合金铝管撞击变形及损伤

撞击后弹坑附近材料的力学性能研究表明随着撞击速度的增加,撞击后弹坑附近材料的动态屈服强度逐渐增大,而材料的动态抗压强度在一定的撞击速度下存在极大值。钢弹/镁靶碰撞副撞击后弹坑附近材料达到最大动态抗压强度的临界撞击速度为590 m/s,铝弹/镁靶碰撞副为2500 m/s。

超过临界撞击速度,撞击后材料的动态抗压强度随着撞击速度的继续增加而降低。随着与弹坑边沿距离的增加,撞击后材料的动态屈服强度逐渐降低,而材料的动态抗压强度则存在临界变形程度,超过临界值时,材料的动态抗压强度在弹坑底部一定距离上存在极大值。原位拉伸试验研究表明撞击诱发的微裂纹、微孔洞、绝热剪切带及孪晶界是主裂纹形核和扩展的主要路径,大量缺陷的形成降低了材料抵抗继续变形的能力。研究表明钢弹/镁靶碰撞副的成坑过程不同于铝弹/镁靶碰撞副。

随着撞击速度的增加,钢弹/镁靶碰撞副形成的弹坑形貌经历了球冠形→半球形→圆柱形+半球形→半球形过渡,而铝弹/镁靶碰撞副在撞击成坑过程中弹坑形貌由球冠形逐渐过渡到半球形。在弹道撞击速度范围内,弹坑深度是钢弹/镁靶碰撞副的主要侵彻形式,而弹坑体积是铝弹/镁靶碰撞副的主要侵彻形式。当撞击速度达到超高速撞击时,弹坑体积是镁合金靶板的主要侵彻方式,与碰撞副的类型无关。相近撞击速度下,钢弹/镁靶碰撞副弹坑周围变形组织的分布区域宽于铝弹/镁靶碰撞副。

弹道撞击条件下,弹坑周围的变形组织可划分为三个区域:高密度孪晶区、中等密度孪晶区和低密度孪晶区,而超高速撞击条件下,弹坑周围出现了细晶区,其变形组织可划分为四个区域:细晶区、细晶+高密度孪晶区、高密度孪晶区和低密度孪晶区,其中低密度孪晶区贯穿整个30 mm厚的靶板。由于高速撞击可在弹坑底部提供梯度性的应变、应变速率载荷变化,通过弹坑周围不同区域变形组织的表征,揭示了弹坑附近细晶的形成过程,建立了弹坑附近细晶形成的物理模型。形变带内部以严重变形、碎化的晶粒为主,而转变带内部以细小等轴的再结晶晶粒为主。

孪生和位错滑移在转变带内部细晶的形成过程中起着重要的作用。高速撞击条件下镁合金转变带内细晶的形成应归结于孪晶诱发的旋转动态再结晶机制。弹坑附近典型的微观结构研究表明高速撞击条件下镁合金中主要形成了{1012}拉伸孪晶和{1 0 11}压缩孪晶,孪生方向分别为< 1011>和< 1012>。高的应力应变水平、低的临界剪切应力、小的切变量是两类变形孪晶形成的主要原因。高速撞击条件下弹坑附近超细晶Mg晶粒内部存在高密度的位错结构,位错滑移是超细晶Mg晶粒进一步塑性变形的主要方式。高速撞击条件下弹靶界面材料在冲击高温、高压的共同作用下形成了多种与熔化相关的微观组织,如铝晶粒、镁铝化合物以及非晶组织。非晶组织的形成是熔化、快速凝固的结果。