張志彪，王雨時，鄧 濤

(1 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094； 2 信陽涉外職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南信陽 465550)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中武器的毀傷威力不斷增強(qiáng)，迫使重要目標(biāo)逐步轉(zhuǎn)入地下深層。在實(shí)踐中，反硬目標(biāo)武器廣泛采用侵徹爆破戰(zhàn)斗部，利用其侵徹進(jìn)入目標(biāo)內(nèi)部后爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓和破片毀傷。但侵徹過程彈道環(huán)境嚴(yán)酷，易導(dǎo)致戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足進(jìn)而發(fā)生彈道失穩(wěn)。為解決該問題可采用錐型變壁厚彈體結(jié)構(gòu)[1]。但該結(jié)構(gòu)在內(nèi)部爆炸加載下形成自然破片的機(jī)理尚需進(jìn)一步研究，其中破片的宏觀特征與微觀特征及其規(guī)律是重要的研究內(nèi)容。

第二次世界大戰(zhàn)至今，針對經(jīng)典的等壁厚殼體產(chǎn)生的自然破片已有大量研究，在實(shí)驗、理論和破片金相分析等方面取得很多成果。1947年，Mott[2]等人基于試驗，提出了彈體結(jié)構(gòu)與破片質(zhì)量統(tǒng)計分布之間尺度關(guān)系的經(jīng)典理論。D. M. Goto[3]等人對鋼柱殼進(jìn)行了內(nèi)部爆炸試驗，采用高速攝影和破片回收的方法從宏觀、微觀、質(zhì)量分布等角度研究了相關(guān)斷裂與破碎機(jī)理。Hiroe[4]等人研究了多種金屬殼體在太安炸藥內(nèi)部爆炸加載下的破碎規(guī)律，通過對破片的宏觀與微觀分析，發(fā)現(xiàn)存在拉伸與剪切兩種斷裂模式，認(rèn)為剪切失效是金屬殼體破碎的主要失效模式。金山[5]等人從宏觀和微觀兩方面研究了爆轟加載下鈹青銅柱殼的膨脹斷裂特性及其與熱處理狀態(tài)之間的關(guān)系。李碩[6]等人研究了強(qiáng)沖擊載荷下超高強(qiáng)度鋼破片斷裂模式。初蓓[7]等人以圓管型模擬彈試驗為基礎(chǔ)研究了貝氏體鋼彈體的破片形成機(jī)理。

以上研究均基于等壁厚柱殼，而變壁厚殼體的相關(guān)研究很少。段卓平[8]等通過試驗得到了45鋼變壁厚殼體外表面各點(diǎn)拉氏速度的不定常增長歷史。文中采用砂箱靜爆法回收內(nèi)部爆炸加載下變壁厚殼體生成的自然破片，從宏觀角度觀察分析破片的形態(tài)和斷裂模式，并采用掃描電子顯微鏡對典型破片進(jìn)行金相分析。

1 試驗

為研究內(nèi)部爆炸加載下變壁厚殼體破片的宏觀特征和微觀特征，采用3種殼體結(jié)構(gòu)分別從兩端起爆，設(shè)計了如表1所列的5種試驗工況。每種工況數(shù)量為3發(fā)，裝藥均為直徑36 mm的圓柱，殼體為變壁厚錐殼。每發(fā)試驗采用6節(jié)長60 mm的壓裝梯恩梯藥柱，由蟲膠漆粘接，裝藥密度約為1.50 g/cm3，共約550 g。殼體材料為正火狀態(tài)下45鋼。

表1 試驗工況設(shè)計

作為例子，工況3的被試品如圖1所示，中間部分為長240 mm 的45鋼變壁厚殼體。為盡可能排除稀疏波的影響，兩端對接了長60 mm的紫銅柱殼。

本試驗采用沙子作為緩沖介質(zhì)回收破片，采用爆炸鋼筒作為容器。被試品放置于鋼筒中心，采用厚紙板和木架在被試品周圍形成空腔，以保證破片生成過程中不接觸沙子，如圖2所示。被試品放置完畢后，木架上側(cè)加厚紙板并覆蓋沙子。

2 試驗結(jié)果

對試驗回收的破片逐發(fā)進(jìn)行清洗、晾干和稱重，得到表2，各工況試驗的破片回收率均較高。

統(tǒng)計結(jié)果表明，在殼體裝藥直徑和裝藥量均相同的情況下：①對于相同結(jié)構(gòu)殼體，從大端起爆后所產(chǎn)生破片總數(shù)大于從小端起爆時的破片總數(shù)；②起爆點(diǎn)位置相同時，質(zhì)量較小殼體產(chǎn)生的破片數(shù)較少；③從小端起爆時大錐角殼體大于0.5 g破片數(shù)小于小錐角殼體，從大端起爆時則相反。

