郭志平，王 飛，姜 波，張 杰，程 波，王傳婷，何 勇

(1.西南技術(shù)工程研究所， 重慶 400039； 2.南京理工大學, 南京 210094)

1 引言

Zr基非晶合金具有良好的力學性能及其他優(yōu)異的理化性能，在沖擊載荷作用下發(fā)生晶化、金屬間化合反應(yīng)以及氧化反應(yīng)釋放大量能量，同時具有高速侵徹自銳特性，可作為活性反應(yīng)材料在新型高效毀傷戰(zhàn)斗部上應(yīng)用提高戰(zhàn)斗部殺傷威力。因此Zr基非晶合金材料在軍事領(lǐng)域中具有很大的應(yīng)用價值與發(fā)展?jié)摿?，而開展材料在動態(tài)載荷作用下的高應(yīng)變率力學行為尤其是斷裂行為對Zr基非晶合金材料的實際工程化應(yīng)用奠定重要的基礎(chǔ)。

由常用元素組成的典型ZrCuAlNi非晶合金具有良好的成形能力以及比較大的化學反焓，因此成為Zr基非晶合金中重點的關(guān)注對象。國內(nèi)外學者對Zr基非晶合金的動態(tài)力學響應(yīng)開展了大量研究，觀察到Zr基非晶合金的斷裂行為不同于普通晶態(tài)金屬的特性，斷裂面偏離了最大剪應(yīng)力與載荷軸的45°平面，并將這種偏離歸因于剪切面上正應(yīng)力的作用，從而認為Zr基非晶合金的屈服遵循Mohr-Coulomb準則；Zhou，張云峰等利用高速攝像觀察Zr非晶合金在SHPB實驗中脆性破壞與釋能過程，都表明Zr基非晶合金在變形過程中的脆性、高度局域化的剪切帶和應(yīng)變軟化等缺陷，限制了其工程實際應(yīng)用范圍。ZrCuAlNi非晶合金的失效斷裂行為明顯區(qū)別于常規(guī)合金材料，因此非常有必要開展ZrCuAlNi非晶合金以及內(nèi)生非晶復(fù)合材料在高應(yīng)變率加載條件下的斷裂行為研究。

Taylor 撞擊實驗是利用圓柱形試件撞擊剛性壁面，通過對塑性材料的變形尺寸進行測量，用于評估材料在高應(yīng)變和高應(yīng)變率加載下的動態(tài)響應(yīng)的簡單方法，結(jié)合數(shù)值模擬也廣泛用于驗證材料的本構(gòu)方程。隨著實驗觀測手段的更新以及對脆性材料尤其是玻璃材料的研究，Taylor撞擊實驗成為研究脆性材料在高應(yīng)變率條件下動態(tài)響應(yīng)的重要手段。何福龍，CLINE等對Zr基非晶合金進行Taylor 撞擊實驗，由于高速撞擊發(fā)生失效斷裂破碎，不能采集得到試件的變形尺寸，因此不能確定材料的動態(tài)屈服強度；由于Zr基非晶合金有釋能過程，給高速攝像記錄過程帶來了干擾，因此采用有效的實驗方法對其斷裂過程進行記錄非常重要。

本研究從實驗和數(shù)值仿真兩方面入手，對ZrCuAlNi非晶合金以及內(nèi)生非晶復(fù)合材料進行了Taylor撞擊實驗，研究材料的動態(tài)力學性能，并對兩種材料的失效斷裂行為進行研究，最后利用數(shù)值仿真手段對其過程進行了模擬。

2 實驗方案

實驗所用的ZrCuAlNi非晶合金是利用真空非自耗電弧熔煉爐進行熔煉后銅模吸鑄而成，其制備的流程為：將高純度合金原材料去除表面氧化層后，按照原子百分比換算到質(zhì)量比進行稱量，利用高純度酒精清洗干凈后放入到熔煉爐中，多次熔煉原材料將其混合均勻，最后吸鑄到純銅模具中獲得直徑為10 mm的ZrCuAlNi非晶合金棒料。而ZrCuAlNi非晶合金棒料經(jīng)過600 ℃的高溫退火4 h，晶化獲得ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料棒料。

