收稿日期:20131115
基金项目：爆炸科学与技术国家重点实验室自主基金资助项目(Y B K T 12-02)；国家自然科学基金资助项目(11202028) ；北京理工大学优秀青年教师基金资助项目(2011Y R 0203
)作者简介：邹浩(1988 )，男，硕士生.通信作者：黄广炎(1982 )，男，讲师,E -m a i l :h u a n g g y
@b i t .e d u .c n .第33卷 增刊22013年12月
北京理工大学学报
T r a n s a c t i o n s o fB e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y
V o l .33 S u p p
l .2D e c .2013
邹浩1, 黄广炎1, 冯顺山1, 郭洪2, 何亚斌2, 康泰峰2
(1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081;
2.中核北方核燃料元件有限公司，内蒙古，包头 014035
)摘 要：为研究铀钛破片的冲击侵彻特性，基于弹道驱动试验平台，测试了钛质量分数为0.5%~1.0%的5种典型钛合金破片对10mm A 3钢板的侵彻性能，获得了5种不同质量分数钛的铀钛合金破片对钢靶板侵彻前后的速度㊁质量㊁动能变化数据.实验结果表明，铀钛合金破片侵彻钢靶时发出明亮火光，靶板的破坏形式以冲塞为主，并伴随有延性扩孔现象.此外，钛质量分数为0.9%的破片动能损失最小，钛质量分数为0.75%的破片对靶板造成的剪切破坏最大. 关键词：铀钛合金；侵彻；自锐效应
中图分类号:E 912 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2013)增刊2-0182-04
E x p e r i m e n t a l S t u d y o
nP e n e t r a t i o nC h a r a c t e r i s t i c s o fU -T iA l l o y F r a g
m e n t s Z O U H a o 1, HU A N G G u a n g -y a n 1, F E N GS h u n -s h a n 1,G U O H o n g 2, H EY a -b i n 2, K A N G T a i -
f e n
g 2
(1.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fE x p l o s i o nS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ,B e i j i n g 1
钩子程序00081,C h i n a ;2.C h i n aN o r t hN u c l e a rF u e l C o .L t d ,B a o t o u ,I n n e rM o g
o l i a r 014035,C h i n a )A b s t r a c t :U r a n i u m -t i t a n i u m a l l o y f r a g m e n t sa r ec h a r a c t e r i z e db y h i g h d e n s i t y a n di m p r e s s i v e p e n e t r a t i o n c a p a b i l i t y .B a s e do nt h ef i r e g u nd r i v i n gp l a t f o r m ,f i v ek i n d so f t y p i c a l f r a g m e n t s w i t h t i t a n i u mc o n t e n t o f 0.5%~1.0%w e r e t e s t e dw i t h t h e f r a g m e n t s p e n e t r a t i n g i n t o t a r g
e t o
眼模f A 3s t e e l p l a t e t os t u d yp e n e t r a t i o nf e a t u r e so fu r a n i u m -
t i t a n i u ma l l o y f r a g m e n t s .T h e t e r m i n a l b a l l i s t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f u r a
n i u m -t i t a n i u m a l l o y f r a g m e n t s p e n e t r a t i n g s t e e l t a r g e t w e r e o b t a i n e d .A n d m a s s ,v e l o c i t y a n dk i n e t i ce n e r g y c h a n g e so fd i f f e r e n tr e c i p e sa f t e rf r a g m e n t s p e n e t r a t i o nw e r e s t u d i e d i n t h e e x p e r i m e n t s .T h e e x p e r i m e n t s s h o wt h a t b r i g h t l i g
h t i s p r o d u c e d a sm a i n p e n e t r a t o r h i t t i n g t a r g e t .D a m a g e f o r mo f s t e e l p l a t e sm a i n l y i s p l u g g i n g a
n dc o m b i n e s w i t hd u c t i l i t yp e n e t r a t i o n .F u r t h e r m o r e ,f r a g m e n t o f t i t a n i u mc o n t e n t o f 5%h a s t h em i n i m u m l o s s o fk i n e t i ce n e r g y .F r a g
m e n to ft i t a n i u m c o n t e n to f0.75%c a nc a u s e m o s ts e r i o u ss h e a r d a m a g
e .K e y w o r d s :U -T i a l l o y s ;p e n e t r a t i o n ;s e l
f -s h a r p e f f e c t 本文研究的铀钛合金(U -T i
)，不仅具有媲美钨合金(WH A )
的高强度，还具备自锐㊁燃烧的特点，这种材料早在70年代已作为弹芯材料应用于各类
药中[1]
.
