回火温度对50SiMnVB钢壳体形成破片性能的影响

朱建军，李伟兵，王晓鸣，程兴旺，李文彬，卢海涛

（1.南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏南京210094；2.北京理工大学材料学院，北京100081）

回火温度对50SiMnVB钢壳体形成破片性能的影响

朱建军1，李伟兵1，王晓鸣1，程兴旺2，李文彬1，卢海涛1

（1.南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏南京210094；2.北京理工大学材料学院，北京100081）

为了获得不同回火温度条件对壳体形成破片性能的影响规律，选取3种回火温度下的50SiMnVB钢作为壳体材料，通过破片初速测定试验与水井静爆破片回收试验研究了50SiMnVB钢壳体形成破片的速度及质量分布等性能，并应用AUTODYN-3D有限元软件仿真研究了50SiMnVB钢壳体膨胀破碎形成破片的过程及破片速度、质量变化规律。研究结果表明，随着回火温度的不断升高，50SiMnVB钢壳体的破碎程度随之降低，形成破片的总数逐渐减少，但质量在1.0 g以上的有效破片数目逐渐增加，相对提高了77.4%，而不同回火温度条件对50SiMnVB钢壳体形成破片初速影响不大。

兵器科学与技术；回火温度；破片回收；破片速度；破片质量分布；数值仿真

0 引言

对破片式战斗部而言，关于爆轰加载下壳体膨胀断裂形成破片的研究一直是国内外学者关注的焦点。Gurney［1］、Taylor［2］、Mott［3］从终点效应的角度先后给出了破片初速公式、膨胀断裂半径公式以及破片分布公式。随着对壳体动态断裂研究的深入，壳体动态断裂的研究扩展到了材料性能、数值模拟等领域。Grady［4］对脆性材料在冲击作用下的失稳变形问题进行了理论研究，并得到了相关的扰动解。随后Grady等［5］对4140钢圆柱壳体在内部钝感炸药RX-35-AN加载下的膨胀断裂问题进行试验研究。国内学者刘明涛等［6］对金属柱壳在爆炸驱动下形成破片的过程进行了研究，并根据Grady-Kipp理论对试验结果进行了验证。大量的研究表明，影响壳体断裂的主要因素与金属材料性能十分相关［7］。

而热处理工艺对金属材料性能影响显著，而作为战斗部壳体的金属材料性能将直接影响弹体破片形成。目前，国内外学者对热处理工艺对金属材料性能的影响做了大量研究，如Lee［8］对不同等温回火及调质条件下4340高强度合金钢的力学性能和微观结构进行了研究，得出随着回火温度升高、保温时长增大，材料的拉伸强度和硬度降低；Balagansky［9］研究了两种经过退火和空冷退火的壳体在两种不同的起爆方式下的壳体的破裂行为；金山等［10］探索了不同热处理条件对45号钢柱壳动态性能的影响规律，建立了在高应变率加载下，回火温度与柱壳表面产生裂纹及发生贯穿断裂时刻的关联性；常列珍等［11］研究了回火温度对50SiMnVB钢动态力学性能的影响规律，发现50SiMnVB钢属于应变率敏感材料；但是，对于不同热处理工艺对战斗部壳体形成破片性能的影响规律研究国内外未见诸报告。

针对50SiMnVB钢壳体，本文研究不同回火温度条件下壳体材料性能的变化对其形成破片的速度、质量分布等性能的影响，进行水井静爆破片回收试验以及测速试验，对其破片的质量分布与最大初速进行测定，并仿真研究了不同回火温度处理的50SiMnVB钢壳体膨胀破碎形成破片的过程及破片速度、质量变化规律。

1 壳体结构

为了研究具有普遍适用性，采用标准圆筒式战斗部模型，如图1所示，圆筒长度为80 mm，壳体壁厚为6 mm，壳体上下两端盖厚度为5 mm，装药直径为50 mm.选取CL-20基混合炸药作为主装药，起爆方式为壳体一端中心起爆。壳体材料选用50SiMnVB钢，该材料先进行900℃淬火，然后在450℃、550℃、650℃三种温度下分别进行回火处理，研究3种不同热处理状态下50SiMnVB钢壳体材料对50SiMnVB钢柱壳形成破片性能的影响。

