第20卷第4期2000年8月北京理工大学学报JOurnal Of beijing InStitute Of technOlOgy VOl.20NO.4Aug.2000
u708
文章编号:1001-0645(2000D 04-0427-04LY -12铝合金熔化的临界碰撞速度张庆明
(北京理工大学爆炸灾害预防与控制国家重点实验室，北京
100081D 摘要：借助于二级轻气炮，实现了LY -12铝合金弹丸以4~6km /S 的速度对铝双层板的
超高速碰撞.对LY -12铝合金球形弹丸超高速冲击铝双层板熔化的临界条件进行了研究.
实验时，弹丸直径为5mm ；双层板前板材料为LY -12铝合金，厚3mm ；后板材料为L -4纯 铝，厚3mm ；前后板间隙120mm .实验表明，碰撞速度5km /S 是引起LY -12铝合金熔化
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的临界速度.从理论~数值计算两方面对此进行了分析和说明.
关键词：超高速碰撞；冲击相变；熔化
中图分类号:038文献标识码:A 收稿日期:19990915
基金项目：国家*863 计划项目
作者简介：张庆明，男,1963年生，教授，博士.
在超高速碰撞下，根据速度的不同，材料通常会发生不同程度的熔化或气化.影响材料熔化的主要因素有弹丸速度~弹靶材料性质和弹靶材料的几何尺寸.研究的目的是在保持弹靶材料及其几何尺寸不变的前提下，确定引起LY -12铝合金熔化的临界碰撞速度.
此项工作对材料在极端条件下的熔化规律的研究及宇航器有效防护结构形式的设计均有参考价值.
1
实验1-1弹丸
所用弹丸为LY -12铝合金，直径5mm 的球形弹丸.
1-2靶板
靶板采用双层板结构，由前板~后板和一定的间隙组成.前板材料为LY -12铝合金，厚3mm ，长120mm ，宽120mm .后板材料为L -4纯铝，厚3mm ，长120mm ，宽120mm .前后板的间隙为120mm .
1-3超高速碰撞实验
借助于二级轻气炮，实现弹丸对双层板的超高速碰撞，碰撞速度为4~6km /S .
大陆漂移假说
1-4金相观察
对回收的后板弹坑进行金相分析，以便到熔化的有关信息.
2实验结果
对后板弹坑进行宏观观察，发现两类不同的坑.一类坑口径大于1mm ,
称这类坑为次弹
坑.另一类坑口径为几十微米至零点几毫米，称这类坑为微弹坑.微弹坑的出现与碰撞速度有关.当碰撞速度为5.0km /S 时，开始出现微弹坑.借助于扫描电镜可以发现，大多数微弹坑表面有一层光滑的履盖层，覆盖层中有许多小气孔(见图1).根据金属学的知识可以判断，坑表面的覆盖层是液滴开坑所致，小气孔则是被熔融液体封住的气泡受热膨胀而形成.这类坑中出现了熔化的特征.对次弹坑而言，整个表面粗糙不平，这类坑是由碎片云中固体破片开坑所致
(见图2).这说明，碰撞速度5.0km /S 是引起LY -12铝合金熔化的临界速度.
后板鼓包数N g 随碰撞速度的变化关系见图3.这也说明5.0km /S 是一个特征速度，即熔化的起始速度.发生熔化后，碎片云对后板的破坏明显减少
新余周建华
.
图1微弹坑坑底形貌图2次弹坑坑底形貌图3N g 随U P 的变化关系
3理论分析
某种材料熔化，应满足关系
z 2z m -L ,
(1)式中z 是材料在整个冲击过程中获得的比内能;z m 是材料熔化时所具有的比内能;L 是材料的相变潜能[1].
考虑临界条件有
z =z m .
(2)通常，击波加热和塑性功加热都对z 的增加作贡献.因此,z 可分为两部分，即
z =z S -z P ,
(3)其中z S 是击波加热产生的比内能;z P 是塑性功加热产生的比内能.
3.1z S
的理论计算
图4剩余比内能计算图从物理意义上讲,z S 是击波加载后经等熵卸载最后剩余
在材料中的比内能.即为图4中阴影部分的面积.其值等于
ABC 的面积减去曲线ADC 下面的面积[2].
