CN113237910B - 弹丸侵彻靶体损伤评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种弹丸侵彻靶体损伤评估方法，包括如下步骤：确定目标靶体宏观失效破坏模式；回收并预处理目标靶体；断口形貌特征分析及元素分布测试；靶体微观演化特征金相观测及显微硬度测试；材料失效典型微观演化特征测试及分析；确定靶体微观易损性阈值；弹丸侵彻靶体损伤评估。本发明的弹丸侵彻靶体损伤评估方法的优势在于：基于材料微观演化特征评估目标损伤特性，从弹靶作用的微观损伤角度系统给出了弹靶作用后靶体全域的微观损伤特性演化规律，能够揭示侵彻过程中全域靶体的变形、损伤直至失效的全部响应规律，建立了材料宏观失效破坏模式与微观组织损伤之间的联系。

Description

弹丸侵彻靶体损伤评估方法
技术领域
本发明涉及弹靶毁伤评估技术领域，具体涉及一种弹丸侵彻靶体损伤评估方法。
背景技术
弹靶侵彻问题一直是终点弹道的重要研究内容之一，弹靶相互作用在毫秒时间量级内即可完成，这一过程往往伴随着高温、高压、高应变率、大变形等极端物理现象，其作用结果通常导致物体发生变形、断裂等行为，甚至引发材料的相变与气化等更为复杂的现象。目前，人们对弹靶侵彻问题的研究方法主要归结为三类：理论分析、数值模拟和试验研究。
理论分析法一般根据弹丸和靶体的几何物理特性，分析侵彻过程中的主要因素和主要矛盾，通过合理的假设，将侵彻过程简化为工程模型，然后通过适当的理论模型进行求解。模型中的参数一般由弹、靶几何尺寸，材料特性和撞击初始条件确定。但因侵彻过程产生高温、高压且瞬间完成，还伴随材料破碎和质量销蚀，简化后的理论模型更加注重弹靶作用的宏观毁伤效应，如侵彻深度和扩孔直径等参数，难以对弹靶作用过程进行精细化的描述。
数值模拟法是随着计算机和数值计算方法的发展逐步建立起来的一种分析手段，数值模拟方法一般是利用各种守恒定律，考虑材料的本构模型和状态方程，采用合适的数值计算方法，在离散的空间网格和时间节点上求解穿甲侵彻过程中动力学微分方程组，并直观再现侵彻和贯穿的物理过程。该方法很大程度上弥补了高速侵彻实验中测试手段的限制，对侵彻机理的研究和建立理论模型都有重要的作用，从而降低科研成本，缩短研究周期。由于弹、靶侵彻涉及高温、高压、高应变率且弹、靶材料的多样性和复杂性，模拟结果往往和实际情况有一定的差距，而数值模拟的准确性很大程度上依赖于材料本构关系的选取、接触面处理、网格划分技巧等因素。计算程序验证和参数选取需要依靠实验数据和理论方法。
靶场试验是弹靶侵彻问题最常用的方法，即通过实弹射击可直观观测到弹丸的侵彻性能、威力，除此之外，靶场试验也可以验证理论分析模型和数值模拟结果的可靠性。目前，对研究者而言靶场试验仍是检验弹丸性能最直接、可靠、有效的手段。通过开展打靶试验，对侵彻过程中弹靶的宏观毁伤现象进行直接观察，并对观察得到的结果进行分析总结，获得大量弹靶作用后弹丸侵彻能力或靶体毁伤特性的宏观毁伤结果。
目前三种研究方法多是从宏观角度分析材料及结构在侵彻下响应行为，对材料的微观响应考虑较少，然而在完成侵彻过程中弹靶材料承受的应力、应变载荷非常剧烈且复杂，因此其响应行为也必然涉及多个尺度，不仅包括宏观形态及结构的变化，还会引发材料组织微观特征的改变。特别是弹靶作用之后靶体除在弹坑部分产生宏观可见的毁伤破坏模式外，在弹靶直接作用以外区域内也必然在材料内部产生了一定程度的微观损伤破坏，该部分损伤破坏耗散了弹体的部分冲击动能、影响了材料及结构的宏观物理性能，然而目前针对靶体该部分损伤破坏的研究相对较少。除此之外，目前针对弹靶微细观损伤破坏的研究多是基于某一宏观毁伤破坏现象分析的需求开展靶体材料内部产生的组织变形、剪切带、断裂面等某一典型微观演化特征的分析，缺乏系统性。
发明内容
针对现有技术中弹靶微细观损伤破坏的研究缺乏系统性的问题，本发明提出一种弹丸侵彻靶体损伤评估方法，该方法能系统开展弹靶作用后材料微观演化特征规律的研究。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种弹丸侵彻靶体损伤评估方法，包括如下步骤：
