球形彈丸高速沖擊IN718 合金板的變形與破壞模式

摘要： 為研究IN718 鎳基高溫合金在高速沖擊作用下的抗侵徹能力，采用直徑為5 mm 的304 不銹鋼球形彈丸，利用二級輕氣炮試驗裝置對IN718 靶板進行了一系列彈道沖擊試驗。通過高速攝像機進行拍攝，彈丸的入射速度范圍為548.2～1 067.0 m/s。對彈丸的剩余速度進行了測量和分析，并對彈道極限速度進行了驗證，觀察了靶板的變形和破壞模式以及彈孔直徑。結果表明：在試驗沖擊范圍之內，隨著沖擊速度的升高，靶板的變形模式由撕裂破壞到剪切破壞轉變，靶板的穿甲破壞模式與沖擊速度密切相關；靶板能量吸收效率隨彈丸初始動能的增加而降低，且趨于常值0.7；靶板變形撓度隨著沖擊速度的升高呈減小趨勢，且最大變形撓度出現在彈道極限附近；靶板正面和背面所形成的彈孔直徑均隨著沖擊速度的升高而增大，且背面所形成的彈孔直徑大于前面所形成的彈孔直徑。

關鍵詞： IN718 鎳基高溫合金；彈道沖擊；彈道極限速度；變形與破壞模式；侵徹

中圖分類號： O347.3 國標學科代碼： 13015 文獻標志碼： A

作為一種典型的鎳基高溫合金，Inconel 718（IN718）鎳基高溫合金在高溫下表現出高強度、高耐磨以及耐腐蝕等優點，被廣泛應用于制造燃氣輪機、火箭發動機和渦輪葉片等結構部件[1-3]。在發動機運行期間，由于螺栓脫落、外物飛入、鳥擊等因素[4]，可能會導致IN718 合金結構部件受到嚴重的高速沖擊損傷或破壞，進而危及飛機飛行安全。因此，研究IN718 合金在高速沖擊下的變形與破壞模式，確定其彈道性能，對其在工業方面的應用具有重要意義[5-8]。

目前，學者們致力于IN718 合金在不同類型載荷下的變形損傷研究，如準靜態試驗[9-11]、循環載荷[12-13]以及分離式霍普金森桿載荷[14-16] 等。然而，目前針對IN718 合金彈道性能的研究較少，例如：Pereira 等[17]采用圓柱形Ti-6Al-4V 彈丸，以150～300 m/s 的速度對分別考慮退火和老化條件的平板材料進行沖擊試驗，在退火材料中發現了最佳的撞擊行為，研究了熱處理Inconel 718 對彈道沖擊響應和失效機制的影響。Erice 等[18] 通過改變溫度參量，對Inconel 718 合金板進行了彈道沖擊試驗和數值模擬，提出了與Lode 角相關失效準則的耦合彈塑性損傷本構模型。Liu 等[19] 和劉焦等[20] 在25～600 °C 的溫度范圍內，對GH4169 合金薄板開展了初始速度在110～187 m/s 的彈道沖擊試驗和數值模擬，研究了溫度和初始速度對靶板的變形、破壞模式和能量吸收的影響。Rodríguez-Millán 等[21] 從彈道沖擊試驗和數值模擬兩方面分析了彈丸幾何形狀對Inconel 718 鋼板彈道性能的影響，確定了不同彈丸幾何形狀在高達200 m/s 速度下的彈道極限、失效機制和板吸收的能量。吳軻[22] 在70～200 m/s 的入射速度范圍內，采用彈片對GH4169 高溫合金靶板進行了一系列的彈靶試驗，通過高速攝影觀察了靶板在不同加筋結構和不同沖擊速度下的沖擊過程，進而分析了靶板的宏觀破壞形式和損傷機理。譚學明等[23] 采用GCr15 彈丸對不同厚度的GH4169 靶板進行了一系列彈道沖擊試驗，入射速度范圍為96.7～314.2 m/s，分析了沖擊載荷作用下靶板的變形、破壞模式和失效機理等。綜上可知，目前對IN718 合金靶板已經進行了一些彈道沖擊試驗和數值模擬方面的研究，但研究成果主要集中于對高溫或低速沖擊作用下的研究，對高速沖擊方面的研究報道較少。然而，航空發動機在工作過程中，渦輪發動機轉子（葉片等）處于高速運轉狀態[23]，因此，有必要研究IN718 合金在高速沖擊荷載作用下的變形、破壞模式和失效機理，進而開展相應的彈道沖擊試驗研究。

