高超弹体侵蚀机理及抗侵蚀设计研究

刘宗伟，武海军，张学伦，刘俞平，熊国松，谭正军，曾令清

(1.重庆红宇精密工业有限责任公司，重庆 402760； 2.北京理工大学机电学院，北京 100081)



【装备理论与装备技术】

高超弹体侵蚀机理及抗侵蚀设计研究

刘宗伟1，武海军2，张学伦1，刘俞平1，熊国松1，谭正军1，曾令清1

(1.重庆红宇精密工业有限责任公司，重庆 402760； 2.北京理工大学机电学院，北京 100081)

针对高超弹体侵蚀影响结构强度、侵彻能力和装药安定性的问题，根据回收弹体的金相组织分析了弹体变形温升、摩擦温升及弹体材料高温力学特性，阐明了高超弹体的侵蚀机理，提出了高超弹体抗侵蚀设计方法。研究表明，弹体表面在长时间与钢筋或骨料碰撞切削的过程中，局部微观结构的剪切应力超过弹体材料的剪切强度，是弹体侵蚀的主要原因，弹体表面材料的升温软化是高超弹体发生侵蚀的另一原因。

高超弹体；侵蚀机理；抗侵蚀设计；金相分析

随着防护技术的发展，世界各国的高价值战略目标逐步实现了坚固化和深埋化，如何快速、有效地摧毁敌方这类目标是取得现代高技术局部战争的关键。增大钻地弹的侵彻速度，可以大幅提高侵彻目标防护层的能力和突防能力，因此，高超钻地弹是未来武器的重要发展方向。

然而，随着侵彻速度的增大，钻地弹在侵彻目标过程中的受力环境将急剧恶化，弹体在碰撞载荷的作用下，极易发生明显的侵蚀现象，使弹体的侵彻外形变差、质量减轻，导致弹体结构失稳、装药不安定，侵彻能力大幅下降。掌握高速钻地弹的侵蚀机理是优选弹体材料、优化弹体结构设计确保侵彻能力的前提和基础。

关于钻地弹的侵蚀问题，近年来国内外诸多学者开展了相关研究。2007年，Silling和Forrestal在试验时过程中发现了高超弹体因磨损而导致的质量损失现象[1-3]；2010年，何丽灵和陈小伟对高超弹体的质量磨损进行了数值模拟研究[3]；2012年，武海军试验研究了不同弹体材料、靶标材料对弹体质量侵蚀的影响[4]。2013年，王江波分析研究了弹体侵蚀对钻地弹侵彻能力的影响[5]。本文在总结前人研究成果的基础上，通过开展高超侵蚀试验和数据分析，阐明了高超钻地弹的侵蚀机理，为高超钻地弹的设计提供参考。

1 侵蚀现象及影响

大量试验结果表明，在速度1 500 m/s以上的高超侵彻条件下，弹体头部会出现如图1所示的侵蚀现象，导致弹体头部的侵彻外形明显变钝，弹体质量减轻。

图1 高超侵彻弹体的侵蚀现象

回收弹体的检测结果显示，弹体质量由30 kg下降至28.2 kg，质量损失约6%。弹形系数由0.1提高至0.17，弹形系数增大约70%。

假定高超弹体侵彻靶标初期发生了如图1所示的侵蚀现象，则利用Forrestal半经验公式，结合试验数据对混凝土参数进行修正后，得到如图2所示的高超弹体速度-侵深曲线和图3所示过载-时间曲线。从图2和图3可以看出，高超弹体发生侵蚀后，侵彻能力由约8 m下降到约5.5 m(下降约30%)，而侵彻过载由约40 kg增大至约65 kg(下降约63%)。因此，高超弹体的侵蚀给弹体结构强度、侵彻能力和装药安定性带来严重的负面影响，应尽量提高弹体的抗侵蚀能力，减小弹体的侵蚀程度。

图2 弹体侵蚀对侵彻能力的影响

图3 弹体侵蚀对侵彻过载的影响

2 微观组织金相分析

为了阐明高超弹体的侵蚀机理，采用金相显微镜及扫描电镜对回收弹体头部材料进行了金属微观组织分析。为尽可能减小取样过程车削高温对回收弹体头部金属微观组织的影响，微观试件采用线切割制取。典型微观分析试件如图4所示。

图4 回收弹体微观分析试件

扫描电镜观测到高超回收弹体表面的微观组织形貌如图5所示。从图5可以看出，回收弹体表面的微观组织形貌与弹体内部有明显区别：弹体表面有高温熔化迹象，粘附有熔化的混凝土组分和未熔化的混凝土颗粒组分；弹体内部组织与侵彻前的形貌基本一致；弹体内部与弹体表面过渡区域较为光滑。