1)确定目标靶体宏观失效破坏模式；
2)回收并预处理目标靶体；
3)断口形貌特征分析及元素分布测试；
4)靶体微观演化特征金相观测及显微硬度测试；
5)材料失效典型微观演化特征测试及分析；
6)确定靶体微观易损性阈值；
7)弹丸侵彻靶体损伤评估。
进一步地，确定目标靶体宏观失效破坏模式是指参照靶体典型失效破坏模式如穿孔、层裂、鼓包等确定打靶试验后靶体的失效破坏模式，采用光学三维扫描装置捕捉宏观毁伤区域并利用Geomagic Control软件对成像数据进行重构和特征提取，建立能够描述靶体宏观毁伤3D形貌特征的数据化模型。
进一步地，回收并预处理目标靶体是指根据目标靶体的对称性将靶体沿对称面进行切割，对于金属类目标靶体采用线切割的方法切割即采用低速单向走丝电火花线切割机对靶体进行线切割；对于混凝土类目标靶体采用超高压水切割机等机具对靶体进行沿对称面的切割。
进一步地，断口形貌特征分析及元素分布测试具体包括以下步骤：
S1、试件裁剪；选取步骤2)线切割获得的其中一块靶体，沿弹靶接触断口界面的轴向和径向典型位置分别选取制作试件，使用剪板机将靶体断口处材料裁剪成扫描电镜观测台所能容纳的最大尺寸；
S2、试件清洗；上一步骤S1经裁剪后的试件在需要观察的断口界面处采用电动毛丝刷初步去除表面油污及氧化层并用蒸馏水反复冲洗试件，然后采用内置丙酮清洗试剂的超声波清洗机对试件进一步浸没清洗20分钟并用蒸馏水反复冲洗试件，最后采用工业酒精清洗试件并用蒸馏水再次反复冲洗试件；
S3、试件干燥；将上一步骤S2清洗完毕后的靶体断口试件放置于立式样品架上，置于通风橱中，室温风干，对于易于被空气氧化的试件则放置于干燥的真空箱中；
S4、试件溅射喷金处理；通过选择合理的喷金参数，根据需要观测的试件属性在试件断口表面溅射一个额外的导电薄层材料；
S5、断口形貌特征及元素分布测试；采用扫描电子显微镜和能谱仪对断口试件的显微组织、界面形貌、断口形貌进行观察并对化学元素分布进行点分析、线扫描、面分布以及选区元素分析等测试；
S6、断口形貌特征及元素分布数据分析；建立试件断口形貌特征及元素分布规律与目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制以及弹靶毁伤特性规律。
进一步地，靶体微观演化特征金相观测及显微硬度测试具体包括以下步骤：
S1、试件裁剪；选取步骤2)切割获得的另一半对称性靶体，沿其断口轴向和径向典型区域分别选取制作试件，使用低速单向走丝电火花线切割机分别沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口切割所需观测尺寸的试件；
S2、试件镶嵌；对于微小且不易手拿或不规则的金相试件采用酚醛塑料粉或者脲醛塑料粉在金相试样镶嵌仪里通过高温高压进行热固性塑料压制和镶嵌；
S3、试件抛光；将上一步骤S2中的金相试件观测平面在研磨机上采用金相水砂纸对需要观测的截面进行粗磨和精磨，研磨后冲洗掉金相试件观测平面上的砂粒；抛光处理的工艺手段按照先粗后细的方式进行；
S4、试件腐蚀；经过抛光之后的试件需要进一步经过腐蚀处理才能进行金相观察，针对不同的金属试件，采用不同的腐蚀液进行腐蚀处理，经腐蚀后的试件采用蒸馏水反复清洗；
S5、试件干燥；将上一步骤S4腐蚀完毕后的靶体试件放置于立式样品架上，置于通风橱中，室温风干，对于易于被空气氧化的试件则放置于干燥的真空箱中；
S6、靶体微观演化特征及显微硬度测试分析；采用金相显微镜对试件的显微组织进行观察并针对靶体分别对沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口的微观塑性变形进行观测和分析，计算靶体不同位置处的微观塑性变形；除此之外，开展针对试件不同位置处显微硬度变化测试，获得沿弹体侵彻方向以及沿断口向靶体方向靶体的显微硬度变化规律；