如圖1所示為掃描的ZrCuAlNi非晶合金與內(nèi)生非晶復(fù)合材料的衍射圖譜，從圖1(a)中可以看出整個圖譜沒有類似內(nèi)生非晶復(fù)合材料的精細的譜峰結(jié)構(gòu)，在2=38°附近有一個明顯的寬的漫散射峰，表現(xiàn)為典型的非晶結(jié)構(gòu)峰，證明所制備得到的ZrCuAlNi非晶合金棒料為完全非晶體結(jié)構(gòu)。從圖1(b)中可以發(fā)現(xiàn)有多個精細的譜峰結(jié)構(gòu)，晶體特征峰不明，或表明結(jié)晶尺寸很小，表明制備的材料為ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料。

圖1 Zr55Cu30Al10Ni5合金XRD衍射圖譜

如圖2所示為Taylor 撞擊實驗布局圖，其發(fā)射裝置為由壓縮氮氣驅(qū)動的14.5 mm彈道槍，主要由鋼性靶板、高速攝像、高強度光源以及亞克力回收箱等組成。試件選擇的是圓柱形，其名義尺寸為φ10 mm×H30 mm，對試件撞擊的端面進行光滑處理，且在尼龍彈托上刻有多個密氣槽，保證試件能以不同速度撞擊，其彈托和試件如圖3所示。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 試件撞擊斷裂高速攝像結(jié)果

在空氣條件下ZrCuAlNi合金高速撞擊破碎產(chǎn)生溫升，引發(fā)材料與空氣中的氧氣、氮氣等進行反應(yīng)，因此在亞克力箱中充入氬氣可有效避免反應(yīng)，如圖4所示ZrCuAlNi非晶合金在空氣以及氬氣條件下撞擊鋼靶可以明顯發(fā)現(xiàn)充入氬氣后，只有微弱的火光，由于材料破碎引發(fā)的溫升而沒有耀眼的火光，具有明顯的效果。

圖2 Taylor撞擊實驗布局圖

圖3 彈托和試件實物圖

圖4 ZrCuAlNi非晶合金撞擊鋼靶圖

3.2 試件撞擊斷裂高速攝像結(jié)果

從高速攝像記錄的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)試件的軸線與靶板的平面夾角基本上是90°，所以可以認為試件的著靶姿態(tài)基本滿足正撞擊。圖5所示為ZrCuAlNi非晶合金以不同速度撞擊剛性靶板的高速攝像結(jié)果圖。發(fā)現(xiàn)在速度為64.3 m/s的時候，試件的失效斷裂主要是在撞擊端面產(chǎn)生一條主剪切帶，產(chǎn)生的斷裂角度與試件軸線的夾角約為40°，并未產(chǎn)生其他明顯的碎片。隨著撞擊速度增加到125 m/s，撞擊剛開始與之前低速撞擊一樣產(chǎn)生一條主剪切帶，在試件失效斷裂前也產(chǎn)生了一條與最初形成的主剪切帶平行的一條次生剪切帶，隨著撞擊的繼續(xù)，主剪切帶發(fā)生擴展出現(xiàn)多條次生剪切帶，導(dǎo)致試件前端材料發(fā)生碎裂產(chǎn)生大量的碎片。當撞擊速度增加到160.7 m/s的時候，在試件撞擊前端同時產(chǎn)生兩條相互交叉的剪切帶。

