究弹坑表面熔化快凝层的成因和特征，需结合穿甲试验进行［19-21］。图2是使用海37滑膛弹道炮发射的钨合金穿甲弹，图1中给出药筒和组合弹芯两部分。

图3是组合弹芯的拆分:3个铝制卡瓣、塑料底托和带铝尾翼的杆式弹。弹芯直径为8 mm，弹长88 mm，长径比为11.弹芯材料为95W合金，杆式弹垂直侵彻30CrMnMo装甲靶板，靶板尺寸为400 mm× 500 mm×50 mm［20］。本次试验发射14发钨合金弹，部分穿透，部分嵌入。对穿透弹孔熔化快凝层形貌观测和分析已进行过［16-17］，靶板上的穿透弹孔是由弹坑逐步延伸和扩展，最后冲塞形成。尽管穿透弹孔和靶板弹坑表面形貌有很多共性，但对弹坑熔化快凝层研究更有意义，特别是在弹坑底部，即弹、靶直接作用处，对其微观组织观测和研究可用来揭示高速侵彻时弹坑的延伸推进和弹芯质量销蚀过程。为了观察弹坑表面熔化快凝层特征，对发生嵌入的3号弹芯和5号弹芯及靶板弹坑表面进行分析，3号弹和5号弹着靶速度分别为804.9 m/s和852.9 m/s.用DK7750线切割机切出包含有弹坑的靶板试样，将试样3号和5号沿弹孔轴向切开，经研磨、抛光、腐蚀后，制成电镜观测剖面。然后在S-3400N和SSX-550扫描电镜下观察弹坑熔化快凝层微观组织并进行能谱分析。

图3 弹芯和弹托结构Fig.3 Projectile core and sabot

图4是5号残余弹体及其弹坑剖面形貌，残余弹体因侵彻中的质量消耗已缩短至约17 mm，仅是原来的1/5，其头部外观呈“蘑菇头”状，弹孔入口处有明显的翻唇。图5（a）、图5（b）是3号弹坑的剖面形貌。3号弹着靶速度比5号弹低5.9%，因此弹坑较浅，并且弹坑底部直径增大明显，形状呈半球形。由放大的图5（b）容易看到，弹坑表面黑白颜色不均，凹凸不平。

图4 5号弹弹坑剖面宏观形貌Fig.4 Macroscopic morphology of 5#crater

图5 3号弹坑Fig.5 3#crater

2 观测结果与分析

2.1 熔化快凝层成分分析

熔化快凝层的主要特点是沿坑壁厚薄不均，凹凸不平，具有金属光泽且成分各异。为了进一步确定其微观组织结构及成分，需进行微、细观观察和测量。在图4中取弹坑剖面的A点处进行电镜扫描，该点可认为是穿甲侵彻过程中的稳定侵彻阶段（一般侵彻过程分为开坑、稳定侵彻、冲塞3个阶段）。图6是其SEM照片。SEM照片分两种:背反射和二次电子照片，图6是背反射。从图6中可见该处熔化快凝层厚约7 μm，颜色灰白，内部零星分布一些细小的白色颗粒，经能谱分析为钨。熔化快凝层以内，较深颜色部分是靶板基体，二者界面较清晰。图4中A点是处于弹坑稳定侵彻阶段，熔化快凝层局部厚度较均匀，若是侵彻过程的开坑和坑底阶段，则熔化快凝层的厚度就有较大差异。

图6 图4中A点SEM照片（放大2 000倍）Fig.6 SEM micrographs of area A in Fig.4（×2 000）

对图6中D、E、F（三点连线垂直侵彻方向）三点进行能谱分析，D点距离坑壁最外层2 μm，处于熔化快凝层内；E点距离7 μm，处在熔化快凝层边缘处；F点距离12 μm，是靶板基体内部。D、E、F三点的能谱图分别是图7（a）、图7（b）、图7（c），D、E、F三点组分质量百分比见表1.从表1中可以看出这三点成分各异，在熔化快凝层内的D点，其W含量为28.20%，远低于95 W弹芯W的含量；Fe为60.22%，这些Fe大部分来源于靶板，另外部分来自弹芯材料粘接相中的Fe；Ni为8.44%；Cr为1.77%；Mn为1.37%。D点成分意味着熔化快凝层内材料由弹芯和靶板两部分构成，同理E点也是由二者构成，但W的含量较前者少，而Fe的含量较前者多。F点则完全没有W、Ni，只有靶板成分，另外三点都检测到Cr、Mn等。靶板材料是一种合金钢，Cr、Mn、Mo等是构成靶板合金钢不可缺少的微量元素。