為獲得IN718 合金靶板在球形彈丸高速沖擊下的變形、破壞模式和失效機理，本文中，擬采用二級輕氣炮和2 mm 厚的IN718 合金靶板進行一系列彈道沖擊試驗，研究304 不銹鋼球形彈丸對IN718 合金的彈道侵徹，入射速度范圍為548.2～1 067.0 m/s，獲得其隨沖擊速度變化的動態響應特性，以期為航空航天領域中發動機關鍵部件的理論設計提供支撐。

1 彈道沖擊試驗

1.1 試件設計

金屬靶板和球形彈丸的主要幾何尺寸如圖1 所示。彈體選用球形彈丸，材料為304 不銹鋼，直徑D=5 mm，彈丸質量為0.51 g，幾何參數如圖1（a） 所示。靶體為IN718 鎳基高溫合金薄板，試驗中設計為正方形，尺寸為50 mm×50 mm，厚度為2 mm，幾何參數如圖1（b） 所示。

1.2 試驗裝置

在膛徑為20 mm 的二級輕氣炮上進行了一系列彈道沖擊試驗，試驗裝置如圖2 所示。本試驗采用脫殼彈分離方法，發射直徑為5 mm 的304 不銹鋼球形彈丸[24]，聚碳酸酯彈托由2 個帶齒的半片組成，為球形彈丸提供支撐。當向電磁閥發送點火信號時，第1 級中的活塞在高壓氣體（He 或N2）作用下進行加速，當第1 級和第2 級之間的隔膜破裂時，聚碳酸酯彈托和彈丸組件在第2 級氣槍槍管中繼續加速。射出槍口時，用光束阻擋系統測量彈丸速度，該系統還向光源和高速攝像機發送觸發信號。離開槍管后，由于空氣動力學原因，彈托和彈丸在隨后的飛行過程中自動分離[25]（圖2 插圖）。彈托被鋼塊阻擋，球形彈丸撞擊IN718 合金樣本。撞擊過程中的陰影由轉向鏡傳遞到以160 000 s?1 幀率運行的高速攝像機中。通過高速攝像機拍攝的彈丸快照計算得出彈丸的初始速度vi 在548.2～1 067.0 m/s 范圍內。

2 試驗結果與討論

2.1 侵徹過程

采用304 不銹鋼球形彈丸對IN718 合金靶板進行了7 發彈道沖擊試驗，依據高速攝像機獲取的侵徹過程的圖像資料，計算出彈體的初始速度和彈體穿透靶板后的剩余速度vr、彈體穿透靶板前后的速度差vd 等，計算結果如表1 所示。表中：Ei 為彈體初始撞擊動能，Er 為彈體穿透靶板后的剩余動能，Ed 為彈體穿透靶板前后的動能改變量。

304 不銹鋼球形彈丸分別以3 種代表性初始速度（548.2、748.0 和1 067.0 m/s）撞擊IN718合金靶板，侵徹過程如圖3（偽彩色）所示。本文中將球形彈丸首次接觸目標表面的瞬間定義為時間零點（t=0 μs）。在低速（548.2 m/s）狀態下，彈丸撞擊目標靶板后，靶板首先產生局部變形，然后形成凸起，彈丸深入靶板，并被困在彈坑內，沖塞脫落，沒有觀察到碎片，如圖3（a） 所示。在高速（748.0 和1 067.0 m/s）狀態下，一旦彈丸到達目標，彈丸侵徹靶板，伴隨大量閃光，可以在撞擊表面觀察到碎片。隨著彈丸初始速度vi 的升高，可以觀察到伴隨的閃光增大，射流攜帶的碎片顆粒的數量隨著初始速度的升高而顯著增加，碎片尺寸隨著初始速度的升高而不斷減小。如圖3（b）～（c） 所示。

