輕型合金超高速沖擊防護性能和失效機理研究進展

張曉瓊，王濤,2*

輕型合金超高速沖擊防護性能和失效機理研究進展

張曉瓊1，王濤1,2*

（1.太原理工大學 機械與運載工程學院，太原 030024；2.太原理工大學 金屬成形技術與重型裝備全國重點實驗室，太原 030024）

系統總結目前關于輕型金屬合金及其復合層板在超高速沖擊載荷作用下的沖擊損傷模式和失效機理研究進展。搜集整理大量有關研究文獻，從實驗技術、輕型合金的超高速沖擊下可視性的實驗現象，以及高應變率加載條件下材料的微觀組織結構演化機理三方面對最新研究進展進行梳理與總結。指出了目前輕型合金超高速沖擊性能研究中的不足，并提出了未來研究方向的建議，為該領域輕質防護結構設計未來的研究方向提供了參考。

鋁合金；鎂合金；鈦合金；超高速撞擊；Whipple結構；沖擊防護；失效機理

在航空航天等領域中開展先進結構的設計時需要考慮材料的4類特性：性能、成形性、環保以及成本[1]。結構的輕量化設計不僅能夠節省能源，還能有效降低制造成本，提升經濟效益。開展結構輕量化設計的一種有效途徑就是選用輕質材料進行設計。近年來，關于輕質結構材料發展得十分迅速，其中應用最為廣泛的是纖維復合材料，如碳纖維、玻璃纖維、Kevlar纖維等。纖維復合材料因其普遍密度較低，輕于鋁合金，還具有高比強度和比剛度以及耐腐蝕、抗疲勞等諸多優點[2]，現已形成逐步取代傳統金屬材料的趨勢。然而，在設計制造過程中采用儲量豐富、生產工藝成熟、成本造價較低、易于加工的輕質金屬材料仍然在先進結構設計中占據著重要地位。其中在各個工業領域應用最為廣泛的三類輕型金屬材料分別為鋁合金、鎂合金和鈦合金。

隨著廢棄的航天飛行器爆炸損毀和太空垃圾的不斷增加導致空間環境持續惡化以及新型武器裝備的快速發展，在這些領域中以超高速飛行的空間碎片和武器爆炸引起的破片均嚴重威脅著航天飛行器、防護裝甲的安全[3-4]。在超高速撞擊中，沖擊速度均為公里/秒級，應變速率可達105～106s?1，會在撞擊物和防護材料之間產生強烈的激波，防護材料會處于極端的高溫和高壓狀態[3]，足以誘發出金屬材料產生各種變形組織。同時，材料伴隨著熔化和汽化，并且在穿孔的厚度方向上材料的塑性變形呈梯度變化，導致防護材料在超高速沖擊下的變形與失效過程極為復雜。超高速沖擊下防護材料的宏觀損傷形貌和微觀組織演化一直是材料和力學領域的研究熱點[5]。因此，開展輕型合金材料在超高速沖擊載荷作用下的防護性能和斷裂失效機理對防護結構的研究具有重要意義。

超高速沖擊領域中涉及到研究課題種類繁多，主要的熱點問題有超高速沖擊實驗技術、超高速沖擊的數值模擬方法、超高應變率范圍內的材料相變和等離子體輻射、防護屏的結構設計與損傷機理分析、沖擊應力波的傳播特征等。在上述這些研究熱點里，碎片云的形成、移動和膨脹過程，以及發生超高速撞擊后在防護結構上留下的穿孔和撞擊坑等宏/微觀損傷形貌是最為直觀的，是具有較高可信性和可視性的研究對象[6-7]。因此在文中首先介紹常用的超高速沖擊實驗技術和防護屏的結構設計形式與防護機理；然后分類綜述鋁、鈦、鎂3類輕質合金在超高速防護結構中的研究進展，主要集中總結了3類輕型合金在超高速沖擊過程中的碎片云特征和微觀損傷演化機理方面的研究；接著介紹目前使用輕質合金設計的梯度結構防護結構的最新研究進展；最后總結目前研究仍存在的不足并提出建議。

1 超高速沖擊實驗技術

二級輕氣炮是實現超高速沖擊實驗的關鍵裝置，最早于1948年由Crozier等[8]提出。圖1為典型二級輕氣炮的結構，其工作原理：在第1級中，先由控制系統點燃火藥室中的火炮推進劑（火藥），致使氣體膨脹推動可移動活塞對泵管中的輕氣進行壓縮，并驅動氣體壓縮到高壓；在第1級結束時，活塞會停留在圖1所示的錐形高壓段內，該段左右分別連接了第1級中的泵管和第2級的發射管；當高壓氣體沖破第2級發射管左端的膜片后，熱流和壓縮氣體進入發射管，加速沖擊彈丸飛向靶體，靶體位于測試室內。根據所進行的沖擊實驗的具體要求，第2級和實驗室的壓力可以是環境壓力，也可以是更低的壓力，直至接近真空[9]。在彈丸飛行過程中，由于彈丸與和活塞之間空間的增大可使活塞擠壓加劇，彈丸的驅動壓力可獲得一定程度的補償[6,10]。

使用二級輕氣炮發射直徑為3.12 mm鋁合金彈丸的最高速度可接近10 km/s[11]。Stilp等[12]將直徑為1.5 mm，質量為10 mg的鋁彈丸最高速度也發射到了9.6 km/s。盡管針對二級輕氣炮的發射技術在不斷改進，但要發射出能夠滿足實驗需求的具有一定質量和尺寸的彈丸以此獲得更具有參考價值的實驗數據，二級輕氣炮的最高發射速度則很難突破7.5 km/s[13]。針對這個技術難點，Chhabildas等[14]對沖擊彈丸進行了改進，使用具有密度梯度結構的飛片進行撞擊最終實現了發射速度高達14 km/s。但該技術方法同樣具有一定局限性，飛片容易出現變形、傾斜或者破損，從而影響實驗結果的準確性，采用球形彈仍然是大部分科研人員的首選。