图7 图6中D、E、F三点能谱图Fig.7 EDX micrographs of D，E and F in Fig.6

表1 图6中三点能谱分析质量百分比Tab.1 EDX spectra for D，E and F in Fig.6

2.2 残余弹体头部表面层钨晶粒的溶解与破碎

杆式穿甲弹一般由高密度钨合金制造，其主要成分是W、Ni、Fe，钨含量一般在90%以上。为了改善其穿甲性能，还可添加其他微量元素，它是采用粉末冶金方法制备的［22-25］。图8是其微观组织图，其中高熔点钨相以晶粒出现，熔点3 410℃，晶粒大小约40～50 μm.而晶粒间的相，图中黑色，是由Ni、Fe这两种无限互溶元素构成的粘结相，其熔点1 500℃左右［26-27］。粉末冶金烧结炉的温度一般控制在1 550℃以内，烧结时Ni-Fe粘结相会变为液相，钨仍为固相。但它在液相中有一定的溶解度，这有利于改善液相对固相的湿润性，还会使钨晶粒消除棱角，近似圆球形，较均匀地被粘结相包围，同时也使液相量增加，固相也可以借助于液相进行物质迁移，改善相分布的均匀性。由图4可见，杆式弹芯在高速侵彻靶板时，弹芯质量有很大消耗，其头部产生了明显的塑性变形，呈蘑菇头状。为研究残余弹体头部的变形规律，取出图4中的残余弹体进行电镜扫描，其低倍数的SEM照片如图9所示［21］。对图9中A、B、C、D四点再进行电镜扫描，A、B处于蘑菇盖上，而C、D处于蘑菇柄上。这些点的SEM照片分别为图10（a）、图10（b）、图10（c）、图10（d）［21］。由图10可见:A处晶粒塑性变形最大，长80 μm，宽12 μm，长细比为7；其次是B处，长约64 μm，宽约16 μm，长细比约4；C处再次之；而D处变形最小，晶粒塑性变形不明显，约40 μm，为等轴晶，与弹芯侵彻前的晶粒尺寸变化不大。这说明穿甲过程中残余弹芯的变形和质量消耗主要发生在头部区域内，或说是发生在蘑菇盖上。其中D部位处于蘑菇柄上，这个柄的直径略大于弹芯直径。体现了塑性变形的局部化效应。

图8 95W合金微观组织（放大600倍）Fig.8 Microstructure of 95 W（×600）

由图4，随着穿甲侵彻的进行，弹芯质量不断消耗，残余弹体的动能逐渐减少。如果弹芯质量全部耗尽，穿甲过程自然结束。也还有另一种情况，弹芯质量没有耗尽，残余弹体的动能已耗尽，残余弹体就会镶嵌残留在弹孔内。最好情况是弹芯质量没耗尽，残余弹体动能也没耗尽，最后就会击穿靶板。

图9 图4中残余弹芯SEM照片（放大13倍）Fig.9 SEM micrograph of residual rod in 5#crater in Fig.4（×13）

图10 图9残余弹芯各处SEM照片（放大500倍）Fig.10 Grains change of 95W residual rod in 5#crater in Fig.9（×500）

现在假设图4中残余弹体的动能没有耗尽，侵彻继续进行。图9中A、B处的晶粒在弹、靶的强烈冲击挤压下就会进一步变形和破碎，同时弹、靶接触处的局部温度会急剧升高，并超过1 500℃，此时残余弹体头部钨合金的粘结相局部瞬时熔化，靶板30CrMnMo也在接触区域内出现局部瞬时熔化现象。而固相破碎钨晶粒则发生两种变化:一是表面钨原子有些溶解于粘结液相中，同时也使破碎的钨晶粒钝化，增加了Ni-Fe粘结相的数量；二是粘结相液化，意味着钨合金的骨架崩塌，破碎钨晶粒会随同粘结相漂流迁移。待穿甲过程结束，这些固、液的混合物则快速凝固形成熔化快凝层，焊合在弹坑表面。

可见熔化快凝层是弹、靶共同作用的结果。钨合金杆式穿甲弹头部在侵彻过程中，因发生钨晶粒溶解、破碎和脱离弹芯头部，而产生的杆式弹头部的质量消耗，可叫做“溶解破碎”质量消耗。待残余弹体头部表面层完成质量消耗后，后续部分又呈现新的蘑菇头，再重复上述过程，逐层消耗，使弹芯不断变短，直至侵彻结束。