2.2 彈道極限速度

使用改進的Recht-Ipson（R-I）模型[26] 來預測剛性球形彈丸的剩余速度。基于能量和動量守恒，并結合試驗修正得到R-I 模型的表達式：

vr = a（vpi-vpbl）1=p （1）

式中：vbl為彈道極限速度，為試驗中最大未穿透速度與最小穿透速度的平均值[27]；a、p為擬合參數。利用最小二乘法得到a 和p ，擬合結果如圖4 中紅色實線所示，擬合參數如表2 所示。

為了更好地研究球形彈丸的彈道極限，將彈丸的殘余動能與初始動能之比定義為能量吸收效率（Ea），靶板的能量吸收效率為：

式中：mp 為彈丸的質量。

圖5 給出了靶板的能量吸收效率與不同沖擊速度下彈丸初始動能之間的關系。從圖5 可以看出，靶板的能量吸收效率隨著彈丸初始動能的增加而降低，且降低速率逐漸減小，并趨于平緩。當沖擊速度在548.2～574.0 m/s 范圍內時，能量吸收效率下降最快； 當沖擊速度升高至574.0～935.0 m/s 時，靶板的能量吸收效率逐漸降低；當沖擊速度繼續升高至1 067.0 m/s 時，靶板的能量吸收效率下降不明顯。因此，在一定的沖擊速度范圍內，靶板的能量吸收效率變化明顯，靶板能量吸收效率的最大值出現在彈道極限速度附近。隨著沖擊速度繼續升高，靶板能量吸收效率趨于常值0.7。能量吸收效率的變化情況與文獻[28] 中球形彈丸沖擊6061-T651 鋁合金試驗中靶板能量吸收效率與初始動能的變化規律相似。

2.3 靶板變形撓度分析

圖6 給出了IN718 合金靶板在不同沖擊速度下的最大變形撓度，最大變形撓度使用高度尺測量沖擊后的靶板獲得。由圖6 可知，靶板所產生的最大變形撓度為5.26 mm，此時沖擊速度為548.2 m/s，IN718 合金靶板變形撓度的最大值出現在彈道極限速度附近，與文獻[29-30] 中的結論相同。彈丸擊穿靶板，且彈丸沖擊速度低于787.0 m/s 時，靶板的最大變形撓度隨沖擊速度的升高近似呈線性下降趨勢，與文獻[22] 中曲線的走勢大致相同。當沖擊速度高于935.0 m/s 時，靶板最大變形撓度隨著沖擊速度的升高反而出現了上升現象，分析可能是由于高速沖擊作用下彈丸發生了旋轉和變形。

2.4 靶板破壞模式分析

試驗工況1、2 和7 的沖擊速度分別為低于、略高于和遠高于彈道極限，靶板變形如圖7 所示。從圖7可以看出，當初始速度vi=548.2 m/s，即低于彈道極限（vi＜vbl）時，彈丸未能擊穿靶板，靶板經歷彎曲和背部隆起，球形彈丸嵌入靶板之中，靶板背面沖塞脫落。靶板的主要失效模式為局部盤隆起，彈丸撞擊產生的應力超過了材料的抗剪強度，從而形成擠鑿破壞的脆性失效（見圖7（a））。當初始速度vi=574.0 m/s，即略高于彈道極限（vi＞vbl）時，彈丸擊穿靶板，彈靶作用時間縮短，靶板在經歷背部隆起和碟形變形后，在彈孔周圍可以觀察到花瓣狀的孔緣，靶板的整體彎曲變形程度和范圍逐漸減小，彈體從靶板上剪下的失效塊成塊狀。靶板失效模式為局部盤隆起，產生碟形變形，最后發生脆性靶板的背面花瓣形破壞（見圖7（b））。當沖擊速度繼續升高，初始速度vi=1 067.0 m/s，即遠高于彈道極限（vi vbl）時，彈丸擊穿靶板，彈靶作用時間進一步縮短，靶板變形擴展速度高于塑性波速，靶板不會出現典型的碟形變形，局部出現一定的彎曲變形，但變形并不明顯，彈體從靶板上剪下的失效塊成粉末狀。靶板的失效模式為局部盤輕微隆起，彈體穿透后發生韌性靶板的孔口擴展型破壞（見圖7（c））。因此，靶板的變形和破壞模式與其初始沖擊速度密切相關。靶板在高速沖擊過程下的主要破壞模式發生了由脆性靶板破壞到韌性靶板破壞的轉變，且隨著沖擊速度的升高，彈靶作用時間縮短（見圖3），背部隆起時間也隨之縮短，靶板的整體彎曲變形程度和范圍逐漸減小，失效塊尺寸也隨之不斷減小。由于球形彈丸初始沖擊速度的不同，彈丸與靶板之間形成的作用力大小和作用時間也存在一定的差異，因而產生了不同的穿甲破壞模式。