超高速撞擊實驗研究中普遍采用的輕質防護結構設計如圖2所示，該結構最早由Whipple等[15]于1947年提出。傳統Whipple防護結構較為簡單，具有前后2個防護平板，前板通常為防護屏主要起到緩沖作用，后板為結構的壁板，前后兩板有一定距離。當沖擊彈丸以一定速度撞擊到前板后，會在彈丸和前板內部分別產生沖擊波，在沖擊波的作用下導致防護結構的前板和彈丸共同發生破碎[16]，形成的碎片云在經過移動和膨脹后會以較大的接觸面積撞擊到后板上，從而可以有效降低后板主體結構的損傷程度和沖擊載荷[17]。隨著Nextel纖維、Kevlar纖維、聚亞安酯泡沫、PTFE等先進輕質纖維材料、高分子材料等的發展和應用[18-19]，以及眾多改進和優化后的多層結構、夾芯結構、波紋結構等提出[20-22]，使得Whipple結構的防護性能有了快速提升。研究工作者主要通過分析前板穿孔的形態特征、碎片云移動和擴散特征，以及后板表面損傷形貌來評估防護屏材料的性能優劣。

圖1 二級輕氣炮中彈丸加速的工作原理[9]

圖2 Whipple防護屏結構[23]

2 輕型合金超高速沖擊失效行為研究進展

鋁合金因具有密度小、耐沖擊、導電導熱、塑性好等優點，易于加工成為各類型材，從而被廣泛應用于飛行器結構件中。通過添加微量金屬元素，可開發出具有不同力學性能的八大系列鋁合金[24]。關于純鋁合金超高速沖擊性能的研究目前主要集中于鋁合金作為Whipple防護屏服役時，鋁合金的碎片云形態特征、穿孔直徑、鋁合金防護結構損傷形態的演變以及彈丸撞擊角度、形狀密度等[7]。鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性能好、高溫性能穩定等優點，與復合材料之間有良好的相容性，被廣泛應用于裝甲防護結構中，并成功地取代了一部分鋼制結構件以此進行結構減重[25]。隨著武器系統的快速發展，一些新型電磁炮的發射速度已經高于2 km/s，造成防護材料的失效機理與傳統武器的攻擊下有著明顯區別[26]。鎂合金作為密度最小的金屬結構材料，因其具有高比能、良好的抗震減噪等性能優點而成為極具吸引力的結構材料，從而被廣泛應用于航空航天和汽車領域[27]。但因鎂合金的六方密排（HCP）晶格使得其具有各向異性，導致強度的拉壓不對稱性，所以，鎂合金在沖擊載荷作用下孿晶與位錯滑移的耦合變形機制的行為極為復雜[28-30]，使得其不同于傳統各向同性材料，預測鎂合金的變形和失效行為變得較為困難[31-34]。

研究結果表明上述3類輕型合金在超高速沖擊中隨著沖擊條件的變化，如彈丸尺寸形狀、沖擊角度速度、防護材料本身性能等因素的變化，其碎片云的形成過程和分布形狀也隨之會發生改變。此外，沖擊結束后對防護材料的損傷模式和變形失效機理的分析，以及針對碎片云的形成機理和碎片云侵徹性能的研究，對了解材料防護性能和優化防護結構設計均具有重要意義[35]。綜上，將對3類輕型合金的碎片云特征和微觀失效機理分別進行總結。

2.1 輕型合金在球形彈超高速沖擊下的碎片云特征

如圖3和圖4a所示，鋁合金球形彈丸撞擊鋁合金薄板后，由彈丸和靶板斷裂失效產生的濺射物所形成的碎片云形態在空間上近似環錐形，碎片云中主要包含了構成撞擊閃光主要熱源的高溫微粒子、金屬粉塵和低速碎片粒子構成的濺射云團簇。鋁合金碎片云通常會隨著撞擊速度的增加，其云團簇分布將轉變得更為密集、均勻，濺射角也隨之減小。鋁合金的碎片云通常其前端邊緣形狀近似拋物線型，并且該部分屬于碎片密集區域，部分材料在超高速撞擊過程中發生相變，液相和氣相的碎片云對后板造成的損傷遠弱于固相的碎片，因此后板的沖擊損傷也多由該碎片密集區域造成[35]。此外，關于鋁合金Whipple防護結構的實驗研究多聚焦于彈丸正撞，而在實際情況中，90%以上空間碎片的撞擊角度大于10°，斜撞擊產生的碎片云范圍更大[36]。管公順等[36]開展了鋁合金薄板在不同角度超高速撞擊下的實驗研究，得出對于1 mm厚的2A12鋁合金板在超高速斜撞下，發生滑彈返濺的臨界角度應在30°～40°，并隨著彈丸撞擊角度的增大而逐漸減小，同時由于滑彈返濺碎片云分布減小，破壞能力提升。

圖3 鋁合金薄板碎片云擴散過程[37]

由于鈦合金的密度高于鎂合金和鋁合金的，因此在超高速防護領域輕量化的前提下較少以單一組分材料作為防護結構出現，多與纖維復合材料或其他輕型合金如鎂鋁進行復合，其防護結構多為梯度層合板[25,38-39]。圖4b、c所示即為鈦合金分別和碳纖維、Al-Nylon的層合結構防護屏在超高速沖擊下的碎片云圖。從圖4b、c中觀測可知，Al2024和Ti-Al-nylon層合結構防護屏的碎片云更具有典型球形彈丸撞擊后產生的碎片云形態特征。彈丸和防護屏發生撞擊后，沖擊波在二者內部經傳播反射后形成稀疏波，在稀疏波的作用下發生破碎后的大部分碎片沿著入射方向移動和膨脹擴散，有少量碎片發生反濺形成反向濺射流[40]。區別在于Ti-Al-nylon層合結構在碎片云右端部分未出現帽狀的碎片密集區域，有效減緩了對后方結構的沖擊損傷。另外受超高速撞擊引起防護材料氣化蒸發，蒸氣對可見光不透明，由此使得所拍攝的Ti-Al-nylon層合結構碎片云更暗，其碎片云外部形體相較于純鋁合金薄板軸向和徑向直徑更大，材料破碎和膨脹更為充分。圖4c中由于受混雜的碳纖維影響，其碎片云與純鋁合金以及圖4b中Ti-Al-nylon的層合結構對比，其碎片云呈不規則形狀，較難根據其碎片云特征反推防護結構的性能。