圖5 ZrCuAlNi非晶合金以不同速度撞擊剛性靶板過程圖

ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料以一定的速度撞擊剛性靶板結(jié)果如圖6所示。

圖6 ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料以不同速度 撞擊剛性靶板過程圖

撞擊速度為70.3 m/s時，試件頭部剛開始出現(xiàn)一小段類似塑性變形的區(qū)域，然后再失效破碎。主要的原因是當試件與靶板的接觸面上的應(yīng)力超過材料的動態(tài)屈服應(yīng)力，試件撞擊端產(chǎn)生很多沿加載方向的軸向的裂紋，試件前端高速撞擊，引起試件前端壓縮變形，失效斷裂后的材料沿著徑向飛散。試件在撞擊端面產(chǎn)生了很多軸向裂紋，裂紋尖端出現(xiàn)分叉，在多條裂紋的相互作用下，試件頭部發(fā)生碎裂，在剩下的未變形試件頭部產(chǎn)生新的斷裂面。撞擊速度一直增加到150 m/s，試件失效斷裂的行為比較類似，都表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂，試件的頭部均發(fā)生完全破碎，產(chǎn)生新的斷裂面，試件頭部段類似塑性變形區(qū)域越大，導(dǎo)致剩余未變形的試件長度越短，因此剩余未失效碎裂的試件質(zhì)量減少。速度增加意味著試件整體能量增加，而裂紋的形成擴展都是能量釋放過程，因此撞擊速度的增加，導(dǎo)致試件內(nèi)部裂紋擴展速度增加，擴展形成更多的裂紋，導(dǎo)致試件碎裂程度越明顯，所以形成尺寸更小的碎片，小碎片的數(shù)量增多以及所占整體質(zhì)量比例更多，大碎片的比例逐漸降低。

3.3 回收試件斷裂情況分析

對失效斷裂后的彈體材料進行回收，回收的結(jié)果如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)ZrCuAlNi非晶合金在低速撞擊條件下試件質(zhì)量減少得很少，最主要的原因是試件失效斷裂形成單一主剪切帶，試件只被剪切下來一角，隨著撞擊速度的增加，試件撞擊前端形成多條剪切帶，而且在主剪切帶上擴展形成多條次生剪切帶，因此撞擊速度越高剩余質(zhì)量越少。值得注意的是所有回收的失效斷裂后的剩余試件都是呈現(xiàn)垂直于撞擊方向的斷口。

圖7 Taylor撞擊實驗試件回收結(jié)果圖

回收的ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料撞擊回收得到很多小碎片，試件破碎更嚴重，試件的動能主要轉(zhuǎn)換為碎片的動能以及能量耗散，以材料的破碎、沖擊熱、新碎片的表面能的形式進行消耗，隨著撞擊速度的增加，試件塑性變形區(qū)域更大，試件失效破碎長度越多，形成更多的軸向裂紋，相互作用下導(dǎo)致碎片尺寸逐漸減小。兩種材料進行比較，可以發(fā)現(xiàn)在相同撞擊速度下，內(nèi)生非晶復(fù)合材料失效破碎程度更明顯，未失效斷裂的試件質(zhì)量也更少而且碎片尺寸也更小；兩種材料的失效斷裂模式有很大的區(qū)別。

結(jié)合高速攝像結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)試件并未完全破碎，對剩余試件進行回收觀察可以發(fā)現(xiàn)撞擊速度越高，試件碎裂程度越明顯，剩余試件長度與質(zhì)量越少。ZrCuAlNi非晶合金試件在不同撞擊速度下斷裂面與試件軸線的夾角都略小于45°，與之前很多壓縮實驗結(jié)果類似，證明ZrCuAlNi非晶合金符合Mohr-Coulomb原則；而ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料的試件斷裂面與試件軸線的夾角基本為0°，不同撞擊速度下都表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂。根據(jù)高速攝像也可以觀察到ZrCuAlNi非晶合金失效斷裂主要形成剪切帶，而ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料主要產(chǎn)生軸向裂紋。