图5 扫描电镜微观组织形貌

进一步对回收弹体试件进行能谱分析，表明弹体内部微观组织主要为Fe等金属元素，而弹体表面微观组织除了含Fe等金属元素以外，还含有大量的Si和Ca元素。考虑到混凝土由砂石料、硅酸盐、粉煤灰等组成，主要成分SiO2的熔点为1 723℃，其余组分的最低熔点为700℃～800℃，因此预计速度1 500 m/s高超弹体表面在侵彻过程中的温度高于700℃～800℃，低于1 723℃。

3 侵蚀机理分析

从金相、扫描电镜和能谱分析结果来看，高超弹体的侵蚀机理为：合金钢弹体在高速碰撞混凝土的强碰撞载荷作用下，表面温度升至700℃～800℃以上，弹体材料在高温环境下发生了明显软化或熔化，当其强度低于混凝土骨料或钢筋的强度时，受碰撞切削作用而发生质量损失和形状改变。

为定量验证侵蚀机理的正确性，利用高温SHPB系统测试了合金钢弹体材料的高温动态力学性能，测试结果如图6所示。考虑混凝土骨料强度约为150MPa，钢筋强度约为500MPa，若高超弹体的侵蚀是由于弹体表面强度低于混凝土骨料或钢筋的强度而受碰撞切削作用导致，则弹体表面的温度应高于750℃，甚至高于1 300℃。

图6 弹体材料的高温动态力学性能

根据空腔膨胀理论，弹体表面微元在侵彻混凝土过程中主要承受法向碰撞力、切向摩擦力、轴向应力、径向应力和周向应力等作用。弹体表面微元的温升主要来自于变形温升和摩擦温升。

对弹塑性高超弹体材料，若弹性模量为E，所受应力为σ，则弹性变形比能可表述为

(1)

当弹体发生塑性变形时，若塑性应变为εp，拉伸强度为σb，最大塑性应变为εmax，弹体微元的塑性应变为εp，则弹塑性变形比能可表述为

(2)

弹体的变形温升可表述为：

(3)

若弹体材料的屈服强度σs为1 600MPa，拉伸强度σb为1 900MPa，弹体模量为210GPa，弹体材料密度为7.8g/cm3,比热为485J/kg℃，则弹体材料失效时的最大变形温升曲线如图7所示。

图7 弹体材料性能对变形温升的影响

从图7可以看出，弹体材料的最大变形温升越大，允许的最大应变越大，则弹体材料失效前的变形度越大，变形温升越高。若高强韧合金钢弹体材料的最大应变为0.2，则弹体的变形温升仅约100℃，远低于钢筋碰撞切削高温软化弹体所需的约750℃。

高超弹体在高速侵彻混凝土过程中，受摩擦力的作用，其表面温度不断升高。若传入弹体或混凝土的热为q1，弹体材料或混凝土的热扩散系数为α1，导热系数为λ1，摩擦时间为t，则弹体表面或混凝土表面的温升为

(4)

若摩擦因数为μ，摩擦压力为p，摩擦速度为v，则摩擦热为q=μ·p·v。再由任意时刻弹体表面温度与混凝土温度相等，可得到弹体表面温升随侵彻时间的关系曲线。当侵彻速度为1 500 m/s时，若不考虑弹体材料的熔化，则典型弹体表面微元摩擦温升随摩擦时间(侵彻时间)的关系曲线如图8所示。

图8 弹体表面微元摩擦温升曲线

从图8可以看出，摩擦时间(侵彻时间)越长，摩擦温升越高，在1 500 m/s速度条件下，弹体表面微元的摩擦温升可达上千摄氏度，高于混凝土骨料碰撞切削高温软化弹体所需的约1 300℃。因此，侵彻过程中的摩擦温升是高超弹体出现明显侵蚀现象的重要原因。

值得指出的是，弹体在机械加工过程中，其表面不可避免地存在如图9所示凹凸刀痕，侵彻碰撞过程中将会被与其接触的钢筋或骨料切削，从而导致弹体发生轻微侵蚀；同时，即使侵彻速度较低，若侵彻时间较长，弹体材料也可能会因摩擦温升软化效应而产生侵蚀现象。