圖8 給出了彈孔直徑Dh 與彈體初始沖擊速度的關系。為了更好地描述靶板在球形彈丸高速沖擊后變形區域的破壞情況，定量分析了靶板彈孔直徑Dh 與沖擊速度之間的關系。通過測量彈孔正面和背面各個方向過圓心的距離，取其平均值作為正面和背面彈孔直徑。由圖8 可知，在沖擊速度范圍內，靶板正面彈孔直徑隨著沖擊速度的升高近似呈線性增長，且均大于彈丸直徑（5 mm）。靶板背面彈孔直徑隨著沖擊速度的升高而增大，但增大速率在不斷減小，與文獻[22]中2 mm 靶板的發展趨勢一致。在穿孔情況下（vi≥vbl），由于彈丸變形，靶板正面和背面所形成的彈孔直徑均隨初始速度的升高而增大，且背面形成的彈孔直徑大于正面的彈孔直徑，分析是由于拉伸失效主要發生在靶板背面所致。

3 結 論

在二級輕氣炮上開展了直徑為5 mm 的304 不銹鋼球形彈丸沖擊IN718 合金靶板的彈道試驗，沖擊速度在548.2～1 067.0 m/s 之間，得到以下主要結論。

（1） 靶板在高速沖擊過程下的主要破壞模式由脆性破壞轉變到韌性破壞，耗能機制隨之改變。隨著沖擊速度的升高，彈靶作用時間隨之縮短，背部隆起和彎曲變形逐漸減小，其變形更加局部化，雖然局部出現一定的彎曲變形，但變形并不明顯，且失效塊尺寸隨之不斷減小。因此，靶板的變形和破壞模式與彈丸的初始沖擊速度密切相關。

（2） 靶板的能量吸收效率隨著彈丸初始動能的增加而降低，且降低速率逐漸減小，靶板能量吸收效率的最大值出現在彈道極限速度附近，靶板能量吸收效率趨于常值0.7。

（3） 在沖擊速度范圍內，彈丸擊穿靶板后，靶板的最大變形撓度隨沖擊速度的升高整體呈下降趨勢。靶板正面和背面形成的彈孔直徑均隨著初始速度的升高而增大，且背面形成的彈孔直徑大于正面的彈孔直徑。

參考文獻：

[1]《中國航空材料手冊》編輯委員會. 中國航空材料手冊2： 變形高溫合金、鑄造高溫合金 [M]. 北京： 中國標準出版社，1989.

[2]CHEN Y D， HUA J Y， FAN D， et al. High-speed projectile perforation of nickel-based Inconel 718 superalloy plates：experiments and modeling [J]. Thin-Walled Structures， 2023， 192： 111181. DOI： 10.1016/j.tws.2023.111181.

[3] 莊景云， 杜金輝， 鄧群. 變形高溫合金 GH4169 組織與性能 [M]. 北京： 冶金工業出版社， 2011： 1–3.

[4]HE Q， XUAN H J， LIU L L， et al. Perforation of aero-engine fan casing by a single rotating blade [J]. Aerospace Science and"Technology， 2013， 25（1）： 234–241. DOI： 10.1016/j.ast.2012.01.010.

[5]BIAN Y L， LIU Q， FENG Z D， et al. High-speed penetration dynamics of polycarbonate [J]. International Journal of"Mechanical Sciences， 2022， 223： 107250. DOI： 10.1016/j.ijmecsci.2022.107250.