表2 試驗結(jié)果

3 破片的宏觀特征與微觀特征

3.1 破片的宏觀形態(tài)

對每發(fā)試驗中的破片進(jìn)行質(zhì)量分類和觀察，如圖3和圖4分別為試驗3-1和4-2的破片質(zhì)量分組照片。由此可見，在炸藥裝藥、變壁厚殼體結(jié)構(gòu)和材料相同的情況下，從小端起爆時產(chǎn)生超長破片的可能性較大，而從大端起爆時中小破片的數(shù)量較多。在殼體錐角較大時以上規(guī)律更加明顯，其中在試驗3-1中出現(xiàn)了長達(dá)205 mm超長破片，約占?xì)んw總長度的85%，而試驗4-2的破片則顯得較短，最長破片只有115 mm。

觀察宏觀形態(tài)后發(fā)現(xiàn)，破片存在兩種斷裂模式：純剪切斷裂與拉伸剪切混合斷裂。對于工況1和工況2，主要為純剪切斷裂模式，斷裂面與殼體徑向夾角約為45°。但試驗1-3和2-2的個別大端面破片存在拉伸剪切混合斷裂模式，其中試驗1-3包含拉伸斷裂的區(qū)域存在于端面開始沿軸向10～15 mm范圍內(nèi)，而在試驗2-2中則限于5～10 mm的范圍內(nèi)。

對于工況3，大錐角殼體從小端起爆，所有大端面的破片均屬于拉伸剪切混合斷裂模式，分布在沿軸向20～30 mm區(qū)域內(nèi)。試驗3-1某破片的拉剪混合斷裂范圍如圖5所示，圖中破片上側(cè)為外表面，左側(cè)包含大端面，約25 mm長的紅色線段標(biāo)出了拉剪混合斷裂區(qū)域，而破片右側(cè)其他區(qū)域的斷裂面比較規(guī)則平滑，屬于純剪切斷裂模式。圖5中標(biāo)注的A、B等位置為后續(xù)金相分析試樣切割面。

對于工況4，大錐角殼體從大端起爆，所有大端面破片同樣屬于拉伸剪切混合斷裂模式，分布在沿軸向約100 mm內(nèi)。試驗4-1某破片的拉剪混合斷裂情況如圖6所示，該破片大端面下側(cè)的剪切斷裂區(qū)域只占厚度的1/3，上側(cè)的拉伸斷裂區(qū)域則存在一條沒有徹底貫穿的拉伸裂紋，裂紋呈現(xiàn)由殼體外側(cè)向內(nèi)發(fā)展的特點(diǎn)。

工況5為等壁厚殼體，主要為純剪切斷裂模式，僅有個別端面破片存在拉伸斷裂區(qū)域，沿軸向為10～20 mm。表3匯總了各工況破片的主斷裂模式。

工況主斷裂模式拉剪混合斷裂模式分布軸向長度/ mm1純剪切——2純剪切——3拉剪混合所有大端面破片20～304拉剪混合所有大端面破片約 1005純剪切——

3.2 破片的微觀特征

采用掃描電子顯微鏡技術(shù)對圖5所示破片的A、B、C、D四個截面進(jìn)行金相分析，圖7為金相分析各截面圖。

圖8為截面A的掃描電子顯微鏡圖像，左邊是破片的內(nèi)側(cè)，右邊是破片的外側(cè)。靠近破片外側(cè)的斷裂面與徑向平行，而破片的內(nèi)側(cè)斷裂面則與徑向呈45°角，這表明截面A屬于拉剪混合斷裂模式。在破片中部出現(xiàn)了很多微裂紋和孔洞，有些微裂紋與徑向平行，有些則呈45°角。

圖9為截面B的一部分掃描電子顯微鏡圖像，左邊是破片的內(nèi)側(cè)，右邊是破片的外側(cè)。截面B同樣也屬于拉伸剪切混合斷裂模式，但與A不同的是截面B的拉伸斷裂面只占破片厚度的1/4弱，而截面A中的拉伸斷裂面則占一半以上。雖然截面B中部同樣發(fā)現(xiàn)了類似的微裂紋和孔洞，但數(shù)量和分布范圍較截面A明顯減小。

圖10為截面C的一部分掃描電子顯微鏡圖像，上邊是破片的外側(cè)，下邊是破片的內(nèi)側(cè)?？梢园l(fā)現(xiàn)截面C為純剪切斷裂模式，仍然能夠在中部發(fā)現(xiàn)微裂紋和孔洞，但大小和分布范圍有明顯減小。