如圖5所示，鎂合金因其材料本身具有各向異性，其碎片云也呈現出各向異性特征，包含了反向濺射流、內核結構以及碎片云的外泡結構。從圖5中可觀察到，鎂合金碎片云演變過程在其軋制方向和橫向方向上有明顯不同，主要體現在沿著法向觀測時其橫向擴散尺寸要大于材料的軋制方向，碎片云更接近扇形，而沿著軋制方向觀測碎片則更集中于沖擊方向上的同心軸附近。不同于鋁合金超高速撞擊下的典型碎片云特征，鎂合金在球形彈丸撞擊后的碎片云截面呈橢圓形，長軸沿材料軋制方向，短軸沿橫向方向。彈丸的沖擊條件對鎂合金的碎片云分布特征同樣有著明顯影響，隨著彈丸的沖擊速度的增加或者沖擊彈丸的密度增加，鎂合金靶板和彈丸的破碎程度越嚴重，碎片云沿著軸向、徑向擴散的范圍也隨之增加，鎂合金碎片云的形狀會逐漸接近圓形[41]。

圖4 Carbon fibre-Ti、Al2024和Ti-Al-nylon碎片云形貌[38-39]

圖5 不同觀測方向上鎂合金碎片云形狀特征[41]

綜上所述，在關于平板防護結構的超高速撞擊研究中，可以觀察記錄到的主要現象為在彈丸和靶板發生破裂后所形成的包含了固-液-氣多相碎片的膨脹球形云。彈丸和靶板的破碎特性與彈丸的沖擊速度/角度、彈丸和靶板的尺寸比值、靶板層合結構、環境溫度均密切相關，任一因素的變化都能引起該膨脹球形云的形狀和內部碎片分布的密度變化。目前關于碎片云形成機理的定量研究仍然較為欠缺，多采用X-ray技術或激光陰影拍攝技術記錄的圖像進行定性分析，碎片云內部碎片數量眾多難以借助測量工具精準識別，導致對其的細觀建模、識別和統計均有較大難度，不同材料或結構的碎片云特征與其防護性能之間的關聯機制仍不明朗。

2.2 輕型合金超高速沖擊下的失效特征

2.2.1 鋁合金

林木森等[42]對不同厚度5A06鋁合金板開展超高速沖擊實驗的研究結果表明，當沖擊速度不變時，鋁合金防護屏的穿孔直徑與厚度正相關，而當防護屏厚度不變時，穿孔直徑與彈丸撞擊速度正相關。Zhang等[43]對超高強度7055鋁合金板在超高速撞擊下的損傷特征和形成機理進行了系統分析。通過對撞擊坑形態對比分析后發現，隨著撞擊速度的增加，撞擊坑由球形冠狀演變為球形錐形復合形狀，最終轉變為半球形，如圖6所示。并指出7055鋁合金薄板的撞擊坑彈坑形狀的演變與穩態沖擊壓力和合金強度的比值密切相關。類似錐形環形山形狀的撞擊坑的形成主要是由7055鋁合金在動載荷下應變硬化速率較低，抗剪切局部化能力較差引起的。絕熱剪切帶的產生并演化為剪切裂紋，從而導致撞擊坑底部形成錐形區域，同時材料發生失效。

上述研究中均采用球形彈丸作為撞擊物，然而評估材料防護性能時的重要依據之一的撞擊坑的形態與形成和彈丸自身的形狀尺寸、密度及強度均密切相關。Burton[44]曾指出相較于球形彈丸，非球形彈丸的撞擊會對防護結構造成更為嚴重的威脅。文獻[45-47]開展了關于圓柱形撞擊彈丸的長徑比對撞擊坑形貌的影響研究。對于沖擊彈丸的形狀，Itagaki等[48]采用了不同頭部形狀的圓柱形沖擊彈丸。該沖擊彈丸由一對塑料前后彈殼和一個鋁合金內盤組成，兩者形狀不同，但總質量、平均質量密度和沖擊速度保持不變。結果表明，在撞擊條件下，只有撞擊體的長度和中軸線面質量密度發生了變化，這些變量對撞擊坑形態的影響可用它們的冪值表示。Keita等[49]更進一步提出了一種平頭塑料-金屬多面圓柱撞擊彈丸，并分析討論了其長度、平均質量密度和撞擊速度對彈坑形態具有哪些同步效應。其研究結果指出描述撞擊坑的每一個參數均與撞擊彈單位面積的動量大小有明確的關聯。

-

圖6 7055鋁合金超高速沖擊后的宏/微觀損傷形貌[43]