图9 弹体表面凹凸

综合上述分析可知，弹体的侵蚀机理主要为凹凸不平的弹体表面在长时间侵彻过程中受钢筋或骨料的碰撞切削而发生质量损失或形状改变。当侵彻时间增长或侵彻速度增加时，弹体表面因摩擦升温而软化，弹体塑性变形加大，进一步加剧了弹体的侵蚀现象，导致高超弹体的侵蚀现象明显。

4 抗侵蚀设计方法

基于前述分析可知，在一定的侵彻条件下，要减小弹体的质量侵蚀和形状侵蚀，可以采用以下方法：

1) 选用高强度、高密度、高比热、高热导率的弹体材料。弹体材料的强度越高，相同受力条件下弹体的变形越小，弹体微元的变形温升越小，受钢筋或骨料碰撞切削的程度越轻；弹体密度越高、比热越大，从式(3)可以看出，弹体的变形温升越小，同时由热扩散系数α=λ/(ρ·C)和式(4)可知，弹体的摩擦温升越小，弹体材料在侵彻过程中的软化程度越轻；弹体材料的热导率越大，从式(4)可看出，摩擦热传递越快，摩擦热的累积程度越轻，弹体表面的摩擦温升越小，弹体材料在侵彻过程中的软化程度越轻，弹体侵蚀程度越轻。

2) 合理设计弹体侵彻外形，使任意弹体微元母线的切线方向厚度较大。弹体微元切线方向厚度越大，与混凝土钢筋或骨料碰撞时受的剪切力越小，被碰撞切削的可能性越小；

3) 提高弹体表面的平整度。从图9可以看出，弹体表面越平整，凹凸越低，与混凝土钢筋或骨料碰撞时的剪切力越小，被碰撞切削的可能性也越小；同时，弹体表面越平整，与混凝土的摩擦因数也越小，摩擦热q=μ·p·v也越小，弹体材料在侵彻过程中的软化程度越轻。

5 结论

1) 高超弹体的侵蚀给弹体结构强度、侵彻能力和装药安定性带来严重的负面影响，应尽量提高弹体的抗侵蚀能力，减小弹体的侵蚀程度；

2) 高超弹体表面在侵彻混凝土过程中，其表面薄层有高温熔化的迹象，粘附有结块的混凝土组分，预计弹体表面的温度高于700℃～800℃，弹体内部组织基本保持不变；

3) 凹凸不平的弹体表面在长时间侵彻过程中，在混凝土钢筋或骨料的碰撞切削下，局部微观结构的剪切应力超过弹体材料的剪切强度，是弹体侵蚀的主要机理；当侵彻时间增长或侵彻速度增加时，由于弹体表面摩擦升温软化，弹体塑性变形加大，高超弹体的侵蚀现象显著；

4) 选用高强度高密度高比热高热导率的弹体材料、合理设计弹体侵彻外形、提高弹体表面的机加平整度是减小弹体侵蚀的重要途径。

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(责任编辑 周江川)

Eroding Mechanism and Anti-Eroding DesignTechnique of High Speed Penetrator

LIU Zong-wei1, WU Hai-jun2, ZHANG Xue-lun1, LIU Yu-ping1,XIONG Guo-song1, TAN Zhen-jun1, ZENG Ling-qing1

(1.Chongqing Hongyu Precision Industrial Co., Ltd., Chongqing 402760, China;2.State Key Laboratory Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Aiming to solving the problem that structure intension, penetrating capability and charge penetrating invariability of high speed penetrator influenced markedly by mass erosion and shape erosion, distortion temperature and friction temperature hoist of penetrator were theoretically analyzed, based on metallography analysis of recycled high speed penetrator. Eroding mechanism and anti-eroding design technique of high speed penetrator were presented. The research shows that the shear of local microstructure exceeding material intensity in course of penetrator contacting with concrete bars or stone is eroding mechanism of penetrator. The intenerating due to temperature hoist of high speed penetrator material is the main reason of obvious eroding.

high speed penetrator; eroding mechanism; anti-erosion design; metallography analysis

2016-11-25；

2016-12-26 作者简介：刘宗伟(1975—)，男，博士，主要从事弹药工程的研究。

10.11809/scbgxb2017.04.010

刘宗伟，武海军，张学伦，等.高超弹体侵蚀机理及抗侵蚀设计研究[J].兵器装备工程学报，2017(4):46-49.

format:LIU Zong-wei, WU Hai-jun, ZHANG Xue-lun,et al.Eroding Mechanism and Anti-Eroding Design Technique of High Speed Penetrator [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):46-49.

TJ761.1

A

2096-2304(2017)04-0046-04