目前国内外主要以铀钛弹芯材料为对象展开研究，重点分析了U-0.75%T i合金的力学性能㊁铀钛合金长杆侵彻效能及影响因素㊁铀钛合金冲击条件下的燃烧效应等[24]，而铀钛合金破片对典型目标的自锐性侵彻作用机理以及不同配方铀钛合金破片的侵彻性能差异的研究工作几乎为空白.为研究典型配方的铀钛合金材料破片的侵彻特性，文中选用13.2mm弹道加载实验平台，试验研究了圆柱形铀钛合金破片的侵彻效应，通过分析高速摄影图像㊁靶板破坏情况和剩余破片状态来评价钛质量分数分别为0.5%~1.0%的5种铀钛合金的侵彻过程特点及侵彻能力.
1实验方案
1.1实验设置
实验用破片材料分别采用钛为0.5%㊁0.6%㊁0.75%㊁0.9%㊁1.0%的铸态铀钛合金，破片详细参数见表1.破片尾部粘连尼龙弹托，通过火药气体驱动弹托对破片实现平稳加载.
表1实验破片参数
T a b.1P a r a m e t e r s o f t e s t e d f r a g m e n t s
序号材料成分破片直径ˑ厚度/
(mmˑmm)破片质量/g
1U-0.5%T i11.2ˑ20.2036.95
2U-0.6%T i11.2ˑ19.0034.88
3U-0.75%T i11.8ˑ20.2636.79
4U-0.9%T i11.2ˑ20.0035.96
5U-1.0%T i11.2ˑ20.1235.69
实验采用13.2mm弹道实验平台发射破片，通过调整制式药筒的火药量将破片着靶速度控制在400m/s附近.10mm厚的A3钢板作为靶板在距口1.5m处.为回收侵彻后的铀钛合金破片，在靶架后方两米处设有内部填充了细软沙的破片回收沙包，整个实验平台布置如图
图1实验平台示意图
F i g.1S c h e m a t i c o f e x p e r i m e n t a l p l a t f o r m
实验过程采用高速摄影仪观测破片穿靶过程，并通过其内部自带软件测定破片速度.1.2实验过程
分别对5种不同材料成分的破片开展了进行侵彻实验，通过高速摄影观察,U-T i合金破片对钢靶板的侵彻作用可分为3个阶段：前驱着靶㊁主体侵彻㊁靶板贯穿.
前驱是指弹道发射后最先出炮口，飞行速度大约在900~1100m/s的物体，如图2所示.前驱物的尺寸较小，图2(a)中可清晰分辨3个形状不同，距离很近，且无光亮的前驱物体.图2(b)与图2(d)中前驱物先后着靶，前驱撞击靶板后，通常在靶板正面激起尘埃或产生微弱火光，靶板背面观察不到产生火光㊁塞块等贯穿现象.图2(a)与图2(c)时间间隔为998μs，图2(b)与图2(d)时间间隔为207μs，前驱着靶后仅在靶板正面产生溅射，靶板背面无反应.
图2侵彻实验照片
F i g.2 P i c t u r e s o f t h e p r e c u r s o r t e s t
在前驱物体陆续着靶后，弹道线上出现轮廓清晰的耀眼火团，火团脱离炮口沿弹道线撞向靶板，火团
着靶时间与前驱着靶时间相差2500~3000μs，如图3.可以观察到一个由火团包裹尺寸较大的侵彻体，该侵彻体的速度为460m/s，侵彻体着靶后发生剧烈反应，产生明亮光焰，并形成塞块，如图4所示.经过58μs该侵彻体撞击靶板形成的塞块与靶板完全分离,124μs后破片完全贯穿靶板.侵彻后破片剩余速度为161m/s，塞块速度为306m/s.
由于前驱物尺寸较小，而且着靶后未体现出侵彻性，也不产生明显的光焰，可以判断前驱物并非铀
381
增刊2邹浩等：铀钛合金破片侵彻特性的实验研究
图3 第1发火团着靶前
F i g .3 S i t u a t i o nb e f o r e p r e c u r s o r h i t t i n g o
fN o .1t e s t
图4 第1发塞块脱离靶板
F i g .4 P l u g d e p a r t e d f r o mt a r g
e t o fN o .1t e s t
透射电镜样品制备
钛合金破片，可能是缠绕在破片周围的胶布弹带.而由火团包裹的大尺寸侵彻体在着靶后出现剧烈光亮，并在很短时间内形成塞块并贯穿靶板，属于典型的破片侵彻金属靶板的特征.可以判断主体侵彻阶段中的侵彻体应是铀钛合金破片.