图1 弹丸结构示意图Fig.1 Schematic diagram of projectile structure

为了研究不同回火温度条件对50SiMnVB钢壳体形成破片性能的影响规律，本文采用锡箔靶测速试验与水井静爆破片回收试验获得不同回火温度条件下50SiMnVB钢壳体形成破片的最大初速和质量分布情况。试验前，同时设计了3种回火温度下50SiMnVB钢标准静态试样，进行了材料拉伸试验，测得50SiMnVB钢静态力学性能，如图2所示。随着回火温度的升高，50SiMnVB钢强度大幅度降低，断裂韧性提高，静态延伸率显著提高。

图2 50SiMnVB钢力学性能随回火温度变化规律Fig.2 Mechanical property of 50SiMnVB steel vs.tempering temperature

2 50SiMnVB钢柱壳形成破片质量分布规律

2.1 水井静爆破片回收试验

为了获得3种不同回火温度处理的50SiMnVB钢柱壳形成破片质量分布规律，进行水井静爆破片回收试验，试验装置示意图如图3所示，其中内部空气室结构根据GJB2425—1995［12］设计。

图3 试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of experimental setup

分别对3种回火温度下50SiMnVB钢柱壳进行破碎性试验研究，采用尼龙网吊篮回收破片，图4为回收得到的破片及分级处理后的照片。

图4 水井试验回收的破片（左）与破片质量分级图（右）Fig.4 Recovered fragments（left）and their mass grading（right）

统计得到3种回火温度下50SiMnVB钢壳体形成破片的质量分布结果，如图5所示。450℃回火温度下的50SiMnVB钢壳体形成破片的质量主要分布在0～6.0 g之间，550℃回火温度下的50SiMnVB钢体形成破片的质量分布主要在0～7.0 g之间，650℃回火温度下的50SiMnVB钢壳体形成破片的质量分布主要在0～8.0 g之间，3种回火温度下的50SiMnVB钢弹体形成破片总数分别为4 588、3 935、3 349，破片总数不断减少，减少了27.0%；根据我国在破碎性试验中所统计的最小有效破片，选取质量为1.0 g的破片作为最小有效破片。1.0 g以上的破片数目分别为84、120、149；1.0 g以上破片数目不断增加，增加了77.4%.

图5 3种回火温度下破片质量分布试验结果Fig.5 Test results of fragment mass distribution at three different tempering temperatures

2.2 柱壳形成破片质量分布规律

水井静爆破片回收试验只能得到壳体完全爆炸后的破片质量分布结果，无法直观地了解壳体膨胀破碎过程，因此采用AUTODYN-3D软件中基于Mott破片非线性分布的Stochastic随机破碎模型［13］对450、550、650℃三种回火温度下50SiMnVB钢柱壳内爆形成破片的过程进行仿真，数值仿真模型中壳体部分和装药部分均采用Lagrange算法。炸药装药选用三代高能炸药CL-20基混合炸药，密度为1.93 g/cm3，爆速为9 061 m/s，状态方程采用JWL模型，其模型主要参数详见参考文献［14］。结合材料提供单位通过霍普金森杆动态材料测试试验获得的3种回火温度下50SiMnVB钢材料Johnson-Cook模型参数，给出本文仿真所选壳体材料模型的主要参数，如表1所示。为了减少计算量节约时间，所以建立1/4的圆柱壳体模型，研究其形成破片的分布情况，仿真模型如图6所示。

表1 壳体材料模型主要参数Tab.1 Main parameters of shell material model

图6 仿真模型Fig.6 Simulation model

仿真所得3种回火温度下50SiMnVB钢壳体膨胀破碎情况如图7所示。由图7可知，从炸药起爆到壳体完全破碎达到最大速度，整个过程需要60 μs左右，随着回火温度的升高，50SiMnVB钢壳体形成的破片越显得粗大。回火温度的升高，导致50SiMnVB钢屈服强度、抗拉强度减小，整体破碎程度降低，壳体破碎时间提前，而断裂韧性的提高使得破片基本尺寸不断增大，因此，450℃温度下回火处理的50SiMnVB钢壳体形成的破片比较细小，550℃温度下回火处理的50SiMnVB钢壳体形成的破片较为粗大，而650℃温度下回火处理的50SiMnVB钢壳体形成的破片十分粗大。