為了進一步分析，利用掃描電鏡對回收試件斷裂面進行觀察，如圖7所示為ZrCuAlNi非晶合金在Taylor撞擊條件下微觀斷裂形貌結(jié)果，可以明顯發(fā)現(xiàn)在斷面上呈現(xiàn)多種形式的斷裂形貌，圖8(a)與圖8(b)出現(xiàn)經(jīng)典河流狀花紋以及樹枝狀花紋，在低速撞擊下主要產(chǎn)生這類形貌。在斷裂面上都能看見大量的熔滴，高應(yīng)變率撞擊條件下導(dǎo)致斷口上的熔融層厚度明顯增加，表明材料在失效斷裂過程中粘性流動區(qū)域更多，而且高應(yīng)變率下導(dǎo)致材料失效斷裂時釋放更多的能量，因此帶來更高的溫升。圖8(c)出現(xiàn)了準解理的斷裂形貌，認為材料在失效斷裂過程中出現(xiàn)局域化的塑性流動，而且不同的尺寸與裂紋尖端的塑性區(qū)域有重要的聯(lián)系。雖然宏觀上ZrCuAlNi非晶合金表現(xiàn)出脆性材料的特征，但是微觀上可以發(fā)現(xiàn)其局部的塑性變形證據(jù)。主要是因為原子團簇在自由體積或剪切轉(zhuǎn)變區(qū)附近的跳動，而且撞擊速度的增加導(dǎo)致非晶合金溫度的升高，會促進ZrCuAlNi非晶合金的內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，導(dǎo)致剪切帶的產(chǎn)生與擴展，最后發(fā)生失效斷裂。圖8(d)在回收的剩余失效斷裂試件的外圈可以明顯發(fā)現(xiàn)大量的凹坑占主導(dǎo)地位。在這些結(jié)果表明試件撞擊靶板其內(nèi)部所受到的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，有正應(yīng)力、剪應(yīng)力以及彎曲應(yīng)力共同作用下造成了非晶合金的失效斷裂。ZrCuAlNi非晶合金撞擊剛性靶板是一個相當復(fù)雜的過程，ZrCuAlNi非晶合金材料撞擊靶板受到復(fù)雜的三維應(yīng)力狀態(tài)，而且與材料自身的特性非常相關(guān)。造成的主要原因是試件撞擊靶板產(chǎn)生壓縮波沿著試件沿軸向傳播，考慮試件三維應(yīng)力狀態(tài)下，在圓柱試件側(cè)面發(fā)生散射，反射形成的卸載波與壓縮波相遇，形成了徑向拉應(yīng)力，導(dǎo)致側(cè)向表面的破碎飛散。

圖8 ZrCuAlNi非晶合金在Taylor撞擊條件下 微觀斷裂形貌

ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料在Taylor撞擊條件下微觀斷裂形貌如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)都呈現(xiàn)出粗糙凌亂的特征，呈現(xiàn)脆性解理斷裂，主要是河流狀斷裂形貌，同裂紋的擴展方向一致，主要是材料原子鍵斷裂，解理時沿著材料內(nèi)部一系列晶面分離，形成大量臺階，而大量臺階的匯合就形成河流狀形貌。在試件斷裂表面出現(xiàn)明顯的熔滴，表明在動態(tài)壓縮下釋放更多能量，造成斷面溫度升高。

圖9 撞擊速度為109.8 m/s下ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料在Taylor撞擊條件下微觀斷裂形貌

ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料撞擊剛性靶板，基本無塑性變形；試件與靶板的接觸面產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波沿著試件未失效斷裂的方向傳播，在應(yīng)力波后端跟著失效波。在陶瓷玻璃等脆性材料在沖擊波后存在一個失效波，隨著傳播距離的增加而減小，持續(xù)向未失效斷裂的區(qū)域傳播。而且速度越高失效波速度越高，因此試件斷裂長度越長。在撞擊端面受到?jīng)_擊波與失效波作用，在撞擊端面形成大量的裂紋，裂紋不斷擴展釋放能量。在內(nèi)生非晶復(fù)合材料內(nèi)部存在大量的金屬間化合物，因此存在大量缺陷，在撞擊外部載荷的作用下，內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，裂紋主要是沿著軸向擴展，來釋放應(yīng)力，裂紋尖端出現(xiàn)分叉沿著徑向傳播，在多條裂紋的綜合作用下，試件發(fā)生失效破碎形成大量碎片。

