氧含量對T2 純銅藥型罩EFP 成形影響的研究

胡延臣，鄧振宇，武虹竹，董聞達

（陸軍駐沈某單位，沈陽 110004）

爆炸成形彈丸（Explosively Formed Projectile，EFP）是一種具有大錐角、球缺罩及回轉雙曲線罩等特征的聚能裝藥裝置。在起爆后，藥型罩被爆炸載荷壓垮，迅速閉合形成一個高速杵體彈丸[1]，利用高速杵體彈丸的動能對裝甲類目標進行攻擊進而達到損毀目標的效果。

影響EFP 成形的因素較為復雜，EFP 成形失敗會失去對目標的打擊能力，造成不可估量的損失。近年來國內外專家學者對影響EFP 成形的因素如藥型罩材料[2-4]、形狀[5-8]、裝藥結構[9-11]、起爆方式[12]、殼體結構和可靠性[13-15]等開展了多方面的分析和研究。Herve 等[16]研究了弧錐結合形藥型罩材料對EFP 成形的影響規律。段建等[17]分析了裝藥密度及起爆方式對爆炸成形彈丸性能的影響。劉夯等[18]利用ANSYS/LS-DYNA 仿真軟件對EFP 成形過程進行了仿真建模，研究了不同裝藥長徑比對EFP 成形的影響，為選擇最佳裝藥長徑比提供了依據。陶鋼等[19]研究了殼體結構對EFP 的影響。

藥型罩的物理性能對EFP 成形有著重要的影響。近年來，藥型罩材質從單質的鐵、銅、鎳發展到了鉭鎢合金等，在材料選用方面呈現出多樣性，但應用最廣泛的仍是純銅。目前，針對純銅藥型罩材料晶粒度對 EFP 成形影響以及侵徹性能的研究較為普遍。Bourne 等[20]研究了初始藥型罩材料晶粒尺寸和結晶織構對聚能侵徹威力的影響。王鐵福等[21]利用靜破甲威力實驗和X 光射線照相技術對晶粒度為25～70 μm的4 種紫銅藥型罩進行了研究。胡晴航等[22]基于有限元方法研究了大塑性變形后的金屬流動行為和應變分布特征。Petit 等[23]研究了細晶銅材料力學性能及其在藥型罩領域的應用。但有關雜質元素對純銅藥型罩EFP 成形的影響鮮有報道。

由工程實踐可知，雜質元素對EFP 成形的影響十分顯著，因此有必要開展相關的研究。為了深入分析雜質元素對純銅藥型罩EFP 成形的影響，本文以T2 純銅藥型罩為研究對象，從微觀組織、沖擊韌性和高溫力學性能3 個方面進行了對比試驗，研究了氧含量對T2 純銅藥型罩EFP 成形的影響，并進行了靜爆試驗驗證。

1 試驗

1.1 方案

T2 純銅藥型罩材料執行GJB 1139—1991《專用純銅板規范》，成分含量執行GB/T 5231—2022《加工銅及銅合金牌號和化學成分》[24-25]，具體要求為：銅的質量分數≥99.90%，氧含量未作規定。

金屬銅材料的組織和性能分析主要包括化學成分、力學性能、硬度、壓縮性能、沖擊性能、扭轉和剪切性能、耐磨性能、疲勞性能、彈性性能[26]及顯微組織分析等。EFP 成形是在高溫、高應變條件下，金屬藥型罩發生塑性變形的過程。顯微組織、沖擊韌性和高溫力學性能3 項試驗能夠準確反映T2 純銅藥型罩的質量特性，因此，本文選取此3 項特性進行對比試驗。詳細試驗方案如下：1）結合工程實際，選取0.001%和0.09% 2 種氧含量（質量分數，下同）T2純銅藥型罩，分別編號為1 號（num1）和2 號（num2）；2）進行靜態顯微組織、動態沖擊韌性和高溫力學性能3 項對比試驗；3）在3 項對比試驗的基礎上進行靜爆威力試驗。

1.2 試驗條件

3 項對比試驗條件如下：1）顯微組織，使用SM-7001F 場發射電子掃描電鏡、Rigaku D/ Max-2500型X 射線衍射儀（XRD）等設備進行顯微組織測試，試驗溫度為室溫20 ℃；2）沖擊韌性，使用JBW-300B型沖擊試驗機，該型設備最大沖擊能量為 150 J/300 J，進行金屬夏比沖擊試驗，試驗缺口類型為V形，試驗溫度為室溫20 ℃；3）高溫力學性能，使用高溫萬能拉伸試驗機，試驗溫度為300、400、500 ℃。

2 試驗結果

2.1 顯微組織

1 號（num1）和2 號（num2）試樣的EBSD 形貌分別如圖1 和圖2 所示。采用EDS 能譜，分析2個不同位置第二相粒子的元素組成、質量分數、原子數分數，結果如圖3、圖4 和表1 所示。