图8为3种回火温度下50SiMnVB钢壳体形成破片质量分布试验结果与仿真结果的对比结果。由图8可知，试验与仿真所得质量分布结果趋势一致，随着破片质量的增大，破片数目都在不断地减少。破片质量分布在0.5 g以下时试验与仿真所得破片数目相差较大，而破片质量分布在0.5 g以上的试验与仿真所得破片数目相差逐渐减少。由于仿真分析中存在一定量的质量损失，因此试验中所收集到的0.1 g以下的破片数比仿真计算所得的数量偏多。试验所得3种回火温度下50SiMnVB钢壳体形成的破片质量在1.0 g以上的数目比仿真计算结果偏大，二者相差分别为9.6%、13.0%、10.8%，试验与仿真所得3种回火温度下50SiMnVB钢壳体形成的破片质量在1.0 g以上的数目相差不超过15%.此外根据最小有效破片质量为1.0 g的指标，本文主要研究1.0 g以上的破片质量分布，图8（b）中显示出，1.0 g以上的3种回火温度处理的50SiMnVB钢壳体形成破片质量分布试验结果与仿真结果趋势一致，在同一质量区间内，随着回火温度的不断升高，破片数目不断增加。

图7 3种回火温度下50SiMnVB钢壳体膨胀破碎过程Fig.7 Expanding and breaking processes of shell at three different tempering temperatures

3 50SiMnVB钢柱壳形成破片速度

3.1 测速试验设计及其结果

为了获得3种不同回火温度处理的50SiMnVB钢柱壳形成破片的最大初速，进行战斗部静爆试验，设置4组锡箔靶进行测速，通过六通道测试仪记录数据，试验布置图如图9所示。

试验测速结果如表2所示，分析每组试验所测得破碎后破片的速度，无法了解壳体膨胀破碎过程中形成破片速度的变化规律，因此通过仿真计算来研究壳体膨胀破碎整个过程中破片速度随时间的变化规律，仿真方案与2.2节中的仿真方案一致。图10显示了50SiMnVB钢壳体外壁轴向上依次分布的9个动态高斯点关于速度-时间的历程曲线。由图10可知在壳体膨胀破碎初始阶段，破片速度变化剧烈，波动很大；在壳体膨胀破碎中间阶段，破片在爆轰产物的驱动下，速度继续增大，变化相对缓慢；在壳体膨胀破碎最后阶段，破片速度逐渐趋于稳定，达到最大速度。

图8 试验及仿真所得3种回火状态下的破片质量分布曲线Fig.8 Mass distribution curves of fragments at three different tempering temperatures

图9 测速试验布置图Fig.9 Layout of velocity measurement experiment

表2 试验测速结果Tab.2 Velocity measurement results

图11显示了仿真所得3种回火温度下50SiMnVB钢壳体形成破片最大速度沿弹体轴向的的4组速度结果，其中450℃回火温度下50SiMnVB钢壳体形成破片的最大速度为1 585.3 m/s，550℃回火温度下50SiMnVB钢壳体形成破片的最大速度为1 569.8 m/s，650℃回火温度下50SiMnVB钢壳体形成破片最大速度为1 631.7 m/s，相比于450℃回火温度下50SiMnVB钢壳体形成破片的最大速度分别增加了-1.1%、1.8%.由试验结果可知，不同回火温度条件对50SiMnVB钢壳体形成破片的最大速度影响不大。

3.2 柱壳形成破片速度变化规律

由于测试试验只能得到50SiMnVB钢壳体完全分布。随着回火温度从450℃升高到650℃，50SiMnVB钢壳体形成破片的最大速度由1 631 m/s增大到1 700 m/s，升高了4.2%，变化幅度不大。另外3种回火温度条件下，50SiMnVB钢壳体形成破片的速度沿弹体轴向的分布规律基本一致，最大初速均出现在距起爆点约67%处。