4 Taylor撞擊實驗有元仿真

為了對ZrCuAlNi非晶合金的Taylor撞擊過程進行數(shù)值仿真模擬，使用AUTODYN-2D軟件建立了軸對稱模型。為了真實反映材料撞擊過程，試件尺寸與靶板尺寸選擇與真實尺寸相同，撞擊靶板采用合金鋼，并對靶板進行約束。

針對ZrCuAlNi非晶合金，根據(jù)之前的實驗結(jié)果可以明顯發(fā)現(xiàn)ZrCuAlNi非晶合金的壓縮剪切角小于45°，遵循Mohr-Coulomb準則，而與其近似的Drucker-Prager模型具有沒有棱角光滑的屈服面，可以消除Mohr-Coulomb模型在進行塑性變形分析的計算不易收斂等問題。因此本研究使用線性狀態(tài)方程以及Drucker-Prager強度模型作為ZrCuAlNi非晶合金的材料模型，ZrCuAlNi非晶合金材料具體參數(shù)為彈性模量為81.7 GPa，剪切模量為31.3 GPa，在準靜態(tài)加載下壓縮強度為1.6 GPa而拉伸強度為1.1 GPa。材料的失效模型選擇用來描述脆性材料由于壓碎而導(dǎo)致強度大幅減弱的非彈性行為的Cumulative-Damage累積損傷模型。

ZrCuAlNi非晶合金在不同撞擊速度下的Taylor撞擊仿真結(jié)果如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)ZrCuAlNi非晶合金材料失效斷裂過程?？梢园l(fā)現(xiàn)在度為64.3 m/s的時候，為試件撞擊靶板的臨界速度，剪切帶從試件中間向外擴展，主要形成一條主剪切帶，與速度加載方向的夾角小于45°，與實驗結(jié)果一致。在速度為125 m/s的時候，剪切帶從試件端面向試件中間傳播，產(chǎn)生多條剪切帶。而當撞擊速度為160.7 m/s的時候，從端面產(chǎn)生更多的剪切帶，導(dǎo)致試件碎裂程度更加明顯，而且試件斷裂長度更長、試件前端形成圓錐形的頭部并未失效碎裂形成小塊，而且在實驗中回收得到了圓錐形的試件與實驗結(jié)果一致，而速度增加導(dǎo)致多條主剪切帶的產(chǎn)生，利用該模型能較好地反映ZrCuAlNi非晶合金材料的撞擊失效斷裂過程。

圖10 ZrCuAlNi非晶合金Taylor撞擊實驗仿真結(jié)果圖

5 結(jié)論

本研究對ZrCuAlNi非晶合金與內(nèi)生非晶復(fù)合材料在充滿氬氣條件下進行了不同速度撞擊下的Taylor撞擊實驗研究，并對失效斷裂的行為進行分析以及數(shù)值仿真，主要的結(jié)論有：

1) 氬氣可以對ZrCuAlNi非晶合金以及內(nèi)生非晶復(fù)合材料試件在Taylor撞擊實驗中帶來的化學反應(yīng)進行有效抑制。

2) ZrCuAlNi非晶合金在撞擊速度較低的時候產(chǎn)生主剪切帶失效斷裂，隨著撞擊速度的增加，主剪切帶的數(shù)量增加，在主剪切帶完全擴展完成前，多條次生剪切帶形成。而ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料試件主要產(chǎn)生軸向裂紋并沿著未失效斷裂的方向傳播的脆性斷裂，裂紋尖端出現(xiàn)分叉，相互作用下試件頭部發(fā)生碎裂，試件產(chǎn)生新的斷裂面。

3) ZrCuAlNi非晶合金的斷裂形貌出現(xiàn)經(jīng)典河流狀花紋、樹枝狀花紋、準解理花紋以及大量的凹坑斷面形貌，表明了試件撞擊受力復(fù)雜；而ZrCuAlNi內(nèi)生非晶復(fù)合材料的斷裂形貌呈現(xiàn)河流狀的解理斷裂形貌。

4) 通過AUTODYN軟件對ZrCuAlNi非晶合金的Taylor撞擊過程進行仿真模擬，基本能夠描述材料的失效斷裂行為。