685裝甲鋼動態拉伸與壓縮性能研究

武海玲，苗 成，白利紅，鐘 濤,2，史 超，楊 林

(1.中國兵器科學研究院 寧波分院， 浙江 寧波 315103；2.沖擊環境材料技術重點實驗室， 山東 煙臺 264003；3.內蒙古北方重工業集團有限公司， 內蒙古 包頭 014033)

目前，裝甲防護車輛上應用的陶瓷復合裝甲主要是由陶瓷面板和金屬背板通過膠粘劑粘合構成，在彈丸的沖擊下出現陶瓷斷裂錐的形成和金屬背板的塑性變形吸能兩個重要響應。在侵徹過程中，彈丸在陶瓷面板的作用下會鈍化或毀壞，能量、質量均有所減少，從而降低了繼續侵徹的能力[1-3]。隨著彈丸及其碎片的繼續侵徹，彈坑周邊較大面積的陶瓷已完全碎裂，同時金屬背板發生塑性形變，陶瓷面板與金屬背板之間出現層間的剝離。雖然陶瓷的進一步碎裂、金屬的塑性形變以及這種層間的剝離均吸收大量能量，對抗彈具有有利的一面，但這種由強反射波導致的破壞作用，對于裝甲抗多發彈能力具有極其不利的一面[4-6]。

所以，在裝甲材料的選擇上應盡可能滿足“高硬度、高強度、高韌性、低密度、低成本”的要求。其中金屬背板的主要作用是給陶瓷提供支撐并吸收彈體和陶瓷碎片的動能，韌性高則吸收能量能力強。坦克裝甲的抗侵徹能力隨裝甲材料的硬度和彈性模量的提高而增大，抗沖擊能力隨裝甲材料韌性提高增強；抗崩落能力是衡量裝甲板抗破裂、剝離及層裂的能力，與裝甲材料的抗壓強度和抗張強度有關[7-10]。本研究針對目前常用的685裝甲鋼背板進行了動態拉伸與壓縮力學性能試驗研究，以探討其動態屈服強度及抗拉強度等隨應變率的變化關系，為裝甲車輛提供常用685裝甲鋼的動態力學性能理論基礎。

1 685裝甲鋼的準靜態力學性能

首先，對685裝甲鋼進行了靜態拉伸與壓縮試驗，以獲得685裝甲鋼靜態拉伸和壓縮屈服強度。

1.1 靜態拉伸試驗及結果

靜態拉伸實驗采用萬能材料試驗機進行，拉伸試樣標距段長度為70 mm，試驗用引伸計標距段長度為50 mm，加載試驗機的拉伸速度為2 mm/min，即名義應變率為4.8×10-4s-1。工程應力定義為施加載荷與試樣標距段原始截面積之比，工程應變定義為引伸計標距段伸長量與標距段原始長度之比，屈服強度取試樣0.2%塑性應變時對應的工程應力。

通過對實驗得到的載荷位移曲線進行簡單轉換可以得到材料的工程應力-應變曲線，685裝甲鋼的靜態單向拉伸實驗獲得的工程應力-應變曲線見圖1，可知靜態拉伸下該材料的屈服強度約為1 400 MPa，且具有較長的塑性延展段，說明該材料具有良好的塑性。圖1中的3條曲線重復性非常好，說明該板材質地較為均勻。計算得到的1#～3#試樣的彈性模量與屈服強度值如表1所示，可知該裝甲鋼的靜態拉伸屈服強度為1 384 MPa。

圖1 685裝甲鋼靜態拉伸應力-應變曲線

試樣編號彈性模量/GPa屈服強度/MPa1208.991 387 2203.771 380 3212.321 384 平均值208.361 383.7

1.2 靜態壓縮試驗及結果

靜態壓縮實驗在萬能材料試驗機上完成，試驗時設定的加載速度為2 mm/min，即名義應變率為3.3×10-3/s。靜態壓縮實驗得出的工程應力-應變曲線見圖2，該裝甲鋼材料沒有明顯的屈服平臺，且應變硬化現象非常明顯。為了分析數據的準確性，屈服強度取法和靜態拉伸實驗一致，即統一取0.2%塑性應變時對應的工程應力。由表2可知，靜態壓縮實驗得出的材料平均屈服強度為1 499 MPa。

圖2 685裝甲鋼準靜態壓縮工程應力-應變曲線

試樣編號彈性模量/GPa屈服強度/MPa1213.81 4972213.41 4943219.11 506平均值215.41 499

2 685裝甲鋼的動態力學性能測試

2.1 685裝甲鋼動態拉伸試驗及結果

動態拉伸實驗采用Ф16 mm的霍普金森拉桿對685裝甲鋼試樣進行加載，桿材為高碳鉻合金鋼，入射桿1 100 mm，透射桿1 200 mm，彈性模量210 GPa，密度7 800 kg/m3，實驗裝置如圖3。本次試驗用的子彈長300 mm。685裝甲鋼試樣取自40 mm厚板材。尺寸為M8*1×20+Ф4×10+ M8*1×20mm，試樣厚度方向與板材面內方向一致，試樣尺寸大小如圖4。