2.2.2 鈦合金

鈦合金的高速沖擊損傷主要與絕熱剪切帶的擴展、微裂紋擴展方向以及微觀組織結構演化密切相關[50]。圖7和圖8分別為鈦合金受不同速度下超高速沖擊載荷作用后的宏、微觀形貌，圖8中可觀察到受高速沖擊載荷作用后微觀組織結構里出現了明顯的絕熱剪切帶。絕熱剪切帶的形成則主要與鈦合金受高速沖擊載荷作用后材料局部發生劇烈塑性變形導致的溫升現象和高應變速率加載條件有關[51]。在防護裝甲被超高速碎片穿透的情況下，即超過103s?1的應變速率下，更容易產生絕熱剪切帶，更高的應變率意味著更急劇的溫升現象。而溫度的上升導致局部鈦合金局部發生熱軟化，沖擊加載結束后材料冷卻時會形成再結晶，再結晶導致材料內部形成更細的晶粒尺寸，絕熱剪切帶中心區域晶粒尺寸甚至能夠達到納米尺度[52]。圖8中可觀察到在絕熱剪切帶內部出現了一系列孔洞，Xue等[53]認為絕熱剪切帶是孔洞成核、生長和聚并的首選位點。關于孔洞的形成，一種觀點認為在α+β雙相鈦合金中的微觀結構會直接關系到微孔的成核，成核位置一般主要分布在較軟的α相和較硬的β相之間[54]。而Kai等[55-56]則認為絕熱剪切帶因條紋亞晶與等軸亞晶之間的變形不一致引起分叉，而分叉處的交點由于局部應力的存在更容易形成微孔洞。這些孔洞的逐步演化和聚集導致了材料最終的斷裂失效[57-58]。鈦合金的等軸組織結構容易形成絕熱剪切帶，而這種剪切帶的形成又成為材料內部失效的主要因素。Bless等[59]也觀察到在1 500 m/s和2 300 m/s的速度下，Ti-6Al-4V鈦合金在彈道沖擊下發生剪切帶斷裂。He等[50]則認為在不同的超高速度撞擊下，如圖9所示鈦合金的微觀組織有明顯不同。在他們的研究中發現當彈丸以970 m/s的速度撞擊后靶體后，撞擊坑內主要發生位錯滑移和纏繞，形成較大的位錯胞數和{10-12}拉伸孿晶，并形成了幾個絕熱剪切帶，絕熱剪切帶內部的顆粒被嚴重拉長，幾乎沒有微孔洞。以1 590 m/s的速度撞擊后隕石坑整體變形程度增大，部分形成了{11-22}壓縮孿晶在一些絕熱剪切帶中出現晶粒變形和再結晶。當撞擊速度達到超高速2 240 m/s時，除具有上述變形特征外，還有FCC孿晶和馬氏體相變在撞擊坑火山口內出現，絕熱剪切帶數量顯著增加，產生許多微孔洞，并相互連接形成絕熱剪切帶中的宏觀裂紋。

2.2.3 鎂合金

研究結果表明在103～104s?1的應變率范圍內，鎂合金的抗侵徹性能明顯優于鋁合金的，其動態力學行為主要受晶體組織結構、晶粒尺寸、添加元素以及外部載荷作用方向影響[5]。鎂合金的塑性變形機理主要受孿晶和位錯滑移主導。在超高速沖擊過程中，受沖擊波在材料中的傳播影響，穿孔周圍區域的變形微觀組織結構可主要分為三部分：動態再結晶區域、高密度和低密度變形孿晶區[60-61]，動態再結晶、孿晶和裂紋是鎂合金吸收沖擊波能量和釋放超高速沖擊產生的應力的主要變形行為。孿晶雖然能夠協調一部分應變，但在超高速撞擊下孿晶發揮作用有限。其中動態再結晶主要依靠撞擊坑底部發生較大變形，從而使得儲存的大量應變能無法釋放而形成的[62]。超高速碰撞時瞬時微觀組織分析表明（圖9），孿晶-孿晶、位錯-位錯和孿晶-位錯的相互作用決定了超高速沖擊過程中的應變硬化，最終決定了鎂合金材料的動態力學性能。撞擊坑周圍顯微硬度的演變進一步證明了超高速撞擊下的微觀結構演變及其相互作用[5]。鎂合金的宏觀損傷形貌中針對其撞擊坑中超細晶粒的形成機制和外部沖擊條件的關聯，以及撞擊坑變形區不同密度區域內的微觀組織演化和鎂合金的屈服強度、硬度等宏觀力學行為間的關系尚未明確。鎂合金的特殊晶體結構和拉壓不對稱性造成了對其在超高速沖擊下力學行為預測的困難，建立能夠描述鎂合金超高速彈道極限方程和描述其在超高應變率加載條件下的力學行為的模型仍然是目前研究的難點。

圖7 橫截面上撞擊坑的宏觀形貌[50]

圖8 鈦合金絕熱剪切帶的微觀組織[50]

圖9 梯度織構AZ31B鎂合金靶板在3.8 km/s速度撞擊后的TEM微觀形貌[5]

綜上所述，盡管3類輕質合金的原始微觀組織結構和受撞擊后變形區域的微結構演變都有較大區別，但有一個共同點，即絕熱剪切帶的形成和演變機理對輕型合金的宏觀性能表現有著重要影響，但具體內在聯系的機制仍存在爭論，如前文中所敘述鈦合金絕熱剪切帶上所存在的微小孔洞形成機理原因。此外，超高速撞擊過程中往往伴隨著高溫現象，溫度的急劇變化對撞擊坑形貌的形成和微觀組織結構演化具體影響機理仍缺乏研究?？山柚邷貥O端環境模擬實驗裝置和紅外測溫裝置等，通過在極寬速度范圍內對同種材料進行沖擊實驗，監測撞擊結束后材料各區域的溫度。根據材料冷卻速率間接推理材料在整個撞擊過程中的實際溫度變化規律，并收集在不同沖擊速度下的材料碎片和變形損傷區域的樣品結合材料分析技術分析其微觀組織結構演化機理，以期獲得更為準確的實驗數據。

3 輕質合金波阻抗梯度防護結構

波阻抗梯度材料是將具有不同密度的材料進行層合，使得整體結構的波阻抗沿著厚度方向能夠呈現階梯性或準連續性變化[63]。不同于單一材料的所制成的防護結構，波阻抗梯度結構具有以下2點優勢：波阻抗梯度結構中能夠改變沖擊波的傳播路徑，使其發生多次反射和透射，提升沖擊過程中的能量耗散率[64]；將高波阻抗材料置于迎彈面，能夠在沖擊物內部形成更高的壓力和溫升，提高沖擊物的破碎程度，促使沖擊物的動能更容易轉變為防護結構材料的內能，進一步促進防護結構材料發生熔化和氣化[65-66]。低波阻抗材料通常具有較好的吸能特性，將其置于高波阻抗材料后側可增加對碎片動能的消耗，最大程度降低對后方結構的損傷[67]。

