CN112268794A - 一种确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，属于金属材料高速断裂技术领域。该方法包括：(1)通过不同处理获得一系列化学成分相同但微观组织不同的金属材料，(2)通过准静态压缩实验和维氏压痕实验获得准静态压缩屈服强度σscs和硬度HV，(3)通过高速压缩实验和维氏压痕实验获得动态压缩屈服强度σdcs和动态硬度DHV，(4)根据动态及准静态下强度与硬度的内在联系确定抵抗穿甲(即抵抗高速穿孔)的最优微观组织状态。本发明可以简捷方便地预判具有最优抗穿甲性能的微观组织状态(或强韧性匹配)，节约了穿甲实验所耗费的时间和费用，并提供了一种快速可靠的选材方法，对高速工程领域的构件材料设计有指导作用。

Description

一种确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法
技术领域
本发明涉及金属材料高速断裂技术领域，具体涉及一种确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法。
背景技术
由于金属材料越来越广泛地应用于高速工程领域，如爆炸成型、空间防护碰撞、防护材料抗穿甲性能等。作为高速工程的典型应用——防护材料的抗穿甲性能，一方面，传统评价方法需要繁琐的弹道实验，费时且费力[M.A.Meyers,Dynamic behaviour ofmaterials[M],John Wiley&Sons,1994.]。另一方面，由于材料的基本力学性能，如强度、硬度或韧性往往可当作评价材料的加工及服役性能的指标。因此，近几十年来，有大量研究试图揭示强度、硬度和抗穿甲性能之间的联系，并且发现了金属材料的抗穿甲性能通常随强度(或硬度)的增加先提高后降低，说明了优异的抗穿甲防护性能需要良好的强韧性匹配[P.K.Jena,B.Mishra,M.RameshBabu,A.Babu,A.K.Singh,K.SivaKumar,T.B.Bhat,Effectof heat treatment on mechanical and ballistic properties of a high strengtharmour steel[J],International Journal of Impact Engineering 37(3)(2010)242-249.]。然而，到目前为止，仍缺少一个有效的判据能够准确预测最优抗穿甲性能所需的强韧性匹配(或微观组织状态)。
此外，考虑到穿甲过程需承受高速冲击载荷，与高速压缩和高速压痕实验具有一定的相似性，因此结合高速加载下的动态强度和动态硬度或许能够对如何确定最优的抗穿甲性能提供理论支撑。遗憾的是，目前相关的研究较少，并且动态硬度的物理机制也尚不明确，导致动态强度、动态硬度与抗穿甲性能之间的关系还停留在实验数据的拟合，缺乏具有明确物理意义且行之有效的准则。
发明内容
针对现有技术中存在的金属防护材料的抗穿甲性能测试复杂且缺少有效选材判据的难题，本发明目的在于提供一种确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，该方法结合准静态、动态的压缩和压痕实验，基于强度和硬度不同的应变速率敏感性及不同的主导的变形机制，提出了一种新的判据来预测金属材料抗穿甲性能最优的材料微观组织状态，此判据也可作为装甲防护材料的选材依据。该方法避免了费事费力的穿甲/弹道实验，降低了时间成本和金钱成本，为高速工程领域的选材提供了可靠的力学性能指标。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，包括如下步骤：
(1)对给定化学成分的金属材料进行变形加工和/或热处理，获得一系列化学成分相同但微观组织不同(即不同强韧性匹配)的金属材料样品；
(2)对步骤(1)所得各金属材料样品进行室温准静态压缩、拉伸和维氏压痕实验，测得准静态压缩屈服强度σscs、抗拉强度σUTS和硬度HV；
(3)进行室温高速压缩和维氏压痕实验，测得动态压缩屈服强度σdcs和动态硬度DHV；
(4)根据步骤(2)-(3)获得的准静态压缩屈服强度σscs、准静态硬度HV、动态压缩屈服强度σdcs、动态硬度DHV，计算获得归一化强度NDS＝σdcs/σscs和归一化硬度NDH＝DHV/HV，绘制NDS与NDH分别随抗拉强度σUTS的变化曲线，根据抗穿甲最优判据，即当NDS与NDH相等时，交点对应的微观组织状态(或强韧性匹配)在这一系列成分相同但微观组织不同的材料中具有最优的抗穿甲性能。
由于准静态硬度HV与准静态屈服强度σscs通常呈现3倍关系，因此根据步骤(4)中的判据NDS＝NDH，也可以得到公式(1)：
Figure BDA0002708935400000021
由公式(1)说明当金属材料样品的动态硬度DHV与动态屈服强度σdcs呈现3倍关系时，样品微观组织状态具有最优的抗穿甲性能。
上述步骤(1)中所得一系列材料的化学成分相同、微观组织不同；所述变形加工为热变形和/或冷变形。
上述步骤(2)中，准静态压缩和拉伸实验，应变速率在10-4s-1-10-3s-1之间。
上述步骤(2)中，准静态维氏压痕实验，采用标准的仪器化维氏压痕设备进行。