圖3 SHTB實驗裝置

圖4 動態拉伸試樣及尺寸

為了準確得出685裝甲鋼的動態拉伸力學性能的變化，進行了多次單向動態拉伸實驗。通過調節加載氣壓以實現不同應變率的拉伸狀況，拉伸試驗在5個氣壓值下(0.5、0.8、1.1、1.4、1.7)進行，對每個氣壓值下試樣的動態拉伸應力-應變曲線進行對比分析，確定出685裝甲鋼在不同應變率下對應的拉伸屈服強度，不同應變率下685裝甲鋼試樣的動態拉伸應力-應變曲線見圖5所示，從其中可知685裝甲鋼材料在0.5～1.7 MPa氣壓內，材料的屈服強度變化在897～1 780 MPa范圍。685裝甲鋼在平均應變率為863 s-1時，試樣出現頸縮現象，在平均應變率為1 182 s-1、1 487 s-1和1 732 s-1時，拉伸試樣發生斷裂。

圖5 685裝甲鋼在不同應變率下的動態拉伸真實應力-應變曲線

圖6 685裝甲鋼動態拉伸屈服強度隨應變率的變化關系

圖7 抗拉強度隨應變率的變化關系

通過實驗數據分析擬合，得出了每個試樣的屈服強度、加載應變率，材料的屈服強度隨動態應變率的變化關系和抗拉強度隨應變率的變化關系見圖6、圖7所示。從其中可知，在0.5～1.7加載氣壓內，685裝甲鋼動態拉伸屈服強度隨應變率的增大而增大，動態拉伸屈服強度最大值為1 780，較其靜態拉伸屈服強度1 384 MPa有所提高，所以685裝甲鋼在動態拉伸過程中有一定的應變率強化作用，且材料的動態抗拉強度隨應變率的增大而增大。

2.2 685裝甲鋼動態壓縮實驗及結果

動態壓縮試驗采用Ф16 mm的霍普金森壓桿，桿材為高碳鉻合金鋼，入射桿1 200 mm，透射桿1 200 mm，彈性模量210 GPa，密度7 800 kg/m3，實驗裝置如圖8所示,本次試驗用的子彈長300 mm。685裝甲鋼試樣尺寸為Ф8 mm×4 mm，試樣厚度方向與板材厚度方向一致，試樣及尺寸大小見圖9。

圖8 SHPB實驗裝置

圖9 動態壓縮試樣及尺寸

為了準確得出685裝甲鋼的動態壓縮力學性能的變化，進行了多次單向動態壓縮實驗。通過調節加載氣壓以實現不同應變率的壓縮狀況，壓縮試驗在5個氣壓值下(1.2、1.4、1.5、1.8、2.0)進行，對每個氣壓值下試樣的動態壓縮應力-應變曲線進行對比分析，確定出685裝甲鋼在不同應變率下對應的屈服強度，不同應變率下685裝甲鋼試樣的動態壓縮應力-應變曲線見圖10，從其中可知685裝甲鋼材料在1.2～2.0 MPa氣壓范圍內，材料的屈服強度變化在 2 600～3 200 MPa范圍。

圖10 685裝甲鋼在不同應變率下的動態壓縮應力-應變曲線

通過實驗數據分析，得出了每個試樣的動態雅壓縮屈服強度、抗壓強度和加載應變率，685裝甲鋼的動態壓縮屈服強度隨應變率的變化關系和抗壓強度隨應變率的變化關系見圖11、圖12所示。從其中可知，該材料的動態壓縮屈服強度和抗壓強度是隨應變率的增大而增大的，說明該材料具有應變率強化效應。在1.2～2.0加載氣壓，685裝甲鋼動態壓縮屈服強度最大值約為3 200，較其靜態壓縮屈服強度1 499 MPa大幅提高，所以685裝甲鋼在動態壓縮過程中有很強的應變率強化作用。

圖11 685裝甲鋼動態壓縮屈服強度隨應變率的變化關系

圖12 685裝甲鋼動態壓縮抗壓強度隨應變率的變化關系

3 結論

1) 通過萬能材料試驗機進行了靜態拉伸與壓縮試驗，在相同加載速度下，685裝甲鋼靜態拉伸屈服強度和靜態壓縮屈服強度分別約為1 384 MPa和1 499 MPa。

2) 通過霍普金森系統拉伸試驗，獲得了685裝甲鋼不同應變率下的動態拉伸屈服強度和抗拉強度，兩者皆隨應變率的增大而增大；在0.5～1.7加載氣壓獲得的動態拉伸屈服強度最大約為1 780 MPa，較靜態拉伸屈服強度1 384 MPa有一定提高，所以，在此加載氣壓范圍內，685裝甲鋼有一定的應變率強化作用。

3) 通過霍普金森系統壓縮試驗，獲得了685裝甲鋼不同應變率下的動態壓縮屈服強度和抗壓強度，兩者皆隨應變率的增大而增大；在1.2～2.0加載氣壓獲得的動態壓縮屈服強度最大約為3 200 MPa，較靜態拉伸屈服強度1 499 MPa有大幅提高，所以，在此加載氣壓范圍內，685裝甲鋼有很強的應變率強化作用。