由輕質合金組成的波阻抗梯度結構目前主要有Al/Mg結構、Ti/Al/Mg、Ti/Al/nylon[39]結構等。相較于其他類型梯度結構，Al/Mg結構因其質量輕、防護性能好、成本低廉受到了科研人員的廣泛關注，有關研究也多集中于該結構的防護性能的研究上。經研究表明，在不同超高速沖擊載荷作用下，Al/Mg波阻抗梯度防護結構均表現出了優于純鋁合金防護結構的性能。Al/Mg梯度結構的主要優勢在于一方面能夠改變沖擊波的傳播路徑，有效延長了沖擊波脈沖的持續時間，另一方面提升了沖擊峰值壓力從而更有利于沖擊彈丸的充分破碎[67]。如圖10所示，對比2類防護結構后墻前側損傷形貌可觀測到，鋁合金結構撞擊坑呈放射狀，而Al/Mg梯度結構則呈無序分布。后板后側鋁合金結構出現大量層裂裂紋并伴有嚴重的塑性變形，而Al/Mg梯度結構層裂輕微，僅中心區域出現鼓包和中心附近區域出現環形鼓包。表面Al/Mg梯度結構更具有優異的防護性能。

在Ti/Al/nylon梯度結構與2024純鋁合金的對比實驗中，如圖11所示，與Al/Mg梯度結構的實驗結果類似，Ti/Al/nylon結構同樣展現出了優于純鋁合金的防護性能。具體表現在碎片幾乎均勻地分布在碎片云中，并沒有集中在射線軸上，碎片云的膨脹角也大于鋁合金。與鋁合金防護結構相比，Ti/Al/nylon防護結構后墻上在噴射區域散布的損傷程度更低、分布更少。張品亮等[66]提出改進型Ti/Al/Mg結構，研究發現具有高阻抗的鈦合金能夠在其表層產生更高的溫升和峰值載荷，能夠使彈丸破碎得更為充分。在等面密度情況下，Ti/Al/Mg結構的性能表現優于Al/Mg結構和2A12鋁合金結構。

輕質合金波阻抗梯度防護結構的質量輕、防護性能優異，相較于單一金屬材料的防護屏，梯度結構可形成雙層或多層結構。通過選取不同波阻抗材料、不同厚度尺寸等能夠實現不同的防護功能需求，可設計性極強是一種極具應用前景的輕質防護結構，同時也是未來超高速防護結構的發展趨勢。但是對多層防護結構的設計，在現有諸多文獻報道中忽略了多層結構中異種材料間的界面復合工藝和成形技術難點，即如何設計并能夠制造出具有實際應用價值的多層結構。此外，多數科研人員均采用平面薄板這一最為簡單的結構形式開展研究，對非平面的防護結構形式的探索較少。通過結構優化設計挑選出適用的組分材料后，如何將異種組分材料之間進行高效、高強的復合，并制備出具有復雜形狀的結構，以及針對非平面結構，即結構形式的改變對其防護性能有何具體影響和相關的結構破碎、波致失效機理、碎片云的理論模型特征、彈道極限方程等超高速沖擊研究的相關課題仍然有待進一步拓展。

圖10 鋁合金和Al/Mg防護結構在5.0 km/s撞擊速度下表面損傷形貌[65]

圖11 在球形彈沖擊速度為6.40～6.53 km/s時，Al2024和Ti/Al/nylon緩沖屏被穿孔后的照片對比[39]

4 結語

本文概述了鋁合金、鈦合金和鎂合金3類輕型合金在超高速沖擊載荷作用下的性能表現和微觀失效特征，介紹了近年來由輕型合金組成的波阻抗梯度結構的發展，對比了不同組合類型的防護性能優劣。目前，關于輕型合金在超高速沖擊領域的研究仍存在一些不足：

1）發生爆炸和空間碎片撞擊時，沖擊物往往是不規則形狀的破片，而現有的絕大部分研究中仍然以標準球形彈丸作為沖擊物開展實驗研究。防護結構的撞擊坑形貌特征與沖擊物的形狀和尺寸密切相關，因此，還需開展非規則形狀沖擊物對防護結構造成損傷的評估研究。

2）波阻抗梯度結構的設計仍多采用傳統輕質合金或結合纖維材料、高分子材料進行設計，對近年來涌現出的超材料、金屬極薄帶材在超高速防護結構的應用研究仍有欠缺。

3）目前，關于單一輕型合金的沖擊防護性能研究中，針對材料微觀組織結構的演化對其具體性能特征的影響均有大量分析探討，而對由輕型合金組成的波阻抗梯度結構在超高速撞擊后，多集中于表面宏觀形貌分析，缺乏對微觀組織結構失效機理的深入分析。

4）對波阻抗梯度結構的設計原則未能有統一標準，即限定結構的質量和尺寸后，如何針對性地選擇組分材料、各組分材料間尺寸優化設計應依據什么原則等并未充分進行討論。

針對上述研究內容的不足，提出建議如下：

1）改進輕氣炮實驗裝置的發射機構、加速裝置、增壓裝置、沖擊物夾持裝置等，提升輕氣炮的發射速度、發射質量和不規則形狀沖擊物的發射技術。采用超高速沖擊實驗和爆炸實驗相結合的技術手段，在地面實驗中獲取更接近實際超高速碰撞工況中極高應變率和急劇溫升變化中防護材料性能表現數據。

2）針對防護結構所用材料開展其本構方程、狀態方程、材料相變模型等理論研究，以提供更為準確的模型參數和包含沖擊條件的函數。結合有限元、顆粒法、機器深度學習等多種計算方法，同時借助豐富的材料分析技術和圖像分析技術，建立包含多種材料碎片云特征、穿孔形貌和尺寸、不同沖擊速度下微觀組織結構圖像等超高速各項性能的基因數據庫，提升計算仿真精度，降低實驗成本。

3）開展新型輕質材料在波阻抗梯度結構中的應用研究，探索研究如折紙結構、可編程超材料等新結構和超薄超輕材料的協同設計，分析材料和新結構形式對防護性能的影響規律。對新材料的應用不局限于僅提高其超高速防護性能，還可以綜合考慮如外太空中的防輻射功能、極端高低溫環境中的服役性能等。

[1] MUHAMMAD Y K, REHAN U, KAMRAN A K. Review of Recent Trends and Developments in Aluminium 7075 Alloy and Its Metal Matrix Composites （MMCs）for Aircraft Applications[J]. Results in Engineering, 2023, 20: 101372.