2.3 熔化快凝层中存在较大和超细两种钨晶粒

弹坑表面熔化快凝层凹凸不平，高低起伏，有明显熔化和凝固的痕迹。取图5（b）中B、C两点研究，图11是B点SEM照片。它是熔化快凝层的一个较小凸起部分，高度约35 μm，能谱分析表明，大小两种白色颗粒都是钨晶粒。图11（a）中，一种大的钨晶粒，部分被压扁，沿侵彻方向拉长，压扁的钨晶粒长约30 μm，宽度不到4 μm，长细比为7.另一种细小的白点也是钨晶粒，为了看清细小晶粒，对图11（a）的白框再放大，如图11（b）.从图11中可见，钨晶粒呈球形弥散分布在熔化快凝层里，粒径100～400 nm不等。

图11 图5（b）中3号弹坑熔化快凝层内B点凸起SEM形貌Fig.11 SEM micrograph of area B in MRSL of 3#crater

再看图12，它是图5（b）中C点SEM照片，图12中方框部分是观测剖面，其余部分是凸起外观形貌。它是熔化快凝层的另一个稍大的凸起部分，该凸起高度约200 μm，其内有许多破碎压扁的钨晶粒。白色为钨晶粒，晶粒间带状黑色部分是钨合金粘结相。为了进一步看清凸起部分的内部结构，将图12中M方框区域再放大，如图13.图13中左下角有一个微孔洞，大小约80 μm.其内有许多粒状物，这说明在熔化快凝层的凸起部分，除了有破碎钨晶粒之外，也还有较多的微孔洞等缺陷，这和熔化快凝层凸起部分的快速凝固形成过程是吻合的。同时照片上可见，在两个较大的钨晶粒之间的粘结相中弥散分布着细小的钨晶粒，为了观测这些细小钨晶粒的形态和尺寸，再将图13中N方框继续放大，如图14.图14上分布的白色颗粒都是钨晶粒，大小不等，形态各异。较大的晶粒长度为2 μm，较小的仅有100 nm.

图12 图5（b）中3号弹坑熔化快凝层内C点凸起部分SEM形貌（放大150倍）Fig.12 SEM micrograph of area C in MRSL of 3# crater（×150）

图13 图12 SEM照片中M方框放大（放大500倍）Fig.13 Amplification of M in Fig.12（×500）

图14 图13 SEM照片中N方框放大（放大5 000倍）Fig.14 Amplification of N in Fig.13（×5 000）

如前所述，图11～图14正好说明，大的钨晶粒是残余弹体上变形、破碎、脱落的钨晶粒，随熔化的Ni-Fe粘结相流动漂移至弹坑表面，迅速凝固而成。而细小的钨晶粒则是Ni-Fe粘结相在快速凝固时，由于钨溶解度的降低，钨过饱和而析出后再结晶而形成。因为时间短，来不及长大，即成为纳米晶。由于破碎晶粒随液相流动至弹坑表面，是随机的和不均匀的，因此快速凝固时造成熔化快凝层薄厚不均，凹凸不平。有的地方Ni-Fe粘结相又可和较多破碎钨晶粒凝固在一起、成为表面凸起的，含有多种成分的大颗粒，在凸起部分内往往还含有较多微孔洞等缺陷。

3 数值模拟侵彻温度

数值模拟也是弹、靶侵彻分析常用的方法，但现有的数值模拟软件还不能再现熔化快凝层的形成过程。由于高温是弹坑熔化快凝层形成的重要条件，而瞬间高温在试验现场无法测得，因此可应用LSDYNA模拟本文的靶场试验，以获得高温条件。采用轴对称模型模拟，垂直侵彻。弹、靶均采用shell-162轴对称单元，采用Language算法，弹、靶接触区域网格局部细化，弹、靶材料均用（1）式所示的Johnson-Cook本构模型。

式中:σ为Von Mises流动应力；ε为等效塑性应变；为等效塑性应变率；一般为参考应变率；T*为无量纲温度，表达式如（2）式；Tr为参考温度（一般取室温）；Tm为材料熔点温度；A、B、C、n、m为5个材料参数，其中A为参考应变率、室温状态下材料的屈服强度，B为应变硬化系数，C为应变率硬化系数，m为热软化系数。弹芯及靶板材料参数见表2.采用Gruneisen高压状态方程。建模采用厘米-微秒-克单位制，温度单位为℃.