S7、靶体微观演化特征及显微硬度测试数据分析；建立试件微观演化特征及显微硬度变化规律与目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制。
进一步地，上述试件腐蚀步骤中，对于金属铜采用硝酸和盐酸按照1：3的体积进行配置，腐蚀时间维持2-3s；对于碳钢采用盐酸和氯化铁溶液进行腐蚀，腐蚀时间维持在30s左右；对于铝合金采用keller’s腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀时间维持在10-20s左右。
进一步地，材料失效典型微观演化特征测试及分析具体包括以下步骤：
S1、试件裁剪；选取步骤2)切割获得的另一半对称性靶体，沿其断口的轴向和径向典型区域分别选取制作试件，使用低速单向走丝电火花线切割机分别沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口切割mm量级尺寸的试件；
S2、试件减薄；选取步骤S1切割获得的mm量级试件，进一步对试件进行减薄至μm量级尺寸，减薄手段可以采用离子减薄方法或者双喷减薄方法；
S3、装载试件；将待测试件装入样品杆，确保试件正面朝上；
S4、材料失效典型微观演化特征TEM测试及分析；采用透射电镜TEM对试件的显微组织进行观察并针对靶体分别对沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口的微观变化进行观测和表征分析，对试样开展明场像、暗场像以及选区电子衍射的基本操作；
S5、靶体材料失效起源以及典型微观演化特征规律分析；建立试件中能够表征靶体材料失效起源以及典型微观演化特征变化规律与目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制。
进一步地，上述试件减薄步骤中，离子减薄方法依次包括以下步骤：试件预减薄，利用240#砂纸手动将线切割获得的mm量级尺寸试件按照从两边到中间的顺序均匀减薄至μm量级尺寸；圆片试件制取，利用冲片器沿弹靶作用界面处将μm量级厚度的试件进行冲片穿孔，获得直径为3mm、厚度为80μm左右、包含弹靶作用界面的圆片试件；圆片试件减薄，利用600#砂纸，在磨片机上将圆片试件继续减薄至40μm左右；离子减薄，利用Gatan 691离子减薄仪对圆片试件继续减薄至穿孔然后进行精修；
双喷减薄方法依次包括以下步骤：预减薄，将块状样品减薄成厚度小于0.1mm的薄片；冲孔，在薄片上冲出直径为3mm的小圆片，将小圆片放入盛有液氮和双喷液的双喷仪中、打开双喷仪的电源，通过调整双喷时形成的电流和电位，对样品进行化学减薄直至穿孔；干燥，将样品迅速的从双喷仪中取出，放入干净的无水乙醇中漂洗3-5分钟，把样品从无水乙醇中取出干燥。
进一步地，确定靶体微观易损性阈值具体是指：针对弹靶剧烈作用条件下靶体的微观力学失效机制及特点规律，提出针对靶体微观演化受损失效的阈值极限。
进一步地，弹丸侵彻靶体损伤评估具体是指：基于步骤3)至步骤5)确定的靶体微观损伤破坏特征规律，参考步骤6)确定的弹靶作用微观易损特性临界阈值给出经过打击后全域靶体的损伤破坏情况，评估靶体不同区域的受损程度。
本发明的弹丸侵彻靶体损伤评估方法的优势在于：基于材料微观演化特征评估目标损伤特性，从弹靶作用的微观损伤角度系统给出了弹靶作用后靶体全域的微观损伤特性演化规律，能够揭示侵彻过程中全域靶体的变形、损伤直至失效的全部响应规律，建立了弹靶作用过程中靶体材料宏观失效破坏与微观组织损伤之间的关系。本方法一方面可以从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制进而为弹靶毁伤特性规律提供一种新的研究思路，另一方面也可为弹靶结构参数优化设计提供工程参考依据。
附图说明
图1弹丸侵彻靶体损伤评估流程图；