[6]HUA J Y， LIU Q， YANG H， et al. High-speed penetration of cast Mg-6Gd-3Y-0.5Zr alloy： experiments and modeling [J].International Journal of Mechanical Sciences， 2023， 241： 107942. DOI： 10.1016/j.ijmecsci.2022.107942.

[7]

LIU Q， HUA J Y， XU Y F， et al. Ballistic penetration of high-entropy CrMnFeCoNi alloy： experiments and modelling [J].International Journal of Mechanical Sciences， 2023， 249： 108252. DOI： 10.1016/j.ijmecsci.2023.108252.

[8]SCIUVA M D， FROLA C， SALVANO S. Low and high velocity impact on Inconel 718 casting plates： ballistic limit and"numerical correlation [J]. International Journal of Impact Engineering， 2003， 28（8）： 849–876. DOI： 10.1016/S0734-743X（02）00156-2.

[9]SANG L J， LU J X， WANG J， et al. In-situ SEM study of temperature-dependent tensile behavior of Inconel 718 superalloy [J].Journal of Materials Science， 2021， 56（28）： 16097–16112. DOI： 10.1007/s10853-021-06256-8.

[10]ZHANG D Y， FENG Z， WANG C J， et al. Comparison of microstructures and mechanical properties of Inconel 718 alloy"processed by selective laser melting and casting [J]. Materials Science and Engineering： A， 2018， 724： 357–367. DOI： 10.1016/j.msea.2018.03.073.

[11]鄒品. GH4169 高溫動態本構模型與高速沖擊性能研究 [D]. 南京： 南京航空航天大學， 2018.

ZOU P. Research on dynamic constitutive model at high temperatures and high speed impact performance of GH4169 [D].Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2018.

[12]宋宗賢. 基于SLM 成形的Inconel718 鎳基高溫合金超高周疲勞斷裂機理研究 [D]. 太原： 太原科技大學， 2021. DOI：10.27721/d.cnki.gyzjc.2021.000100.

SONG Z X. Study on ultrahigh cycle fatigue fracture mechanism of Inconel718 nickel-based superalloy formed by SLM [D].Taiyuan： Taiyuan University of Science and Technology， 2021. DOI： 10.27721/d.cnki.gyzjc.2021.000100.

[13]王建國， 王紅纓， 王連慶， 等. GH4169 合金高溫多軸低周疲勞壽命預測 [J]. 機械強度， 2008（2）： 324–328. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2008.02.005.

WANG J G， WANG H Y， WANG L Q， et al. Fatigue life prediction for GH4169 superalloy under multi-axial cyclic loading at"650 °C [J]. Journal of Mechanical Strength， 2008（2）： 324–328. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2008.02.005.

[14]LEE W S， LIN C F， CHEN T H， et al. Dynamic impact response of Inconel 718 alloy under low and high temperatures [J].Materials Transactions， 2011， 52（9）： 1734–1740. DOI： 10.2320/matertrans.M2011130.

[15]SHOCKEY D A， SIMONS J W， BROWN C S， et al. Shear failure of Inconel 718 under dynamic loads [J]. Experimental"Mechanics， 2007， 47（6）： 723–732. DOI： 10.1007/s11340-007-9068-2.

[16]KOBAYASHI T， SIMONS J W， BROWN C S， et al. Plastic flow behavior of Inconel 718 under dynamic shear loads [J].International Journal of Impact Engineering， 2008， 35（5）： 389–396. DOI： 10.1016/j.ijimpeng.2007.03.005.

[17]PEREIRA J M， LERCH B A. Effects of heat treatment on the ballistic impact properties of Inconel 718 for jet engine fan"containment applications [J]. International Journal of Impact Engineering， 2001， 25（8）： 715–733. DOI： 10.1016/S0734-743X（01）00018-5.

[18]ERICE B， PéREZ-MARTíN M J， GáLVEZ F. An experimental and numerical study of ductile failure under quasi-static and"impact loadings of Inconel 718 nickel-base superalloy [J]. International Journal of Impact Engineering， 2014， 69： 11–24. DOI：10.1016/j.ijimpeng.2014.02.007.

[19]LIU J， ZHENG B L， ZHANG K， et al. Ballistic performance and energy absorption characteristics of thin nickel-based alloy"plates at elevated temperatures [J]. International Journal of Impact Engineering， 2019， 126： 160–171. DOI： 10.1016/j.ijimpeng.2018.12.012.