上述步骤(3)中，高速压缩实验的应变速率≥103s-1。
上述步骤(3)中，高速维氏压痕实验，压痕应变速率≥103s-1，高速压缩实验的应变速率应与高速维氏压痕实验的压痕应变速率保持一致；由于压痕实验中材料变形的不均匀性，压痕应变速率计算方法是维氏压头加载在样品的平均速度除以压痕深度。
本发明的设计机理及有益效果如下：
1、本发明结合强度和硬度分别受不同的因素影响，从而表现出了不同的应变速率敏感性，因此分别将归一化强度NDS与归一化硬度NDH和强度、应变硬化能力(或韧性)建立联系。具体关系如下：虽然强度和硬度都表现出应变速率硬化现象，但二者表现出显著不同的应变速率敏感性趋势。一方面，对于强度而言，高强度材料一般微观组织比较细小(如细小的晶粒尺寸)，而应变速率敏感性(等同于本发明中提出的归一化强度NDS)与晶粒尺寸呈反比[Q.Wei,S.Cheng,K.T.Ramesh,E.Ma,Effect of nanocrystalline and ultrafinegrain sizes on the strain rate sensitivity and activation volume:fcc versusbcc metals[J],Materials Science and Engineering:A 381(1)(2004)71-79.]。因此NDS随材料强度的提高呈现出增加的趋势。另一方面，硬度不仅受强度影响，而且与应变硬化能力息息相关[Y.-T.Cheng,C.-M.Cheng,Scaling approach to conical indentation inelastic-plastic solids with work hardening[J],Journal of Applied Physics 84(3)(1998)1284-1291.]。虽然随应变速率提高，导致了屈服强度提高，但应变硬化能力却显著降低(如图2所示)，特别是对于高强度材料，因此归一化硬度NDH反而随着材料强度提高而降低。此外，本发明对大部分工程合金都进行了检视，发现NDS与NDH都表现出了如上所述的趋势(如图3所示)，说明这是一个普遍性规律。基于此关系，本发明提出了NDS主要是反映了材料的强度水平，而NDH则反映了材料的应变硬化能力(或韧性)水平。
2、本发明依据良好的强韧性匹配是抗高速穿甲的必要条件，提出当NDS与NDH相等时即是最优的强韧性匹配。该判据具有较为明确的物理意义：当NDS与NDH相等之时，即动态硬度与动态屈服强度之比为3，代表了较为良好的强韧性匹配。因为若强度过高，硬度与强度之比一般略低于3，此时材料的高速穿透失效模式以剪切冲塞破坏为主；若强度过低，由于良好的应变硬化能力，则硬度与强度之比一般大于3，此时材料的高速穿透失效模式以塑性穿孔为主。只有当动态硬度与强度之比为3，也即NDS＝NDH，该组织状态会表现出剪切冲塞和塑性穿孔混合的失效方式，此时具有最优的抗穿甲性能。
3、本发明将动态强度、动态硬度与防护性能建立了定量联系，并且阐明了动态硬度所代表的物理意义，为高速工程领域的损伤设计提供了新的思路，也为后续的高速服役环境下重要构件的材料设计提供了指导。
4、本发明利用准静态和动态的基本力学性能提出一种新的方法可以简单预测金属材料抗穿甲最佳微观组织状态，这很大限度节约了穿甲实验所需的大量实验时间和费用，同时可以为高速工程领域的构件选材提供可靠的判据。
附图说明
图1为归一化强度NDS、归一化硬度NDH及抗穿甲性能随抗拉强度σUTS变化关系。
图2为归一化NDH与抗拉强度σUTS关系图(NDH随抗拉强度σUTS提高而降低)。
图3为不同工程合金归一化强度NDS、归一化硬度NDH与强度(硬度)变化关系；其中：(a)归一化强度NDS与强度变化关系；(b)归一化硬度NDH与硬度变化关系。
图4为不同热处理状态的AISI 4340钢压缩屈服强度σcs与应变速率关系。
图5为AISI 4340钢归一化硬度NDS、归一化硬度NDH与抗拉强度σUTS关系。
图6为不同强韧性匹配的AISI 4340钢穿甲实验中未穿透失效的概率统计结果。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作更详细的描述。这些实例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，不对本发明的范围有任何限制。
本发明为一种确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，该方法主要包括四个步骤：(1)通过不同的处理获得一系列化学成分相同但微观组织不同的金属材料，(2)通过准静态压缩实验和维氏压痕实验获得准静态压缩屈服强度σscs和准静态硬度HV，(3)通过高速压缩实验和维氏压痕实验获得动态压缩屈服强度σdcs和动态硬度DHV，(4)根据动态及准静态下强度与硬度的内在联系确定抵抗穿甲(即抵抗高速穿孔)的最优微观组织状态。
实施例1：
本实例采用AISI 4340钢为例，确定其抗穿甲最佳微观组织的方法，具体步骤如下：
步骤1：对原始态AISI 4340钢进行不同的热处理过程，获得4种化学成分相同但微观组织不同(即不同强韧性匹配)的4340钢，编号为SAQ、S240、S420和S500；
