文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

«——【·前言 ·】——»

钛合金是一种优良的装甲材料，具有低密度、高强度和高耐热性。被广泛应用于轻型装甲结构中。在弹丸侵彻条件下，合金靶板会表现出各种宏观损伤特征等发现,在金属装甲中观察到的一些最常见的失效模式是脆性断裂、圆锥形断裂、剥落、堵塞、前面或后面的花瓣状和弯曲孔扩大。圆锥形断裂是合金靶材最常见的失效形式之一。

我们考虑到铝合金质量轻、抗侵彻性能好的特点，选用合金作为背板，并对其锥形断裂行为进行了研究。

«——【·实验细节 ·】——»

实验使用球状火炮、天鹅绒测量系统和靶场，如图1所示，采用长度和直径为15mm的35CrMnSi钢制成的破片模拟弹丸，这种弹丸有一个楔形的一端和一个扁平的一端。为实现合金紫菜的明显连续断裂，采用1199m/S的位置，该弹丸是用来撞击复合靶板与平板使用聚氨醋胶粘剂粘接镇和铝合金板，在120C下热压2小时。

钦和铝合金板的厚度分别为20毫米和10毫米。靶板的长、宽均为200利用弹道炮发射破片模拟弹丸，采用调整充电量。在实验中，将弹道枪固定在枪架上，将枪口设置在与靶中心成一条直线的高度，以保证稳定射击，并保证弹丸运动与靶垂直。

图1.弹丸穿透实验装置示意图

«——【·有限元分析 ·】——»

使用ANSYS/LS-DYNA进行仿真为了减少网格数量和计算时间，采用1/2模型建立有限元模型，如图2所示，整个有限元模型共划分为616560个单元，其中靶板由469600个单元组成，铝靶板由204800个单元组成，弹体由2160个单元组成

图2.碎片模拟弹丸的有限元模型和尺寸。

（一）材料模型

在LS-DYNA模拟中，MAT PLASTICKINECTION12本构模型用于碎片模拟项目，具体的材料参数如表1所示：

表1

为了模拟钦和铝合金板在侵彻过程中的应变强化、应变速率、强度和热软化行为，选用MATJOHNSONCDOK本构模型13]作为材料模型，模拟中使用的材料参数列于表2和表3中。

表2

用状态方程描述了变形过程中体积与压力之间的关系，将弹体与靶板的接触模型定义为CON- TACTERODINGSURFACETOSURFACE，将板与铝合金板的接触模型定义为CONTACT AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE。

表3

（二）失效准则

在Ti-6AI-4V靶的情况下，弹丸的高速碰撞导致靶区的高冲击损伤和塑性变形，所有载荷都将导致靶板的损伤，从而引入基于累积损伤反射的应力-应变耦合失效。

图3.弹丸和靶板的有限元模型。

Ti-6AI-4V合金的应力累积损伤对应于Tuler-Butcher故障模型：

方程式1

其中a-2和K-175MPa2s是材料常数00-1100MPa是定义的应力thresholl，t是加载时间，是作为时间函数的应力载荷，为了模拟样品中的宏观裂纹，GISSMO损伤模型[15]相关的通用神经化增量应力施加到有限。

元素模型:

方程式2

其中n是非线性损伤累积指数，de是等效塑性应变增量，d为损伤变量(损伤变量的初始值为零，当损伤变量为1时，有限元模型中相应的单元被删除)，a为与应力三轴度相关的材料断裂等效塑性应变。

材料的应力状态以应力三轴性为特征，其计算公式如下：

方程式3

其中p是静水压力，o是等效应力。合金的G1S5MO失效模型如图4所示。作为一个无量纲参数，o“反映了的材料。如果它的值是负的，剪切断裂起主导作用，而在高g“价值观当a值介于两种状态之间时，断裂方式断裂方式以延性断裂为主，为剪切断裂和延性断裂的组合。

当应力状态发生变化时，断裂强度、等效断裂应变和断裂失效模式都发生了变化。

图4.等效应变和应力三轴性的断裂曲线

«——【·失效机理分析 ·】——»

（一）宏观形貌

为了分析内部损伤，弹坑区域被切割成一个40毫米的X40毫米x20毫米长方体标本，和使用GE Phoenix vitomelx C工业CT系统进行分析，功率为500W，图5显示所获得的三维图像。

图5.钛合金样品的工业计算机断层扫描图像。

图6 (a)和 (b)分别从不同的角度显示了合金卡特的中心截面。

从图6(b)，可以清楚地发现锥状断裂的宏观破坏特征。 纹位于一个直径为33.84毫米，长度为18.05毫米(体积约1.62x10mm*)，环形不连续片状裂纹区出现在环形火山口的外围和下部。

