氧含量对T2 纯铜药型罩EFP 成形影响的研究

胡延臣，邓振宇，武虹竹，董闻达

（陆军驻沈某单位，沈阳 110004）

爆炸成形弹丸（Explosively Formed Projectile，EFP）是一种具有大锥角、球缺罩及回转双曲线罩等特征的聚能装药装置。在起爆后，药型罩被爆炸载荷压垮，迅速闭合形成一个高速杵体弹丸[1]，利用高速杵体弹丸的动能对装甲类目标进行攻击进而达到损毁目标的效果。

影响EFP 成形的因素较为复杂，EFP 成形失败会失去对目标的打击能力，造成不可估量的损失。近年来国内外专家学者对影响EFP 成形的因素如药型罩材料[2-4]、形状[5-8]、装药结构[9-11]、起爆方式[12]、壳体结构和可靠性[13-15]等开展了多方面的分析和研究。Herve 等[16]研究了弧锥结合形药型罩材料对EFP 成形的影响规律。段建等[17]分析了装药密度及起爆方式对爆炸成形弹丸性能的影响。刘夯等[18]利用ANSYS/LS-DYNA 仿真软件对EFP 成形过程进行了仿真建模，研究了不同装药长径比对EFP 成形的影响，为选择最佳装药长径比提供了依据。陶钢等[19]研究了壳体结构对EFP 的影响。

药型罩的物理性能对EFP 成形有着重要的影响。近年来，药型罩材质从单质的铁、铜、镍发展到了钽钨合金等，在材料选用方面呈现出多样性，但应用最广泛的仍是纯铜。目前，针对纯铜药型罩材料晶粒度对 EFP 成形影响以及侵彻性能的研究较为普遍。Bourne 等[20]研究了初始药型罩材料晶粒尺寸和结晶织构对聚能侵彻威力的影响。王铁福等[21]利用静破甲威力实验和X 光射线照相技术对晶粒度为25～70 μm的4 种紫铜药型罩进行了研究。胡晴航等[22]基于有限元方法研究了大塑性变形后的金属流动行为和应变分布特征。Petit 等[23]研究了细晶铜材料力学性能及其在药型罩领域的应用。但有关杂质元素对纯铜药型罩EFP 成形的影响鲜有报道。

由工程实践可知，杂质元素对EFP 成形的影响十分显著，因此有必要开展相关的研究。为了深入分析杂质元素对纯铜药型罩EFP 成形的影响，本文以T2 纯铜药型罩为研究对象，从微观组织、冲击韧性和高温力学性能3 个方面进行了对比试验，研究了氧含量对T2 纯铜药型罩EFP 成形的影响，并进行了静爆试验验证。

1 试验

1.1 方案

T2 纯铜药型罩材料执行GJB 1139—1991《专用纯铜板规范》，成分含量执行GB/T 5231—2022《加工铜及铜合金牌号和化学成分》[24-25]，具体要求为：铜的质量分数≥99.90%，氧含量未作规定。

金属铜材料的组织和性能分析主要包括化学成分、力学性能、硬度、压缩性能、冲击性能、扭转和剪切性能、耐磨性能、疲劳性能、弹性性能[26]及显微组织分析等。EFP 成形是在高温、高应变条件下，金属药型罩发生塑性变形的过程。显微组织、冲击韧性和高温力学性能3 项试验能够准确反映T2 纯铜药型罩的质量特性，因此，本文选取此3 项特性进行对比试验。详细试验方案如下：1）结合工程实际，选取0.001%和0.09% 2 种氧含量（质量分数，下同）T2纯铜药型罩，分别编号为1 号（num1）和2 号（num2）；2）进行静态显微组织、动态冲击韧性和高温力学性能3 项对比试验；3）在3 项对比试验的基础上进行静爆威力试验。

1.2 试验条件

3 项对比试验条件如下：1）显微组织，使用SM-7001F 场发射电子扫描电镜、Rigaku D/ Max-2500型X 射线衍射仪（XRD）等设备进行显微组织测试，试验温度为室温20 ℃；2）冲击韧性，使用JBW-300B型冲击试验机，该型设备最大冲击能量为 150 J/300 J，进行金属夏比冲击试验，试验缺口类型为V形，试验温度为室温20 ℃；3）高温力学性能，使用高温万能拉伸试验机，试验温度为300、400、500 ℃。

2 试验结果

2.1 显微组织

1 号（num1）和2 号（num2）试样的EBSD 形貌分别如图1 和图2 所示。采用EDS 能谱，分析2个不同位置第二相粒子的元素组成、质量分数、原子数分数，结果如图3、图4 和表1 所示。