[2] DING Z R, WANG H Y, LUO J M, et al. A Review on Forming Technologies of Fibre Metal Laminates[J]. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture, 2021, 4: 110-126.

[3] NISHIDA M, KUZUYA K, HAYASHI K, et al. Effects of Alloy Type and Heat Treatment on Eject a and Crater Sizes in Aluminum Alloys Subjected to Hypervelocity Impacts[J]. International Journal of Impact Engineering, 2013, 54: 161-76.

[4] PONIAEV S A, KURAKIN R O, SEDOV A I, et al. Hypervelocity Impact of mm-Size Plastic Projectile on Thin Aluminum Plate[J]. Acta Astronaut, 2017, 135: 26-33.

[5] ZHANG Wei-gui, LI Kun, CHI Run-qiang, et al. Insights Into Microstructural Evolution and Deformation Behaviors of a Gradient Textured AZ31B Mg Alloy Plate under Hypervelocity Impact[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 37(32): 40-57.

[6] 張品亮. 47Zr45Ti5A13V合金的超高速撞擊特性研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2013.

ZHANG Pin-liang. Study on Hypervelocity Impact Characteristics of 47Zr45Ti5A13V Alloy[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2013.

[7] NISHIDA M, HIRAIVA Y, HAYASHI K, et al. Ejecta Cone Angle and Ejecta Size Following a Non-Perforating Hypervelocity Impact[J]. Procedia Engineering, 2015, 103: 444-449.

[8] CROZIER W D, HUME W. High-Velocity, Light-Gas Gun[J]. Journal of Applied Physics, 1957, 28(8): 892-894.

[9] SIGNETTI S, KLOMFASS A, RIEDEL W, et al. Simulation of Blast Propagation and Structural Effects of Accidental Hydrogen-Air-Mixture Explosion in a Two-Stage Light-Gas Gun Laboratory for Hypervelocity Impact Experiments[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2023, 85: 105138.

[10] 王金貴. 二級輕氣炮超高速彈丸發射技術的研究[J]. 高壓物理學報, 1992, 6(4): 264-272.

WANG Jin-gui. The Launching Technique of Hypervelocity Projectiles in two-Stage Light Gas Gun[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 1992, 6(4): 264-272.

[11] MAIDEN C J, McMILLAN A R. An Investigation of the Protection Afforded a Space Craft by a Thin Shield[J]. AIAA Journal, 1964, 2(11): 1992-1998.

[12] STILP A J. Review of Modern Hypervelocity Impact Facilities[J]. International Journal of Impact Engineering, 1987, 5: 613-621.

[13] PIEKUTOWSKI A J, POORMON K L. Impact of Thin Aluminum Sheets with Aluminum Spheres up to 9 km/s[J]. International Journal of Impact Engineering, 2008, 35: 1716-1722.

[14] CHHABILDAS L C, DUNN J E, REINHART W D, et al. An Impact Technique to Accelerate Flier Plates to Velocities over 12 km/s[J]. International Journal of Impact Engineering, 1993, 14: 121-32.

[15] WHIPPLE F L. Meteorites and Space Travel[J]. Astronomical Journal, 1947, 52: 132-137.

[16] 侯明強, 龔自正, 徐坤博, 等. 密度梯度薄板超高速撞擊特性的實驗研究[J]. 物理學報, 2014, 63(2): 024701.

HOU Ming-qiang, GONG Zi-zheng, XU Kun-bo, et al. Experimental Study on Hypervelo City Impact Characteristics of Density-Grade Thin-Plate[J]. Acta Physica Sinica, 2014, 63(2): 024701.

[17] 陳瑩, 陳小偉. 改進的Whipple防護結構與相關數值模擬方法研究進展[J]. 爆炸與沖擊, 2021, 41(2): 30-56.

CHEN Ying, CHEN Xiao-wei. A Review on the Improved Whipple Shield and Related Numerical Simulations[J]. Explosion and Shock Waves, 2021, 41(2): 30-56.

[18] MACLAY T D, CULP R D, BAREISS L, et al. Topographically Modified Bumper Concepts for Spacecraft Shielding[J]. International Journal of Impact Engineering, 1993, 14(1-4): 479-489.

[19] 鄭世貴, 閆軍. 空間碎片防護需求與防護材料進展[J]. 國際太空, 2014(6): 49-53.

ZHENG Shi-gui, YAN Jun. Requirements of Space Debris Protection and Progress of Protective Materials[J]. Space International, 2014(6): 49-53.

[20] COUR-PALAIS B G, CREWS J L. A multi-shock concept for spacecraft shielding[J]. International Journal of Impact Engineering, 1990, 10(1-4): 135-146.

[21] RYAN S, HEDMAN T, CHRISTIANSEN E. Honeycomb Vs. Foam: Evaluating Potential Upgrades to ISS Module Shielding[J]. Acta Astronautica, 2010, 67(7/8): 818-825.

[22] SCHONBERG W P, TULLOS R J. Spacecraft Wall Design for Increased Protection Against Penetration by Orbital Debris Impacts[J]. AIAA Journal, 1991, 29(2): 2207-2214.

[23] WEN K, CHEN X W, LU Y G. Research and Development on Hypervelocity Impact Protection Using Whipple Shield: An Overview[J]. Defence Technology, 2021, 17(6): 1864-1886.

[24] WANG A, WANG H, WU Y, et al. 3D Printing of Aluminum Alloys Using Laser Power Deposition: a Review[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 116: 1-37.

[25] COTTON J D, CLARK L P, PHELPS H R. Titanium Alloys on the F-22 Fighter Airframe[J]. Advanced Materials and Processes, 2002, 160: 25-28.

[26] MEYERS M A. Dynamic Behavior of Materials[M]. New York: Wiley, 1994.

[27] LUO Q, ZHAI C, GU Q F, et al. Experimental Study and Thermodynamic Evaluation of Mg-La-Zn System[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 814: 152297.

[28] AHMAD I R, SHU D W. Anisotropic Behaviour of AZ31B Sheet at High Strain Rates[J]. Applied Mathematic and Mechanics, 2012, 151: 726-730.