表1 不同選區EDS 能譜分析結果Tab.1 Results of EDS spectrum analysis in different regions

圖1 1 號試樣EBSD 下的微觀圖Fig.1 Microscopic diagram of 1# sample under EBSD

圖2 2 號試樣EBSD 下的微觀圖Fig.2 Microscopic diagram of 2# sample under EBSD

圖3 位置1 能譜圖Fig.3 Energy spectrum at position 1

圖4 位置2 能譜圖Fig.4 Energy spectrum at position 2

2.2 沖擊韌性

沖擊韌性對比試驗結果如表2 所示。2 號（num2）試樣的沖擊功僅為1 號（num1）試樣的32%。

表2 沖擊韌性對比Tab.2 Comparison of impact toughness

2.3 高溫力學性能

高溫力學性能對比試驗結果如表3 所示。各溫度下的應力-應變曲線如圖5 所示。

表3 高溫力學性能對比Tab.3 Comparison of high-temperature mechanical properties

圖5 各溫度下的應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves at different temperature

由表3 和圖5 可知，在300 ℃時，2 號（num2）試樣比1 號（num1）試樣的抗拉強度降低了約8%，斷面收縮率降低了40%；在400 ℃時，抗拉強度降低了約20%，斷面收縮率降低了55%；在500 ℃時，二者抗拉強度相當，斷面收縮率降低了77%。

3 機理

由圖1 和圖2 可知，2 號（num2）試樣存在大量第二相粒子，主要分布在晶界處且呈團簇狀，1 號（num1）試樣僅少量存在第二相粒子。2 個試樣的晶粒度基本一致，大部分晶粒呈等軸晶狀態，晶粒大小相對分布均勻。2 個試樣中均有再結晶組織，說明退火去應力處理已完成。由表1 和圖3、圖4 可以看出，2 號（num2）試樣中分布的第二相為銅的氧化物，其中Cu、O 的原子比值約為2.1，其質量比值約為8.4。由此可判定該氧化物為Cu2O。

從沖擊韌性和高溫力學性能試驗結果來看，2 號（num2）試樣較1 號（num1）試樣的沖擊功出現大幅度降低，2 號（num2）試樣的抗拉強度均小于1 號（num1）試樣的，且隨溫度的升高，這種趨勢變大，同時2 號（num2）試樣的斷面收縮率降幅更為明顯。

氧作為T2 純銅雜質元素之一，難溶于銅，以Cu+Cu2O 共晶體的形式存在，Cu2O 屬于八面立方晶系，發生共晶反應后分布在晶界處，屬于硬而脆的金屬氧化物，它在1 號（num1）試樣中的含量較低，對T2 純銅的影響微乎其微，當含量達到一定程度時對T2 純銅材料的影響較大，因此氧含量應控制在一定范圍內。GB 5231—1985[27]規定：T2 純銅的氧含量應≤0.06%。分析認為，當Cu2O 在晶界分布時能降低材料的塑性和沖擊性能，同時Cu2O 的存在使銅基體在加工過程中具有“熱脆”傾向。Cu2O 在晶界處的偏聚導致T2 純銅藥型罩材料的質量特性發生了變化，沖擊性能降低，塑性降低。

綜上分析，當T2 純銅藥型罩氧含量達到0.09%時，極有可能對EFP 成形產生不利影響，可能會因為材料塑性、韌性下降，造成EFP 成形失敗。

4 動態試驗驗證

4.1 試驗條件

利用1 號（num1）試樣和2 號（num2）試樣各加工5 件藥型罩，開展靜爆威力對比驗證試驗，在距起爆點27 m 處架設激光高速攝影設備，逐發拍攝試驗過程，觀察EFP 成形狀態，通過裝甲板和紗網靶觀察彈著點數量和狀態。

4.2 試驗結果

1 號（num1）、2 號（num2）試樣杵體飛行高速攝影圖分別如圖6 和圖7 所示，其中在1 號（num1）試樣5 發試驗中EFP 均正常工作，形成的杵體完整，靶板均被穿透；在2 號（num2）試樣5 發試驗中，EFP 出現異常，杵體均發生了斷裂，靶板上出現了2個或多個著彈點，靶板均未被穿透。充分證明了2 號（num2）試樣含氧量高導致藥型罩材料塑性降低，在EFP 成形過程中，如圖8 所示，杵體在高溫、高應變率條件下發生斷裂，靜爆威力試驗失敗。

圖6 1 號試樣杵體飛行圖像Fig.6 Image of 1# sample slug in flight

圖7 2 號試樣杵體飛行圖像Fig.7 Image of 2# sample slug in flight

圖8 EFP 成形過程示意圖Fig.8 Diagram of the EFP forming process

5 結論

通過對2 種氧含量（0.001%和0.09%）的T2 純銅藥型罩進行顯微組織、沖擊韌性和高溫力學性能3項對比試驗和靜爆威力對比試驗，得出如下結論：

1）在相同工況條件下，當T2 純銅藥型罩材料氧含量較高時，試樣沖擊功、抗拉強度和斷面收縮率會大幅度降低，且隨著溫度的升高，抗拉強度和斷面收縮率降低效果更為顯著。

2）當氧含量達到一定程度時，在晶界處形成偏聚狀態的氧化亞銅，會降低T2 純銅的塑性和韌性。

3）氧含量會影響EFP 成形。含氧量高導致藥型罩材料塑性降低，在高溫、高應變率條件下發生斷裂，進而導致靜爆威力試驗失敗。