图2靶体典型失效破坏模式(a)钢靶穿孔破坏(迎弹面)(b)钢靶穿孔破坏(背弹面)(c)钢靶层裂破坏(迎弹面)(d)钢靶层裂破坏(背弹面)(e)混凝土靶层裂破坏(迎弹面)(f)混凝土靶层裂破坏(背弹面)；
图3目标靶入口及经过线切割预处理的金属靶体横截面图(g)目标靶入口(h)预处理后靶板横截面；
图4金相试件及金属晶粒演化特征图(i)金相试件(j)金属晶粒演化特征。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
本发明针对现有技术中弹靶微细观损伤破坏的研究缺乏系统性的问题，提供一种弹丸侵彻靶体损伤评估方法，在进行该方法阐述时以爆炸成型弹丸高速侵彻金属靶的损伤特性为例进行论述。
如图1所示，该弹丸侵彻靶体损伤评估方法主要包括以下几个步骤：
(1)确定目标靶体宏观失效破坏模式。参照靶体典型失效破坏模式如穿孔、层裂、鼓包等确定打靶试验后靶体的失效破坏模式，如图2所示。为获得对损伤靶体宏观毁伤破坏的定性描述，采用光学三维扫描装置捕捉宏观毁伤区域并利用Geomagic Control软件对成像数据进行重构和特征提取(测量误差控制在0.1mm)，典型宏观毁伤特征参数包括弹体开坑深度和扩孔直径、弹坑几何形状等。获取靶板宏观毁伤3D扫描形貌特征，确定目标靶侵彻贯穿、层裂、鼓包等典型毁伤破坏模式，建立能够描述靶板宏观毁伤3D形貌特征的数据化模型。
(2)回收并预处理目标靶体。如图3所示，回收需要研究的目标靶，根据步骤(1)确定的目标靶体宏观失效破坏模式将靶体沿对称面进行切割。对于金属类目标靶采用线切割的方法，即采用低速单向走丝电火花线切割机对靶板进行线切割，慢走丝电火花线切割的走丝速度为0.2mm/s，电极丝做低速单向运动，切割精度控制在10-1-10-3mm级。
(3)断口形貌特征分析及元素分布测试。选取步骤(2)线切割获得的其中一靶体沿弹靶接触断口界面的轴向和径向典型位置(弹坑侧壁、层裂断面等)分别选取制作试件并进行断口形貌的观察，针对步骤(1)中确定的靶板宏观失效破坏模式着重观察与之相应的断口形貌特征，获得靶板宏观失效的微观断口形貌损伤特征规律并结合弹靶作用的力学机制分析靶体的微观失效破坏机理，具体可以按照以下步骤开展：
①试件裁剪。选取步骤(2)线切割获得的其中一靶体沿弹靶接触断口界面的轴向和径向典型位置(弹坑侧壁、层裂断面等)分别选取制作试件，使用剪板机将靶体断口处材料裁剪成扫描电镜观测台所能容纳的最大尺寸。
②试件清洗。步骤①经裁剪后的试件在需要观察的断口界面处采用电动毛丝刷初步去除表面油污及氧化层并用蒸馏水反复冲洗试件，然后采用内置丙酮清洗试剂的超声波清洗机(60HZ频率)对试件进一步浸没清洗20分钟并用蒸馏水反复冲洗试件，最后采用工业酒精再次清洗试件并用蒸馏水反复冲洗试件。
③试件干燥。将步骤②清洗完毕后的靶体断口试件放置于立式样品架上，置于通风橱中，室温风干，对于易于被空气氧化的试件则放置于干燥的真空箱中。
④试件溅射喷金处理。为获得高质量的成像，又不会损失样品的原始信息，通过选择合理的喷金参数，根据需要观测的试件属性在试件断口表面溅射一个额外的导电薄层材料，如金、银、铂或铬等。
⑤试件断口形貌特征及元素分布测试。采用扫描电子显微镜和能谱仪对断口试件的显微组织、界面形貌、断口形貌进行观察并对化学元素分布进行点分析、线扫描、面分布以及选区元素分析等测试。
⑥断口形貌特征及元素分布数据分析。建立试件断口形貌特征及元素分布规律与目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制以及弹靶毁伤特性规律。
(4)靶体微观演化特征金相观测及显微硬度测试。选取步骤(2)切割获得的另一半对称性靶体，沿其断口的轴向和径向典型区域分别选取制作试件并进行金属晶粒微观演化形貌的观察，其中沿径向的取值范围要大于5倍的开坑口径，确保一次能够观察到靶板的所有受损区域范围内的金属晶粒变化情况，如图4所示。结合微观金属晶粒的变化情况可计算金属晶粒产生宏观塑性剪切应变