表1 不同选区EDS 能谱分析结果Tab.1 Results of EDS spectrum analysis in different regions

图1 1 号试样EBSD 下的微观图Fig.1 Microscopic diagram of 1# sample under EBSD

图2 2 号试样EBSD 下的微观图Fig.2 Microscopic diagram of 2# sample under EBSD

图3 位置1 能谱图Fig.3 Energy spectrum at position 1

图4 位置2 能谱图Fig.4 Energy spectrum at position 2

2.2 冲击韧性

冲击韧性对比试验结果如表2 所示。2 号（num2）试样的冲击功仅为1 号（num1）试样的32%。

表2 冲击韧性对比Tab.2 Comparison of impact toughness

2.3 高温力学性能

高温力学性能对比试验结果如表3 所示。各温度下的应力-应变曲线如图5 所示。

表3 高温力学性能对比Tab.3 Comparison of high-temperature mechanical properties

图5 各温度下的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves at different temperature

由表3 和图5 可知，在300 ℃时，2 号（num2）试样比1 号（num1）试样的抗拉强度降低了约8%，断面收缩率降低了40%；在400 ℃时，抗拉强度降低了约20%，断面收缩率降低了55%；在500 ℃时，二者抗拉强度相当，断面收缩率降低了77%。

3 机理

由图1 和图2 可知，2 号（num2）试样存在大量第二相粒子，主要分布在晶界处且呈团簇状，1 号（num1）试样仅少量存在第二相粒子。2 个试样的晶粒度基本一致，大部分晶粒呈等轴晶状态，晶粒大小相对分布均匀。2 个试样中均有再结晶组织，说明退火去应力处理已完成。由表1 和图3、图4 可以看出，2 号（num2）试样中分布的第二相为铜的氧化物，其中Cu、O 的原子比值约为2.1，其质量比值约为8.4。由此可判定该氧化物为Cu2O。

从冲击韧性和高温力学性能试验结果来看，2 号（num2）试样较1 号（num1）试样的冲击功出现大幅度降低，2 号（num2）试样的抗拉强度均小于1 号（num1）试样的，且随温度的升高，这种趋势变大，同时2 号（num2）试样的断面收缩率降幅更为明显。

氧作为T2 纯铜杂质元素之一，难溶于铜，以Cu+Cu2O 共晶体的形式存在，Cu2O 属于八面立方晶系，发生共晶反应后分布在晶界处，属于硬而脆的金属氧化物，它在1 号（num1）试样中的含量较低，对T2 纯铜的影响微乎其微，当含量达到一定程度时对T2 纯铜材料的影响较大，因此氧含量应控制在一定范围内。GB 5231—1985[27]规定：T2 纯铜的氧含量应≤0.06%。分析认为，当Cu2O 在晶界分布时能降低材料的塑性和冲击性能，同时Cu2O 的存在使铜基体在加工过程中具有“热脆”倾向。Cu2O 在晶界处的偏聚导致T2 纯铜药型罩材料的质量特性发生了变化，冲击性能降低，塑性降低。

综上分析，当T2 纯铜药型罩氧含量达到0.09%时，极有可能对EFP 成形产生不利影响，可能会因为材料塑性、韧性下降，造成EFP 成形失败。

4 动态试验验证

4.1 试验条件

利用1 号（num1）试样和2 号（num2）试样各加工5 件药型罩，开展静爆威力对比验证试验，在距起爆点27 m 处架设激光高速摄影设备，逐发拍摄试验过程，观察EFP 成形状态，通过装甲板和纱网靶观察弹着点数量和状态。

4.2 试验结果

1 号（num1）、2 号（num2）试样杵体飞行高速摄影图分别如图6 和图7 所示，其中在1 号（num1）试样5 发试验中EFP 均正常工作，形成的杵体完整，靶板均被穿透；在2 号（num2）试样5 发试验中，EFP 出现异常，杵体均发生了断裂，靶板上出现了2个或多个着弹点，靶板均未被穿透。充分证明了2 号（num2）试样含氧量高导致药型罩材料塑性降低，在EFP 成形过程中，如图8 所示，杵体在高温、高应变率条件下发生断裂，静爆威力试验失败。

图6 1 号试样杵体飞行图像Fig.6 Image of 1# sample slug in flight

图7 2 号试样杵体飞行图像Fig.7 Image of 2# sample slug in flight

图8 EFP 成形过程示意图Fig.8 Diagram of the EFP forming process

5 结论

通过对2 种氧含量（0.001%和0.09%）的T2 纯铜药型罩进行显微组织、冲击韧性和高温力学性能3项对比试验和静爆威力对比试验，得出如下结论：

1）在相同工况条件下，当T2 纯铜药型罩材料氧含量较高时，试样冲击功、抗拉强度和断面收缩率会大幅度降低，且随着温度的升高，抗拉强度和断面收缩率降低效果更为显著。

2）当氧含量达到一定程度时，在晶界处形成偏聚状态的氧化亚铜，会降低T2 纯铜的塑性和韧性。

3）氧含量会影响EFP 成形。含氧量高导致药型罩材料塑性降低，在高温、高应变率条件下发生断裂，进而导致静爆威力试验失败。