试验与仿真结果对比如图12所示。试验得到的破片速度变化趋势与仿真计算结果相吻合，即随着壳体材料回火温度的升高，壳体膨胀破碎形成破片的速度基本不变化。回火温度的升高导致50SiMnVB钢壳体延伸率增大，壳体破碎的时间延迟，也即炸药开始泄漏的时间延迟，有利于炸药充分作用于壳体上，提高破片初速；同时，极限抗拉强度降低，导致壳体破碎时间提前，破碎率变小，炸药泄漏时间提前，炸药在壳体上的作用不充分，降低破片初速。上述两种因素，导致了回火温度条件对50SiMnVB钢壳体形成破片的初速影响不大。破片初速测定试验中，战斗部中心距测速靶有一定的距离，破片在飞散过程中受到空气阻力的作用，速度有所衰减。而在仿真计算中，未考虑空气阻力对破片飞散的影响，与试验情况略有差异。这是试验所测得破片速度小于仿真计算结果的主要原因，但总体上二者的结果保持一致，速度差不大于5.9%.

图10 膨胀速度时间历程曲线Fig.10 Time-history curves of expanding velocity

图11 破片初速沿轴向分布曲线Fig.11 Axial distribution curves of fragment velocity

图12 试验与仿真速度结果对比Fig.12 Comparison of numerical calculated and Experimental fragment velocities

4 结论

1）获得了不同回火温度条件对50SiMnVB钢壳体形成破片质量分布的影响规律，3种回火温度处理的50SiMnVB钢壳体形成破片数目随着破片质量的增大而不断减少；且随着回火温度的升高，50SiMnVB钢屈服强度以及抗拉强度降低，断裂韧性逐渐提高，使得质量在1.0 g以下的破片数目不断减少，而质量在1.0 g以上的破片数目却不断增加，破片平均尺寸增大。

2）针对本文研究战斗部模型，随着回火温度从450℃升高到650℃，弹体破碎程度降低，弹体形成破片总数从4 588减少到3 349，减少了27.0%，有效质量在1.0 g以上的破片数目从84增加到149，增加了77.4%.

3）试验发现回火温度对50SiMnVB钢弹体形成破片的初速影响不大，回火温度对50SiMnVB钢弹体形成破片的初速沿弹体轴向的分布规律也没有影响，其速度从一端开始沿弹轴方向逐渐增大，在距起爆点约67%处均达到最大，然后逐渐减小。

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Effect of Tempering Temperature on the Forming Properties of Fragments of 50SiMnVB Steel Shell

ZHU Jian-jun1，LI Wei-bing1，WANG Xiao-ming1，CHENG Xing-wang2，LI Wen-bin1，LU Hai-tao1
（1.ZNDY of Ministerial Key Laboratory，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.School of Materials Science and Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

In order to acquire the effects of different tempering temperatures on the forming properties of shell fragments，50SiMnVB steel is used as shell material，and is tempered at 3 different temperatures. The forming velocity and mass distribution of 50SiMnVB steel shell fragments are researched through the initial velocity test and the fragment recovering well test，and the expanding and breaking processes of 50SiMnVB steel shell，and the variation rules of fragment velocity and fragment mass distribution are numerically simulated by using AUTODYN-3D finite element analysis software.The results shows that，with the increase in tempering temperature，the breaking degree of 50SiMnVB steel shell decreases and the total number of fragments reduces gradually，but the fragments which mass is more than 1.0 g increase gradually，which is increased by 77.4%；however，the tempering temperatures have less influence on the initial velocity of 50SiMnVB steel shell fragments.

ordnance science and technology；tempering temperature；fragment recovery；fragment initial velocity；fragment mass distribution；numerical simulation

TJ410

A

1000-1093（2015）11-2080-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.11.009

2014-11-10

国家自然科学基金项目（11202103）

朱建军（1993—），男，博士研究生。E-mail:zhujianjun0513@163.com；李伟兵（1982—），男，副教授，博士生导师。E-mail:njustlwb@163.com