步骤2：进行室温准静态压缩、拉伸和维氏压痕实验，拉伸和压缩应变速率为5×10-4s-1，测得准静态压缩屈服强度σscs、拉伸屈服强度σsts、抗拉强度σUTS和硬度HV(如表1所示)；
步骤3：进行室温高速压缩和维氏压痕实验，动态压痕实验的应变速率为103s-1，由于本实例中未测得应变速率103s-1的压缩屈服强度，但由于压缩屈服强度与应变速率符合Johnson-Cook模型(如图4所示)，因此用Johnson-Cook模型拟合出103s-1的动态压缩屈服强度σdcs，获得的动态硬度DHV和动态压缩屈服强度σdcs如表1所示；
步骤4：根据步骤2-3获得的准静态压缩屈服强度、硬度和动态压缩屈服强度、硬度，计算获得归一化强度NDS＝σdcs/σscs和归一化硬度NDH＝DHV/HV，绘制NDS与NDH分别随抗拉强度σUTS的变化曲线(如图5)，根据抗穿甲最优判据，当NDS与NDH相等时，该交点(图1)对应的组织状态具有最优的抗穿甲性能，本实例中交点对应于S420样品，其准静态拉伸屈服强度为1320MPa。另一方面，实际采用7.62mm穿甲炮弹对不同强韧性匹配的4340钢进行穿甲实验的结果如图6所示(实验数据来源：T.Demir,M.Ubeyli,R.O.Yildirim,Effect ofhardness on the ballistic impact behavior of high-strength steels against7.62-mm armor piercing projectiles[J],Journal of Materials Engineering andPerformance 18(2)(2009)145-153.)，穿甲实验结果表明拉伸屈服强度为～1300MPa的材料具有最优的抗穿甲性，该实验结果与预测结果相吻合。
表1AISI 4340钢经历不同热处理后的力学性能，包括准静态下的拉伸屈服强度(σsts)、抗拉强度(σUTS)、压缩屈服强度(σscs)和硬度(HV)，以及动态下的压缩屈服强度(σdcs)和硬度(DHV)。
Figure BDA0002708935400000061

Claims (7)

1.一种确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)对给定化学成分的金属材料进行变形加工和/或热处理，获得一系列化学成分相同但微观组织不同(即不同强韧性匹配)的金属材料样品；
(2)对步骤(1)所得各金属材料样品进行室温准静态压缩、拉伸和维氏压痕实验，测得准静态压缩屈服强度σscs、抗拉强度σUTS和硬度HV；
(3)进行室温高速压缩和维氏压痕实验，测得动态压缩屈服强度σdcs和动态硬度DHV；
(4)根据步骤(2)-(3)获得的准静态压缩屈服强度σscs、准静态硬度HV、动态压缩屈服强度σdcs、动态硬度DHV，计算获得归一化强度NDS＝σdcs/σscs和归一化硬度NDH＝DHV/HV，绘制NDS与NDH分别随抗拉强度σUTS的变化曲线，根据抗穿甲最优判据，即当NDS与NDH相等时，交点对应的微观组织状态(或强韧性匹配)在这一系列成分相同但微观组织不同的材料中具有最优的抗穿甲性能。
2.根据权利要求1所述的确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，其特征在于：由于准静态硬度HV与准静态屈服强度σscs通常呈现3倍关系，因此根据步骤(4)中的判据NDS＝NDH，也可以得到公式(1)：
Figure FDA0002708935390000011
由公式(1)说明当金属材料样品的动态硬度DHV与动态屈服强度σdcs呈现3倍关系时，样品微观组织状态具有最优的抗穿甲性能。
3.根据权利要求1所述的确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，其特征在于：步骤(1)中所得一系列材料的化学成分相同、微观组织不同；所述变形加工为热变形和/或冷变形。
4.根据权利要求1所述的确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，其特征在于：步骤(2)中，准静态压缩和拉伸实验，应变速率在10-4s-1-10-3s-1之间。
5.根据权利要求1所述的确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，其特征在于：步骤(2)中，准静态维氏压痕实验，采用标准的仪器化维氏压痕设备进行。
6.根据权利要求1所述的确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，其特征在于：步骤(3)中，高速压缩实验的应变速率≥103s-1。
7.根据权利要求6所述的确定金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，其特征在于：步骤(3)中，高速维氏压痕实验，压痕应变速率≥103s-1，高速压缩实验的应变速率应与高速维氏压痕实验的压痕应变速率保持一致；由于压痕实验中材料变形的不均匀性，压痕应变速率计算方法是维氏压头加载在样品的平均速度除以压痕深度。
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