2 结果分析
2.1 靶板破孔特点及成因分析U -T i 合金破片侵彻靶板的典型破孔如图5所示.从破孔孔壁由背面向内为两部分，距靶板正面一侧较近的部分孔壁表面白亮㊁光滑，并有非常明显的烧蚀印记，是典型的钢材料在高应变率下的热塑性剪切行为.孔壁靠靶板背面的一侧表面粗糙，向外翻卷，与钢材在低应变率下的拉伸塑性变形失效一致.并且，可以观察到内㊁外侧的交界面非常明显，说明破片侵彻靶板时，在初始阶段由于侵彻速度快，靶板的应变率很高，这时靶板的失效形式主要是剪切失效，一段时间后侵彻破片速度下降至一个临界值，靶板失效形式转变为塑性拉伸变形失效.
热塑性剪切失效可用绝热剪切扩展能G s b c 表
征，绝热剪切扩展能越小，绝热剪切敏感度越高，材
料也越容易发生绝热剪切.绝热剪切能表达式[5
]为
G s b c =3A 3/2ρc æèçöø÷αρ3c 2λ3σ3y
α2
89c2051̇æèçöø÷
γ1
4
.
(1)
图5 典型实验靶板破孔形貌
F i g .5 B r o k e nh o l em o r p h o l o g y o f t y p i c a l t e s t t a r g
e t
式中:ρ为密度，单位k g /m 3;C 为热容，单位J /K ;λ为导热率，单位J /(s ㊃m ㊃K );α是温度软化系数㊁
σy 为屈服强度,
单位M P a ;γ为应变率.可见在靶板材料确定的情况下，应变率越高越容易发生剪切破坏.而铀钛合金破片比钢制材料破片密度更高，破片外形相同的情况下，铀钛合金破片的外弹道性能更好，着靶速度更快，从而靶板加载应变率也就越大，更容易造成剪切破坏.此外，铀钛合金动态抗压
强度是钢的2~3倍[3
]，破片侵彻过程中塑性变形
小，破片塑性变形做功少，用于侵彻的动能占比大.实验结果表明不同配方铀钛合金破片对靶板造
成的剪切破坏和塑性拉伸破坏的比例略有不同，如表2所示.U -0.75%T i 配方破片侵彻钢靶板产生的热塑性剪切破坏最大，其侵彻过程也越高效.
表2 不同配方的靶板破坏形式对比
T a b .2 D e f o r m a t i o n c o n t r a s t o f d i f f e r e n t f o r m u l a t i o n s
序号配方破孔深度/mm 剪切长度/mm 剪切占比/%
1U -0.5%T i 16.610
60.22U -0.6%T i
17.611.263.63U -0.75%T i 18.315.685.24U -0.9%T i 1714.484.75
U -1.0%T i 18
12.670.0
2.2 不同配方铀钛合金破片侵彻前后状态变化
网络流量统计
2.2.1 破片侵彻速度与动能的变化
由靶板破孔形式可知，铀钛合金破片对10mm
钢靶板的侵彻属于钝头破片冲塞薄板的过程.弹靶作用时，破片先受到惯性压缩作用并在靶板中形成塞块；之后破片与塞块冲塞靶板则受到靶板的剪切
力.圆柱形破片侵彻靶板的弹道极限速度为[
6]v c n =[(l p ρp +l t ρt πD τh 2]1/2/(l p ρ
p )2
.(2)式中:l p 为破片长度;l t 为塞块厚度;D 为破片直径;h 为靶板厚度;ρ
p 和ρt 分别为破片和靶板的密度.式(2)表明破片冲塞薄靶的剩余速度与破片密度㊁着靶速度正相关，与靶板厚度和靶板密度负相关.而
铀钛合金材料密度高㊁强度大，在相同着靶速度条件
4
81北京理工大学学报
第33卷
下，弹道极限速度更小，侵彻能力更强.
所测试的铀钛合金破片在侵彻10mm钢靶板时都体现出了优异的侵彻性能，破片速度变化如表3所示.5种铀钛合金破片均贯穿靶板，侵彻后的剩余速度是随着钛质量分数的增加呈上升趋势.排除着靶速度的不同影响，破片侵彻后的速度衰减率随钛质量分数的增加而下降.着靶动能和剩余动能是衡量破片侵彻能力的重要指标.如表3所示，若忽略破片初始动能的不同，经计算破片剩余动能随钛质量分数上升而增加；若考虑初始动能不同，破片的动能损失率随钛质量分数的上升呈下降趋势.