图6.钛合金运输车的中心部分：从一个角度看(a)；从另一个角度看(b)

为了进一步分析裂纹萌生机理，将合金层沿冲击方向切成两半，其宏观特征如图7所示，该图显示，projedile显然没有完全穿透板:最大穿透深度145毫米大量的裂缝产生于摇篮的下部，进一步观察钵合金的失效特征莱尔透露说宏观裂纹形貌随裂纹尺寸的变化而发生明显变化。

侵彻过程中的侵彻深度和位置为了便于分析锥形断裂的宏观破坏特征，将含宏观裂纹的目标按宏观裂纹的形态分为三个区域：

特征:L区、IL区和I区。1区的主裂纹位于弹坑区附近，与冲击方向成约30°角，还有与主裂纹垂直的子裂纹。

图7.沿渗透通道横截面的宏观形态特征

裂纹在L区II区和I区的具体分布特征如图8所示。图八 (一)是样品的横截面，并将样品沿绿线分割。

8(b)坑的中心直径约为19.05毫米。区显示圆锥形硬币形裂纹，其中的中间直径为31.00毫米。大约是石坑的L63倍Il区位于靶板底部，胶束直径为16.39mm。与此同时，图8(b) 显示I区的直径为18.45毫米，其大小与撞击坑中部的直径相似。

图8。样品的横截面图。(a)钛合金运输车中心断面；(b)中心断面剖面图

（二）仿真结果

表4为两次弹道试验和模拟结果的比较，实验侵彻深度与模拟侵彻深度的相对误差分别为1241%和14.19%，总体上是可以接受的。

同时，试验的失效特征与仿真结果基本一致，进一步证明了相关结论的可靠性。

表4

（三）微观断裂机理分析

三轴分析是的应力三轴度时程分析结果和时间轴，裂纹扩展如图所示。1Q 在区，主裂纹尖端与靶面之间的距离约为4mm，次裂纹垂直于主裂纹生长，板在被弹丸侵彻后发生了很大的塑性变形，剪切区的应力三轴度在-20和-1.0之间。

在在侵彻过程中，切应力占主导地位的区域逐渐减小，同时在弹体下方聚集。与此相反，红色部分，即三轴度大于0的区域，从18 us显著增加;从18us到100us，这一时期该区域的三轴度在0~0.5之间，与剪切和韧性断裂的混合模式有关。

再远一点。22~40秒IIL区裂纹逐渐萌生和扩展，三轴度相对较大，在10~40。

图9.模拟结果和穿透深度。

这表明韧性断裂模式占主导地位，Ill区裂纹产生的周期依赖于其他两个区，且这一周期与I区存在的周期一致。

区域裂纹损伤的微观机理分析，在图(11a)区的扫描电子显微镜(SEM)图像所示，扫描区域的形态特征如图，11(b)在红线围成的区域，裂纹的表面粗糙，并显示出连通的vokds。

而在蓝线所包围的区域中的另一个裂纹，具有光滑的表面和尖锐的尖端表明剪切裂纹由于剪切变形而扩展，扫描电镜观察发现，绝大多数裂纹都伴随着绝热剪切带，从而表明了裂纹产生的主要原因，在高应变率加载条件下，剪切带的温升非常高。

图10.应力三轴性的时间史分析和裂纹扩展的时间线。

由于带内变形极不均匀，出现了许多温度异常的热点，在一些热点，微孔形核发生在拉伸或剪切应力。如图11 (c)所示，在高应变率载荷下的弹丸撞击钛合金靶板中A相与B相界面的成核缺陷

由于绝热剪切带与加载条件密切相关，故采用了数值模拟方法fbr。

图11.I区微尺度形态：I区(a)扫描电镜扫描区域；200放大下的(b)微尺度形态；500放大下的(c)微尺度形态。

从4到6小时，剪切应力仍然集中在I区，图中的红色和蓝色区域反映了相反方向的剪切应力。

与剪应力相比，该区域的主应力相对分散，极大值约为02GPa(图12(b)和(d))，可以确定剪切应力是造成该区断裂的主要原因。

图12.I区剪应力图和最大主应力图。

13在10~20小时内，钢板的剪切应力约为LOGPa，以后持续下降。在30的剪切应力的极大值约为07CPa，而在40极大值约为0.5CPa剪应力随时间的延长而减小，同时剪应力集中面积也发生了变化，10us时，最大剪应力出现在撞击坑主应力区与撞击方向成-45°角。

随着弹体的侵彻，应力峰值位置从20is开始向靶板内部迁移。

图13.从10 ms到40 ms的剪切应力网状图。

区溃坝的微观机理分析I带的微构造特征表现，在图14用扫描电镜观察图14 (a) 中白线围成的区域，该区域的形态特征如图14(b)所示，一个有着绝热剪切带与基体的界面处有光滑的表面和尖锐的尖端。