[29] WAN G, WU B L, ZHANG Y D, et al. Anisotropy of Dynamic Behavior of Extruded AZ31 Magnesium Alloy[J]. Mater Sci Eng A, 2010, 527: 2915-2924.

[30] KAUSHIK V, NARAIMHAN R, MISHRA R K. Experimental Study of Fracture Behavior of Magnesium Single Crystals[J]. Materials Science & Engineering A, 2014, 590: 174-85.

[31] TEGART M G. Independent Slip Systems and Ductility of Hexagonal Polycrystals[J]. Philos Mag, 1964, 9: 339-341.

[32] LIN J B, REN W J, WANG X Y, et al. Tension-Compression Asymmetry in Yield Strength and Hardening Behaviour of as-Extruded AZ31 Alloy[J]. Materials Science & Engineering A, 2016, 32: 1855-1860.

[33] WANG X, MAO P L, WANG R F, et al. Role of {101￣2} Twinning in the Anisotropy and ASYMMetry of AZ31 Magnesium Alloy under High Strain Rate Deformation[J]. Materials Science & Engineering A, 2020, 772: 138814.

[34] JIANG L, JONAS J J, LUO A A, et al. Influence of {10-12} Extension Twinning on the Flow Behavior of AZ31 Mg ALLOy[J]. Materials Science & Engineering A, 2007, 445-446: 302-309.

[35] 邸德寧, 陳小偉, 文肯, 等. 超高速碰撞產生的碎片云研究進展[J]. 兵工學報, 2018, 39(10): 2016-2047.

DI De-ning, CHEN Xiao-wei, WEN Ken, et al. A Review on the Study of Debris Cloud Produced by Normal Hypervelocity Impact Upon a Thin Plate[J]. Acta Armamentarii, 2018, 39(10): 2016-2047.

[36] 管公順, 哈躍, 龐寶君. 鋁球彈丸超高速斜撞擊薄鋁板特性研究[J]. 高壓物理學報, 2007, 21(4): 347-353.

GUAN Gong-shun, HA Yue, PANG Bao-jun. Investigation on Damage Characteristics of Thin Al-Plates by Oblique Hypervelocity Impact of Al-Sphere[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2007, 21(4): 347-353.

[37] KE F W, HUANG J, WEN X Z, et al. Test study on the Performance of Shielding Configuration with Stuffed Layer under Hypervelocity Impact[J]. Acta Astronaut, 2016, 127: 553-560.

[38] CORDERLEY G, MOSTERT F, KRUGER J J. Failure Modes in a Carbon/Titanium Fibre Metal Laminate under Hyper-Velocity Impact[J]. International Journal of Impact Engineering, 2019, 125: 180-187.

[39] ZHANG P L, XU K B, LI M, et al. Study of the Shielding Performance of a Whipple Shield Enhanced by Ti-Al-nylon Impedance-Graded Materials[J]. International Journal of Impact Engineering, 2019, 124: 23-30.

[40] PIEKUTOWSKI A J. Characteristics of Debris Clouds Produced by Hyper-Velocity Impact of Aluminum Spheres with Thin Aluminum Plates[J]. International Journal of Impact Engineering, 1993, 14: 573-586.

[41] KIM Y H, KANG M J, SIMPSON G, et al. Anisotropic Debris Cloud Formation after Hypervelocity Impact into Rolled Magnesium Alloy Plates[J]. International Journal of Impact Engineering, 2023, 182: 104754.

[42] 林木森, 龐寶君, 龔海鵬, 等. 球形彈丸超高速正撞擊Whipple防護結構損傷分析[J]. 宇航學報, 2009, 30(4): 1686-1692.

LIN Mu-sen, PANG Bao-jun, GONG Hai-peng, et al. Damage of 5A06 Whipple Shield Caused by Hypervelocity Impact of Al2017Sphere[J]. Journal of Astronautics, 2009, 30(4): 1686-1692.

[43] ZHANG W L, ZHANG X R, HE LJ, et al. The Damage Characteristics and Deformation Mechanism of Ultrahigh Strength 7055 Aluminum Alloy under Hypervelocity Impact[J]. International Journal of Impact Engineering, 2023, 180: 104718-1-10.

[44] BURTON G C P. The Shape Effect of Non-Spherical Projectiles in Hypervelocity Impacts[J]. International Journal of Impact Engineering, 2002, 26: 129-143.

[45] HOHLER V, STILP A J. Hypervelocity Impact of Rod Projectiles with L/D from 1 to 32[J]. International Journal of Impact Engineering, 1987, 5(1-4): 323-331.

[46] ORPHAL D L, ANDERSON C E, FRANZEN R R, et al. Variation of Crater Geometry with Projectile L/D for L/D<1[J]. International Journal of Impact Engineering, 1995, 17: 595-604.

[47] WALKER J D. A Model for Penetration by Very Low Aspect Ratio Projectiles[J]. International Journal of Impact Engineering, 1999, 23: 957-966.

[48] ITAGAKI Y, TAMURA H, WATANABE Y, et al. Effects of Head Shape of Projectiles on Hypervelocity Impact Cratering on Aluminum 5052 Alloy Targets at 7 km/s[J]. International Journal of Impact Engineering, 2019, 123: 38-47.

[49] KEITA T, HIDEKI T, YUTO I, et al. Hypervelocity Impact Cratering on 5052-Aluminum-Alloy Targets by Flat-Head Cylindrical Impactors of Multpatite Structure[J]. International Journal of Impact Engineering, 2022, 163: 104161.

[50] HE Y Y, ZHANG Z H, YANG S Y, et al. Deformation and Fracture Mechanism of Ti-6Al-4V Target at High And Hyper Velocity Impact[J]. International Journal of Impact Engineering, 2022, 169: 104312.

[51] LIAO S, DUFFY J. Adiabatic Shear Bands in a Ti-6Al-4V Titanium Alloy[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1998, 46(11): 2201-2231.

[52] PEIRS J, TIRRY W, AMIN-AHMADI B, et al. Microstructure of Adiabatic Shear Bands in Ti6Al4V[J]. Materials Characterization, 2013, 75:79-92.