[20]劉焦， 鄭百林， 楊彪， 等. 鎳基合金薄板不同溫度下的彈道沖擊行為 [J]. 航空材料學報， 2019， 39（1）： 79–88. DOI： 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000045.

LIU J， ZHENG B L， YANG B， et al. Ballistic impact behavior of thin nickel-base alloy plates at different temperatures [J].Journal of Aeronautical Materials， 2019， 39（1）： 79–88. DOI： 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000045.

[21]RODRíGUEZ-MILLáN M， DíAZ-áLVAREZ A， BERNIER R， et al. Experimental and numerical analysis of conical"projectile impact on Inconel 718 plates [J]. Metals， 2019， 9（6）： 638. DOI： 10.3390/met9060638.

[22]吳軻. GH4169 高溫合金加筋結構機匣抗沖擊能力研究 [D]. 南京： 南京航空航天大學， 2019. DOI： 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000311.

WU K. Research on impact resistance of GH4169 casing in the form of stiffened structure [D]. Nanjing： Nanjing University of"Aeronautics and Astronautics， 2019. DOI： 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000311.

[23]譚學明， 郭偉國， 林棟， 等. GCr15 彈丸沖擊不同厚度GH4169 板的變形與破壞模式試驗研究 [J]. 振動與沖擊， 2022，41（7）： 199–206.

TAN X M， GUO W G， LIN D， et al. Tests for deformation and failure modes of GH4169 plates with different thickness under"GCr15 projectile impact [J]. Journal of Vibration and Shock， 2022， 41（7）： 199–206.

[24]KAWAI N， TSURUI K， HASEGAWA S， et al. Single microparticle launching method using two-stage light-gas gun for"simulating hypervelocity impacts of micrometeoroids and space debris [J]. Review of Scientific Instruments， 2010， 81（11）：115105. DOI： 10.1063/1.3498896.

[25]SHARMA P， CHANDEL P， BHARDWAJ V， et al. Ballistic impact response of high strength aluminium alloy 2014-T652subjected to rigid and deformable projectiles [J]. Thin-Walled Structures， 2018， 126： 205–219. DOI： 10.1016/j.tws.2017.05.014.

[26]RECHT R F， IPSON T W. Ballistic perforation dynamics [J]. Journal of Applied Mechanics， 1963， 30（3）： 384–390. DOI： 10.1115/1.3636566.

[27]鄧云飛， 張偉， 曹宗勝， 等. 疊層順序對雙層A3 鋼薄板抗侵徹性能的影響 [J]. 爆炸與沖擊， 2013， 33（3）： 263–268. DOI：10.11883/1001-1455（2013）03-0263-06.

DENG Y F， ZHANG W， CAO Z S， et al. Influences of layer order on ballistic resistance of double-layered thin A3 steel plates [J].Explosion and Shock Waves， 2013， 33（3）： 263–268. DOI： 10.11883/1001-1455（2013）03-0263-06.

[28]DENG Y F， WU H P， ZHANG Y， et al. Experimental and numerical study on the ballistic resistance of 6061-T651 aluminum"alloy thin plates struck by different nose shapes of projectiles [J]. International Journal of Impact Engineering， 2022， 160：104083. DOI： 10.1016/j.ijimpeng.2021.104083.

[29]RODRíGUEZ-MILLáN M， VAZ-ROMERO A， RUSINEK A， et al. Experimental study on the perforation process of 5754-H111 and 6082-T6 aluminium plates subjected to normal impact by conical， hemispherical and blunt projectiles [J].Experimental Mechanics， 2014， 54（5）： 729–742. DOI： 10.1007/s11340-013-9829-z.

[30]RODRIGUEZ-MILLáN M， GARCIA-GONZALEZ D， RUSINEK A， et al. Perforation mechanics of 2024 aluminium"protective plates subjected to impact by different nose shapes of projectiles [J]. Thin-Walled Structures， 2018， 123： 1–10. DOI：10.1016/j.tws.2017.11.004.

（責任編輯 蔡國艷）

基金項目： 國家自然科學基金（11672278）