本文只选择温度场的模拟结果分析，侵彻过程60 μs内完成。图15是5号弹侵彻靶板，当t= 10 μs时，弹、靶温度场模拟结果。从图15中可知弹、靶侵彻过程中仅在弹、靶作用很薄的一层内出现温度骤然升高的现象。

表2 模拟中弹芯和靶板的材料参数Tab.2 Material parameters of projectile and armor

图15 侵彻时间约10 μs时的温度场Fig.15 Temperature field at 10 μs

在图15中取4个节点A、B、C、D，作温度-时间曲线，如图16.A点（节点号11889）为弹芯头部最前点；B点（节点号19）为靶板弹坑底部最低点，与A点接触；C点（节点号6679）距离残余弹芯头部40 mm；D点（节点号为375）在弹坑的翻唇上，距离弹体轴线5 mm.由图16中节点A温度曲线，当t= 10 μs，温度快速上升到约1 400℃.当t=40 μs，温度高达1 680℃.这个温度持续约20 μs，直至侵彻结束。这正是Ni-Fe粘结相发生熔化的温度。

图16 弹靶节点温度时间曲线Fig.16 Temperature-time curve of node

4 结论

1）熔化快凝层内存在较大和超细两种钨晶粒。较大的钨晶粒呈压扁或破碎状态，这是由于侵彻过程中弹芯头部发生严重挤压变形，钨晶粒破碎被剥离，且随Ni-Fe液相移动，无规则地快速凝固在熔化快凝层中。而超细的钨晶粒呈球状弥散分布在粘结相内，粒径约100～400 nm.原因是当Ni-Fe粘结相液化时，钨晶粒部分溶解于内，而快速冷却凝固时，钨溶解度降低，钨过饱和析出成为纳米晶。

2）在残余弹体头部表面层，侵彻时钨晶粒散落和破碎，与Ni-Fe粘结相及靶板中产生的液相混合，形成液-固两相物。当侵彻结束后，快速冷却形成熔化快凝层。因有些部位Ni-Fe粘结相与较多破碎钨晶粒凝固在一起，致使熔化快凝层凹凸不平，厚薄不均，成分各异。特别是凸起部分，破碎钨晶粒较多，微孔洞等缺陷也较多。

3）钨合金杆式穿甲弹侵彻装甲靶板过程中，残余弹芯头部呈蘑菇头状，其蘑菇头表面层会发生“溶化破碎”质量消耗。待当前表面层消耗完毕以后，弹芯后续部分又出现新的蘑菇头，且发生新的“溶化破碎”质量消耗。逐层渐进，直至侵彻完成。

4）对于弹坑表面熔化快凝层的研究，揭示了杆式穿甲弹高速“熔穿”靶板的过程。也给出了侵彻过程中弹、靶间的相互作用机理。这对于开发新的弹芯材料、进一步改进装甲防护技术及更深入研究杆式弹高速侵彻机理都有重要参考作用。

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［26］ 崔忠圻.金属学与热处理［M］.北京:机械工业出版社，2000. CUI Zhong-qi.Metallurgy and heat treatment［M］.Beijing: China Machine Press，2000.（in Chinese）

［27］ 杨超，张宝平，李灿波.侵彻过程中穿甲弹温升机制的研究［J］.兵器材料科学与工程，2003，26（1）:29-43. YANG Chao，ZHANG Bao-ping，LI Can-bo.Study of temperature rise mechanism in penetrator during penetration［J］，Ordnance Material Science and Engineering，2003，26（1）:29-43.（in Chinese）

Research on Melted and Rapidly Solidified Layer on the Surface of Crater Penetrated by Long Tungsten Rod

LUO Rong-mei1，2，HUANG De-wu2，YANG Ming-chuan2，HUANG Hai3，LI Fu-ying3
（1.School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.College of Equipment Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110168，Liaoning，China；3.College of Art and Design，Shenyang Ligong University，Shenyang 110168，Liaoning，China）

A thin surface layer，called melted and rapidly solidified layer，is formed when tungsten long rod penetrates into armor at high velocity.When the 30CrMnMo target is shot by a small caliber long rod armor piercing projectile at 0°angle，a crater is formed on the target.In order to investigate the morphology characteristics and forming mechanism of MRSL，the surface of the crater is observed by scanning electron microscopy and analyzed by energy spectrum.LS-DYNA is used to simulate the temperature field of the interaction area between penetrator and target.It is shown that MRSL consists of W，Ni and Fe elements，which are contained in long rod material，and Fe，Cr and Mn elements，which are contained in target material.In MRSL，tungsten grains have two kinds of size:the big one is of long and flat shape，and its length is in the range from several micrometers to dozens of micrometers；the small one is dispersed in matrix with 100～400 nm in diameter.The mass consumption of long rod head is happened in the form of“melted and broken”.

ordnance science and technology；armor piercing；interaction area between penetrator and target；melted and broken mass consumption；melted and rapidly solidified layer

TJ1012.4；TG113

A

1000-1093（2015）07-1167-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.07.003

2015-04-10

装备预先研究项目（62301050204）

罗荣梅（1979—），女，讲师，博士研究生。E-mail:luorm_1999@126.com；黄德武（1944—），男，教授，博士生导师。E-mail:hdwcmh@sina.com