[53] XUE Q, MEYERS M A, NESTERENKO V F. Self-organization of Shear Bands in Titanium and Ti-6Al-4V Alloy[J]. Acta Materialia, 2002, 50: 575-596.

[54] BOIDIN X, CHEVRIER P, KLEPAZKO J R, et al. Identification of Damage Mechanism and Validation of a Fracture Model Based on Mesoscale Approach in Spalling of Titanium Alloy[J]. International Journal of Solids and Structures 2006, 43: 4595-4615.

[55] KAI S, YU X, TAN C, et al. Influence of Adiabatic Shear Bands Intersection on the Ballistic Impact of Ti-6Al-4 V Alloys with Three Microstructures[J]. Materials Science & Engineering A 2014, 606: 257-267.

[56] KAI S, YU X, TAN C, et al. Effect of Microstructure on Adiabatic Shear Band Bifurcation in Ti-6Al-4 V Alloys under Ballistic Impact[J]. Materials Science & Engineering A, 2014, 595: 247-256.

[57] MOLINARI A, MUSQUAR C, Sutter G. Adiabatic Shear Banding in High Speed Machining of Ti-6Al-4V: Experiments and Modeling[J]. International Journal of Plasticity, 2002, 18(4): 443-459.

[58] LIU X, TAN C, ZHANG J, et al. Correlation of Adiabatic Shearing Behavior with Fracture in Ti-6Al-4 V Alloys with Different Microstructures[J]. International Journal of Impact Engineering, 2009, 36: 1143-1149.

[59] BLESS S J, GOOCH W, SATAPATHY S, et al. Penetration Resistance of Titanium and Ultra-Hard Steel at Elevated Velocities[J]. International Journal of Impact Engineering, 1997, 20(1): 121-129.

[60] ZOU D L, ZHEN L, ZHU Y, et al. Microstructure Evolution of Adiabatic Shear Bands in AM60B Magnesium Alloy under Ballistic Impact[J]. Materials Science & Engineering A, 2010, 527: 5728-5733.

[61] ZOU D L, ZHEN L, ZHU Y, et al. Deformed Microstructure Evolution in AM60B Mg Alloy under Hypervelocity Impact at a Velocity of 5 km/s[J]. Materials and Design, 2010, 31: 3708-3715

[62] 倪川皓, 徐強, 楊素媛, 等. 超高速碰撞AZ31鎂合金和純鐵靶板彈坑底部超細晶形成機制[J]. 稀有金屬, 2011, 35(6): 818-822.

NI Chuan-hao, XU Qiang, YANG Su-yuan, et al. Fine Grains Formation Mechanism of AZ31 Magnesium Alloy and Fe Target under Hypervelocity Impact[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2011, 35(6): 818-822.

[63] 鄭克勤, 張慶明, 龍仁榮, 等. 超高速撞擊波阻抗梯度材料形成的碎片云相變特性[J]. 兵工學報, 2021, 42(4): 773-780.

ZHENG Ke-qin, ZHANG Qing-ming, LONG Ren-rong, et al. Phase Transition Characteristics of Debris Cloud of Ti/Al/Mg Wave Impedance Gradient Material Subjected to Hypervelocity Impact[J]. Acta Armamentarii, 2021, 42(4): 773-780.

[64] HUI D, DUTTA P K. A New Concept of Shock Mitigation by Impedance-Graded Materials[J]. Composites PartB: Engineering, 2011, 42(8): 2181-2184.

[65] 張品亮, 宋光明, 龔自正, 等. Al/Mg波阻抗梯度材料加強型Whipple結構超高速撞擊特性研究[J]. 爆炸與沖擊, 2019, 39(12): 106-113.

ZHANG Pin-liang, SONG Guang-ming, GONG Zi-zheng, et al. Shielding Performances of a Whipple Shield Enhanced by Al/Mg Impedance-Graded Materials[J]. Explosion and Shock Waves, 2019, 39(12): 106-113.

[66] 張品亮, 曹燕, 陳川, 等. 波阻抗梯度材料加強型Whipple結構撞擊極限研究[J]. 爆炸與沖擊, 2022, 42(2): 60-68.

ZHANG Pin-liang, CAO Yan, CHEN Chuan, et al. Ballistic Limit of an Impedance-Graded-Material Enhanced Whipple Shield[J]. Explosion and Shock Waves, 2022, 42(2): 60-68.

[67] 宋光明, 李明, 龔自正, 等. 新型波阻抗梯度材料的數值仿真與試驗研究[J]. 空間碎片研究, 2017, 17(3): 20-25.

SONG Guang-ming, LI Ming, GONG Zi-zheng, et al. Numerical Simulation and Experimental Study of a New Graded Wave Impedance Materials[J]. Space Debris Research, 2017, 17(3): 20-25.

Research Progress on Hyper Velocity Impact Protection and Failure Mechanism of Lightweight Alloy

ZHANG Xiao-qiong1, WANG Tao1,2*

(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. State Key Laboratory of Metal Forming Technology and Heavy Equipment, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

The work aims to summarize the current research progress on impact damage modes and failure mechanisms of light metal alloys and composite laminates subject to hyper velocity impact loads. A large amount of relevant literature was collected and summarized and the latest research progress was sorted out and summarized from experimentaltechniques, experimental phenomena of visibility of light alloys under hyper velocity impact, and microstructure evolution mechanism of materials under high strain rate load. The shortcomings of current research on hyper velocity impact properties of light alloys are pointed out and some suggestions are put forward for future research directions, which can provide reference for future research directions of lightweight protective structure design in this field.

aluminum alloy; magnesium alloy; titanium alloy; hyper velocity impact; Whipple structure; impact protection; failure mechanism

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.21.004

2023-10-07

國家自然科學基金重點專項（U22A20188）；國家自然科學基金（51974196，12302479）；山西省科技重大專項（202101120401008）；山西省基礎研究計劃（20210302124691）

通信作者

TB484；O389

A

1001-3563(2023)21-0024-12

責任編輯：曾鈺嬋