Figure BDA0003059065940000081
式中ρ是材料的基本密度，cP是材料的热容，n材料的硬化指数，τ是材料的剪切流动应力，T是材料的瞬时温度，γ是材料发生局部剪切失效时的剪切应变，
Figure BDA0003059065940000083
是材料发生局部剪切失效时的剪切应变率，β是材料的热传导效率。
按照公式
Figure BDA0003059065940000082
可计算靶体局部因塑性应变而产生温度升高情况并确定金属靶受损的区域以及损伤情况。ρ是材料的基本密度，cP是材料的热容，β是材料的热传导效率，σ为靶体材料的屈服应力值，ε为材料的塑性应变。基于以上两公式也可以进一步建立靶体宏观失效破坏与弹靶剧烈作用后靶体金属晶粒的微观演化状态之间的联系，为进一步系统描述靶体的微观损伤破坏提供理论支撑。
具体可以按照以下步骤开展：
①试件裁剪。选取步骤(2)切割获得的另一半对称性靶体，沿其断口的轴向和径向典型区域分别选取制作试件，使用低速单向走丝电火花线切割机分别沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口切割所需观测尺寸的试件；
②试件镶嵌。对于微小且不易手拿或不规则的金相岩相试件采用酚醛塑料粉或者脲醛塑料粉在金相试样镶嵌仪里通过高温高压进行热固性塑料压制和镶嵌。经镶嵌后便于对试件进行磨抛操作也有利于在金相显微镜下正常地观察材料的组织；
③试件抛光。对于经过初步镶嵌的试件，其观察界面经过线切割作用界面处靶体晶粒的典型特征已经被破坏而且经过切割之后的界面会有大量的切割剩余物残留，因此需要对镶嵌试件进行打磨抛光处理。将步骤②中出的金相试件观测平面在研磨机上采用金相水砂纸对需要观测的截面进行粗磨和精磨研磨，研磨后冲洗掉金相试件观测平面上的砂粒；抛光处理的工艺手段按照先粗后细(砂纸粒度分别为600#,1000#,2000#和3000#)的方式进行；
④试件腐蚀。经过由粗到细的抛光过程，靶体内部的微观组织演化特征规律得以体现。但是并不能将微观形貌特征体现出来，经过抛光之后的试件需要进一步经过腐蚀处理才能进行金相观察。
针对不同的金属试件，其腐蚀液往往是不同的。对于金属铜而言采用硝酸和盐酸按照1：3的体积进行配置，腐蚀时间维持2-3s即可；对于碳钢采用盐酸和氯化铁溶液进行腐蚀，腐蚀时间维持在30s左右；对于铝合金采用keller’s腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀时间维持在10-20s左右。经腐蚀后的试件采用蒸馏水反复清洗。
⑤试件干燥。将步骤④腐蚀完毕后的靶体试件放置于立式样品架上，置于通风橱中，室温风干，对于易于被空气氧化的试件宜放置于干燥的真空箱中。
⑥靶体微观演化特征及显微硬度测试分析。采用金相显微镜对试件的显微组织进行观察并针对靶体分别对沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口的微观塑性变形进行观测和分析，计算靶体不同位置处的微观塑性变形；除此之外，开展针对试件不同位置处的显微硬度变化测试，获得沿弹体侵彻方向以及沿断口向靶体方向靶体的显微硬度变化规律。针对金属靶体显微硬度测试，外部施加载荷大小为100g，加载时间为10s。
⑦靶体微观演化特征及显微硬度测试数据分析；建立试件微观演化特征及显微硬度变化规律与的目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制。
(5)材料失效典型微观演化特征测试及分析。针对目标靶出现的位错、绝热剪切带、金属晶粒动态重结晶等侵彻过程中易产生的靶体损伤破坏微观演化过程可以借助于具有高的分辨率且能够在原子和分子尺寸直接观察材料内部结构的透射电镜观测方法及表征手段进行观测分析。材料失效典型微观演化特征测试及分析具体包括以下步骤：