表3不同配方破片侵彻前后破片状态表
T a b.3S t a t u s c h a n g e s a f t e r f r a g m e n t s p e n e t r a t i n g t a r g e t
编号配方
速度/
(m㊃s-1)质量/g动能/J
前后损失前后损失前后损失
1U-0.5%T i39212967.134.8829.4815.5268024590.9 2U-0.6%T i39213765.135.2729.2817.1271027489.9 3U-0.75%T i46016165.036.7930.8216.2326039987.8 4U-0.9%T i33313758.935.9630.5115.2199428685.7 5U-1.0%T i38116855.935.6924.9830.025*******.4 2.2.2破片侵彻质量变化
rbd-508发现铀钛破片着靶后弹体塑性变形很小，而侵蚀造成的质量损失却非常显著.原因有:①破片高速侵彻靶板过程初期，弹靶交界面形成驻波，弹靶材料在该区域内剧烈反应放出光亮，并伴随部分材料的侵蚀融化;②铀钛合金的动态抗拉强度小于动态抗压强度，破片受到超过材料失效极限的大应变加载后，会出现断裂失效，继而产生质量损失;③铀钛合金材料对剪切敏感，侵彻中会出现由绝热剪切导致的自锐效应，该过程也伴随着大量的质量损失.质量损失带来的是动能损失，也表明破片进一步侵彻潜能的减小.铀钛合金破片的质量保持能力越强则其侵彻性能就越好.
对回收到破片的分析发现，质量损失率最小的配方钛为0.9%，其质量损失为15.2%，而质量损失率最大的配方钛为1.0%，其质量损失为30.0%.所测试的5种配方中，除钛质量分数1.0%配方的破片外质量损失较大(接近其余配方的两倍)，其余4种配方质量损失的差异不明显(15%~17%).质量损失表明钛为0.9%的配方侵彻性能最好.
3结论
通过5种典型富铀相铀钛合金破片侵彻10m m 钢靶板的实验，研究了铀钛合金破片的侵彻特性，实
验结果表明：铀钛合金破片侵彻靶板过程中出现明亮
的火光，破片对靶板的破坏形式以冲塞为主，并伴随
有延性扩孔；铀钛合金破片侵彻前后出现明显的速度
和质量损失，自锐效果明显.在所测试的5种富铀相铀钛合金破片中，速度损失随钛质量分数升高而下
降;U-1.0%T i质量损失最大，其他配方质量损失差异不明显；破片动能损失随钛质量分数的升高先减少后增加,T i质量分数为0.9%的铀钛合金配方的动能损失最小值；对靶板造成的剪切破坏也是钛质量分数的升高先减少后增加,T i质量分数为0.75%的铀钛合金配方的破片造成的剪切破坏最多.
参考文献:
[1]白新德，姜作中，林伟，等.贫铀武器的发展现状及其前景[J].稀有金属材料与工程,2003,32(6):412416.
B a iX i n d e,J i a n g Z u o z h o n g,L i n W e i,e t a l.R e v i e wo n t h e d e v e l o p m e n t a n d p r o s p e c t o f D U m u n i t i o n s[J].R a r e M e t a lM a t e r i a l sa n d E n g i n e e r i n g,2003,32(6):412 416.(i n
C h i n e s e)
[2]Z u r e kA K.P r e s h o c k-i n d u c e d p h a s e t r a n s i t i o n i n s p a l l e d U-0.75w t%T i[J].J o u r n a l o fN u c l e a rM a t e r i a l s,1999, 264:155160.
[3]J o h n s o n G R,C o o k W H.F r a c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h r e em e t a l ss u b j e c t e dt ov a r i o u ss t r a i n s,s t r a i nr a t e s, t e m p e r a t u r e sa n d p r e s s u r e s[J].E n g i n e e r i n g F r a c t u r e M e c h a n i c s,1985,21(1):3148.
[4]胡时胜，郭勇，胡秀章，等.铀合金动态力学性能的研究[J].爆炸与冲击,1993,13(1):1822.
H uS h i s h e n g,G u oY o n g,H uX i u z h a n g e t a l.S t u d y o f d y n a m i c m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f D U a l l o y s[J].
E x p l o s i o na n dS h o c k W a v e s,1993,13(1):1822.(i n
C h i n e s e)
[5]牟仁德，王富耻，陶春虎，等.高应变率环境下材料的失效机理[J].装备环境工程,2005,2(6):7781.
M o uR e n d e,W a n g F u z h i,T a oC h u n h u,e t a l.M a t e r i a l s f a i l u r em e c h a n i s m a th i g hs t r a i nr a t ee n v i r o n m e n t[J].
E q u i p m e n t E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g,2005,2(6): 7781.(i nC h i n e s e)
[6]赵国志.穿甲工程力学[M].北京：兵器工业出版社, 1992:6366.
Z h a oG u o z h i.P e n e t r a t i o ne n g i n e e r i n g m e c h a n i c s[M].
B e i j i n g:O r d n a n c eI n d u s t r y P r e s s,1992:6366.(i n
C h i n e s e)
(责任编辑：孙竹凤)
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