圖11為截面D的一部分掃描電子顯微鏡圖像，上邊是破片的外側(cè)，下邊是破片的內(nèi)側(cè)?？梢园l(fā)現(xiàn)截面D為純剪切斷裂模式，而中部并沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋和孔洞。

3.3 總結(jié)與分析

1)宏觀方面

根據(jù)表1和表3，工況1、2和5的殼體相對壁厚(壁厚/外徑)均小于0.2，屬于薄壁，在爆炸加載下以純剪切斷裂狀態(tài)為主；工況3和4的殼體大端相對壁厚均超過0.2，屬于厚壁，因此包含大端面的大部分破片存在拉伸斷裂面，但工況3中的軸向分布范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工況4，兩工況僅起爆位置不同，卻存在明顯差異。

以上現(xiàn)象說明錐度較大的工況3和工況4在相同結(jié)構(gòu)下，起爆端位置明顯影響大端附近破片的斷裂模式，從小端起爆使得殼體發(fā)生拉伸剪切混合斷裂的范圍較大端起爆時明顯縮小。

2)微觀方面

利用掃描電子顯微鏡分別觀測了圖5所示試驗3-1中某破片的4個截面。該破片包含殼體大端面，而截面A到D是按照距離大端面的遠(yuǎn)近程度排列的?？梢园l(fā)現(xiàn)：

① 該破片端面處拉伸斷裂的厚度方向占比最大，該比例沿軸向逐漸減小，直到破片完全轉(zhuǎn)變?yōu)榧兗羟袛嗔选?/p>

② 該破片靠近端面部分的厚度方向中部存在微裂紋和孔洞，有些微裂紋與徑向平行，有些則呈45°角。說明剪切斷裂模式與拉伸斷裂模式在這里形成了競爭，導(dǎo)致破片在該部位的斷裂面非常不規(guī)則，如圖8所示。

③ 隨著破片厚度的減小，這些微裂紋和孔洞的大小、數(shù)量和分布范圍逐漸降低，直到消失，但消失過程滯后于拉伸斷裂模式。

以上宏觀現(xiàn)象和微觀現(xiàn)象與殼體裂紋沿軸向的傳播過程有關(guān)。由于變壁厚殼體厚度沿軸向線性變化，所以在相同內(nèi)部爆炸壓力加載下，各軸向位置殼體膨脹的速度不同，裂紋出現(xiàn)時間也不同。而試驗中滑移爆轟波到達(dá)各位置的時間受到起爆端位置影響，導(dǎo)致從小端起爆時薄壁處的斷裂時刻遠(yuǎn)早于厚壁處，而從大端起爆時兩者非常接近，即各軸向位置處的裂紋在傳播過程中相對獨(dú)立。那么從小端起爆時上游裂紋有充分的時間影響下游殼體的斷裂過程，能夠通過裂紋尖端向下游傳遞少量能量，產(chǎn)生一種“撕裂”效果。Hu H. B.的研究指出[9]，殼體軸向剪切斷裂裂紋能夠顯著影響傳播方向前方剪切不穩(wěn)定發(fā)生的位置。而文中試驗中從小端開始傳播的軸向裂紋為剪切斷裂模式，也就導(dǎo)致裂紋傳播前方的相鄰區(qū)域更傾向于出現(xiàn)剪切斷裂，從而大幅度減少拉剪混合斷裂模式的分布范圍。圖5所示破片截面C中雖然中部存在微裂紋和孔洞，但卻是純剪切斷裂，這說明前述分析是可信的，試驗3-1中發(fā)現(xiàn)的超長破片也印證了這一點(diǎn)。

4 結(jié)論

采用砂箱靜爆法，回收了內(nèi)部爆炸加載下變壁厚殼體生成的自然破片。從宏觀角度觀察了破片的形態(tài)，分析了斷裂模式，并采用掃描電子顯微鏡對典型破片進(jìn)行了金相分析。得到如下結(jié)論：

1) 大錐角變壁厚殼體從小端起爆時，易產(chǎn)生超長破片，同時殼體發(fā)生拉伸剪切混合斷裂的范圍較大端起爆時顯著縮小。

2) 試驗3-1典型破片靠近端面部分的厚度方向中部存在微裂紋和孔洞，剪切斷裂模式與拉伸斷裂模式的競爭，導(dǎo)致了破片在該部位的斷裂面非常不規(guī)則。隨著破片厚度的減小，這些微裂紋和孔洞的大小、數(shù)量和分布范圍逐漸降低，直到消失，但消失過程滯后于拉伸斷裂模式。

3) 在應(yīng)用中可以利用變壁厚彈體的以上特性通過調(diào)整結(jié)構(gòu)和起爆位置控制破片的大小和形狀，優(yōu)化毀傷威力。