①试件裁剪。选取步骤(2)切割获得的另一半对称性靶体，沿其断口的轴向和径向典型区域分别选取制作试件，使用低速单向走丝电火花线切割机分别沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口切割mm量级尺寸的试件。
②试件减薄。选取步骤①切割获得的mm量级试件，进一步对试件进行减薄至μm量级尺寸，减薄手段可以采用离子减薄方法或者双喷减薄方法。
其中，离子减薄方法依次包括以下步骤：预减薄；选取步骤①切割获得的mm量级试件，利用240#砂纸手动将线切割获得的mm量级尺寸试件按照从两边到中间的顺序均匀减薄至μm量级(80μm左右)尺寸。圆片试件制取；利用冲片器沿弹靶作用界面处将μm量级厚度的试件进行冲片穿孔，获得直径为3mm、厚度为80μm左右、包含弹靶作用界面的圆片试件。圆片试件减薄；利用600#砂纸，在磨片机上将圆片试件继续减薄至40μm左右。离子减薄；利用Gatan 691离子减薄仪对圆片试件继续减薄至圆片试件穿孔然后进行精修。首先在冷台环境下调整离子枪的离子束能量和减薄角度，然后利用5KeV离子束能量、10°减薄角度将圆片试件穿孔，最后利用4KeV离子束能量、4°减薄角度将圆片试件精修15分钟直至获得满足透射电镜观测需求的检测试件。
采用双喷减薄方法依次包括以下步骤：预减薄；将块状样品减薄成厚度小于0.1mm的薄片。冲孔；在薄片上冲出直径为3mm的小圆片，将小圆片放入盛有液氮和双喷液的双喷仪中、打开双喷仪的电源，通过调整双喷时形成的电流和电位，对样品进行化学减薄直至穿孔；干燥；将样品迅速的从双喷仪中取出，放入干净的无水乙醇中漂洗3-5分钟，把样品从无水乙醇中取出干燥。
⑥装载试件。将待检测试件装入样品杆，确保试件正面朝上。
⑦材料典型微观演化特征TEM测试及分析。采用TEM对试件的显微组织进行观察并针对靶体分别对沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口的微观变化进行表征分析，对试件开展明场像、暗场像以及选区电子衍射的基本操作。
⑧靶体材料失效起源以及典型微观演化特征规律分析。建立试件中能够表征靶体材料失效起源以及典型微观演化特征变化规律与的目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制。
(6)确定靶体微观易损性阈值。针对弹靶剧烈作用条件下靶体的微观力学失效机制及特点规律，提出针对靶体微观演化受损失效的阈值极限。
针对爆炸成型弹丸高速侵彻钢靶的靶体损伤评估中可以将弹靶作用过程中靶体局部失效时绝热剪切应变临界阈值γi作为靶体宏观失效的临界阈值，此宏观失效阈值必然对应一确定微观条件下的金属晶粒应变值，该金属晶粒应变值可以通过公式
Figure BDA0003059065940000111
进行反推并通过步骤(3)-步骤(5)综合测量确定为[γ]*。一旦金属晶粒的微观应变值达到[γ]*即表示该部分靶体材料产生失效，若金属晶粒的微观应变值尚未达到[γ]*，也可以通过金属晶粒的微观应变实测值确定靶体材料的受损程度。除了采用绝热剪切应变以外，靶体产生的最大塑性应变值、最大屈服应力等参数均可通过力学关系反推给出靶体微观易损性阈值。
(7)靶体侵彻损伤评估。基于步骤(3)-(5)确定的靶体微观损伤破坏特征规律，参考步骤(6)确定的弹靶作用微观易损特性临界阈值给出经过打击后全域靶体的损伤破坏情况，评估靶体不同区域的受损程度。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种弹丸侵彻靶体损伤评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）确定目标靶体宏观失效破坏模式；
2）回收并预处理目标靶体；
3）断口形貌特征分析及元素分布测试；
4）靶体微观演化特征金相观测及显微硬度测试；
5）材料失效典型微观演化特征测试及分析；