ABC 的面积可直接由 ugOniOt 关系给出.即
z =p (U 0 U )/2,(4)其中
z ,p 和U 分别是击波加载后的比内能~压力和比体
积.
等熵线ADC 下面的面积可由有限差分法求得.
这里采用Mie -GruneiSen 状态方程，其形式可写为824北京理工大学学报第20卷
中国内战p =p H +0P (z -z H ),
(5)其中P =P O 0O /0,P O 和0O 分别是初始条件下的GruHeiSeH 系数和密度;p ,0,z 分别表示等熵线上任一点压力~密度和比内能.
根据热力学第二定律
dz =TdS -pdU ,
(6)在等熵线上,dS =O 则有
dz =-pdU ,
(7)采用有限差分技术，有
dz~Az=z I -z I-1p~(p I +p I-1)/2dU~AU=U I -U >W
J
I-1,
(8)则式(7)可变为
z I =z I-1-
p I +p I-12AU ~(9)式(5)可写为
p I =(p H )I +(P /U )[z I -(z H )I ].
(1O)将式(9)代入式(1O)并变形得
p I =(p H )I +P U (z I-1)-12
p I-1AU-(z H )[]I 1+P U AU <>2,(11)
史记三家注名词解释然后，可计算出每一个步长的Az 值，即Az =(p I +p I-1)AU /2.
(12)从而得到等熵线ADC 下的面积，进而可得到z S 的值.
3.2z p 的理论计算
弹丸和靶板在碰撞过程中都要发生变形破碎，其塑性变形功可写为
W = Ode .
(13)考虑功热转换系数B ，对LY -12铝合金,B =O.8~O.9,
则图5碰撞点处比内能随时间的变化曲线
z p =Bw =B Ode .(14)
根据确定的本构关系，可将z p 求出，但作者所研究的是二维问题，需通过数值计算求解.经推算,LY -12铝合金的初始熔化能z m =O.7kJ /g [3]，因
此，只要满足
z S +z p =z m ,
(15)
就可得到引起LY -12铝合金熔化的初始速度.图5是用二维SOIL 程序计算得到的碰撞点处比内能随
时间的变化曲线[4].计算时，弹丸和靶的材料都是LY -12铝合
金，弹丸直径5mm ，靶板厚3mm .从图中可以看出，当碰撞速
度U p =5km /S 时，其剩余比内能恰好是O.7kJ /g ，即满足式
(15).说明碰撞速度5km /S 是引起LY -12铝合金熔化的起始9
24第4期张庆明:LY -12铝合金熔化的临界碰撞速度
034北京理工大学学报第20卷
速度.
4结束语
作者在实验中观察到了LY-12铝合金在超高速碰撞下的熔化现象得到了引起LY-12铝合金熔化的临界碰
撞速度并用理论分析和数值计算进行了说明.结果是可靠的.因此在本文中给定的条件下引起LY-12铝合金熔化的初始碰撞速度即为5km/s.
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Critical velocity resulting in melting of LY-12Aluminum Alloy subj ected to hypervelocity lmpact
ZHANG Oing-ming
(National K ey Laboratory for Prevention and Control of Explosion Disasters
B ei i ing Institute of Technology B ei i ing100081)
Abstract,Melting critical condition of aluminum alloy dual-sheet sub i ected to hypervelocity impact Was studied experimentally and theoretically.With the help of
a tWo-stage light gas gun LY-12aluminum alloy samples su
b i ected to hypervelocity
impact by the pro i ectile made of LY-12aluminum With different speeds ranged from 4to6km/s became available.The pro i ectile Was5mm in diameter.The first plate Was made of LY-12aluminum alloy and3mm in thickness.The second plate Was made of L-4aluminum and3mm in thickness.A clearance of120mm Was betWeen tWo plates.Experiment result shoWed that5km/s is the minimum speed inducing melting of LY-12aluminum alloy.The theoretical analyses and simulation result gave a poWerful support to this point.
K ey w ords,hypervelocity impact;shock induced phase change;melting
LY-12铝合金熔化的临界碰撞速度
作者：张庆明， ZHANG Qing-ming
作者单位：北京理工大学爆炸灾害预防与控制国家重点实验室，北京,100081
刊名：
北京理工大学学报
英文刊名：JOURNAL OF BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY
年，卷(期)：2000,20(4)
被引用次数：1次
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