在外加应力作用下，基体与剪切带的变形是不同步的，形成一条细长的微裂纹在剪切带中，连接到microcradk的不连续vokd是可见的。图14 (9示出了基体中的空隙。主要是在a相和相之间的锐界区为进一步研究IL区裂纹形成机理并进行了基于仿真的定量分析，如章节43.1中所述，在从18us至100g的期间内。

图14。II区(a)扫描电镜扫描区域；200放大下的(b)微尺度形态；1500放大下的(c)微尺度形态。

1区发生连续损伤，三轴度在0~05之间，与韧性断裂和剪切断裂的混合模式相对应。图15(A)和(C)所示的有效塑性应变云图显示，在此期间，有效塑性应变II高于主应力，约为0.3，从18到100 US，有效的塑性应变随着时间的推移而积累，直到由于目标后表面的缺陷而被删除。 I区在16us和18 us处的主应力矢量ne照片如图1所示。

15(b)和 (d) 中的至少一种。第-和第二主应力为周向和径向张应力，对应的最大值分别为2.86GPa和2.03GPa。

第三主应力为沿冲击方向的压应力，其值约为0.98GPa。在高应力和高应变的共同作用下，I区整体表现为拉应力和剪应力共同作用，破坏模式为韧性断裂和剪切断裂的混合型。在高应力的情况下，位错在应力集中处，与高应变情况一样，a相和相的塑性变形引起分离，a相与相的界面同时出现空洞。

图15.II区有效塑性应变图和主应力向量星云图。

I区的显微组织特征如图16所示，图16(a)中白线围成的区域是用扫描电镜观察到的，这个区域的形态特征如图16所示，16(b)裂纹中存在不连续的空洞，这些空洞大部分是由于局部熔化而形成的，是由于弹靶摩擦引起的温度急剧升高所造成的。

裂纹表面是粗糙的，空洞连接是明显的图。16(C)显示矩阵中的空隙，其中MAI仅出现在A相和B相之间的面间区域，空隙沿垂直于冲击方向的方向扩展。

图16。III区微尺度形态：III区(a)扫描电镜扫描区域；200放大的(b)微尺度形态；2000放大的(c)微尺度形态。

I区应力状态的进一步分析表明，在22JS-40 US的范围内，I区的三轴度在1.0和19之间，对应于韧性断裂模式。静水压力云图和主应力矢量云图如图所示，可以看出，I区受到了约2.0GPa的高静水压力的影响，在此期间，能经受住多次塑性变形而不受损伤。

钵银合金材料具有高能量密度。由于局部化变形的绝热特性，随着剪切带内极高的温升剪切带成为空洞等微缺陷产生的理想场所。同时，主应力矢量云图显示在IL区，三个主应力矢量云图。尺寸主应力均为拉应力，第一主应力垂直于板表面，约为222GPa。

第二主应力与板表面平行，垂直于冲击方向。

图17.三区不同时间的静水压力星云图和主应力矢量星云图。

2.01GPa第三主应力为沿冲击方向的拉应力，约为0.95GPa。

在这种应力状态下，目标材料的内部应变增加，在拉应力持续增加一定时间后产生裂纹，导致目标材料的失效应力状态也揭示了靶板的层裂：当弹丸撞击时，压力应力波从高阻抗的钦合金板传递到低阻抗的铝合金板，并在自由表面上反射形成拉伸应力波，从而导致三层裂。

拉伸应力波向后传播时，合金基体中的三维拉应力状态，促进了孔洞的生长和扩展，因此裂缝形成，最终导致剥落。

«——【·结论 ·】——»

本研究利用ANSYS/LS-dyna软件，通过对侵彻过程的有限元数值模拟，结合试验结果的对比分析，分析了高速弹丸侵彻过程中铁和铝合金层复合装甲板合金紫菜的锥状断裂机理。

根据裂纹的形状和位置，裂纹分布在三个区域：IL和II区分别位于火山口附近、靶板后部和陨石坑区正下方，模拟结果表明I区裂纹在1区裂纹形成未期开始形成。

但其在IL区开始生长时没有停止，而且，Zane L的断裂机制不同在-2.0~-10之间，剪切机制占主导地位。剪切带中的空隙在II区通过形核、生长和扩展Ar剪切伸长率形成裂纹，剪切伸长率和缺口连接处出现微裂纹，三轴性在Tange 0-05范围内。

在该区域内，三维主应力表现为二维张拉应力和一维压缩应力，在剪切应力和拉应力的共同作用下逐渐产生微裂纹，IIL区的微裂纹明显地由局部熔化形成的孔洞连接而形成。