6）确定靶体微观易损性阈值；
7）弹丸侵彻靶体损伤评估；
步骤1）是指参照靶体典型失效破坏模式确定打靶试验后靶体的失效破坏模式；
步骤2）是指根据试验后靶体的对称性将靶体沿对称面进行切割；
在步骤3）中建立试件断口形貌特征及元素分布规律与目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制以及弹靶毁伤特性规律；
在步骤4）中建立试件微观演化特征及显微硬度变化规律与目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制；
在步骤5）中建立试件中能够表征靶体材料失效起源以及典型微观演化特征变化规律与目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制；
步骤6）是指针对弹靶剧烈作用条件下靶体的微观力学失效机制及特点规律，提出针对靶体微观演化受损失效的阈值极限；
步骤7）是指：基于步骤3）至步骤5）确定的靶体微观损伤破坏特征规律，参考步骤6）确定的靶体微观易损性阈值给出经过打击后全域靶体的损伤破坏情况，评估靶体不同区域的受损程度。
2.根据权利要求1所述的弹丸侵彻靶体损伤评估方法，其特征在于，步骤1）采用光学三维扫描装置捕捉宏观毁伤区域并利用Geomagic Control软件对成像数据进行重构和特征提取，建立能够描述靶体宏观毁伤3D形貌特征的数据化模型。
3.根据权利要求1所述的弹丸侵彻靶体损伤评估方法，其特征在于，步骤2），对于金属类目标靶体采用线切割的方法切割即采用低速单向走丝电火花线切割机对靶体进行线切割；对于混凝土类目标靶体采用超高压水切割机对靶体进行沿对称面的切割。
4.根据权利要求1所述的弹丸侵彻靶体损伤评估方法，其特征在于，步骤3）具体包括以下步骤：
S1、试件裁剪；选取步骤2）切割获得的其中一靶体沿弹靶接触断口界面的轴向和径向典型位置分别选取制作试件，使用剪板机将靶体断口处材料裁剪成扫描电镜观测台所能容纳的最大尺寸；
S2、试件清洗；上一步骤S1经裁剪后的试件在需要观察的断口界面处采用电动毛丝刷初步去除表面油污及氧化层并用蒸馏水反复冲洗试件，然后采用内置丙酮清洗试剂的超声波清洗机对试件进一步浸没清洗20分钟并用蒸馏水反复冲洗试件，最后采用工业酒精清洗试件并用蒸馏水再次反复冲洗试件；
S3、试件干燥；将上一步骤S2清洗完毕后的靶体断口试件放置于立式样品架上，置于通风橱中，室温风干，对于易于被空气氧化的试件则放置于干燥的真空箱中；
S4、试件溅射喷金处理；通过选择合理的喷金参数，根据需要观测的试件属性在试件断口表面溅射一个额外的导电薄层材料；
S5、断口形貌特征及元素分布测试；采用扫描电子显微镜和能谱仪对断口试件的显微组织、界面形貌、断口形貌进行观察并对化学元素分布进行点分析、线扫描、面分布以及选区元素分析测试；
S6、断口形貌特征及元素分布数据分析；建立试件断口形貌特征及元素分布规律与目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制以及弹靶毁伤特性规律。
5.根据权利要求1所述的弹丸侵彻靶体损伤评估方法，其特征在于，步骤4）具体包括以下步骤：
S1、试件裁剪；选取步骤2）切割获得的另一半对称性靶体，沿其断口轴向和径向典型区域分别选取制作试件，使用低速单向走丝电火花线切割机分别沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口切割所需观测尺寸的试件；
S2、试件镶嵌；对于微小且不易手拿或不规则的金相试件采用酚醛塑料粉或者脲醛塑料粉在金相试样镶嵌仪里通过高温高压进行热固性塑料压制和镶嵌；
S3、试件抛光；将上一步骤S2中的金相试件观测平面在研磨机上采用金相水砂纸对需要观测的截面进行粗磨和精磨，研磨后冲洗掉金相试件观测平面上的砂粒；抛光处理的工艺手段按照先粗后细的方式进行；
S4、试件腐蚀；经过抛光之后的试件需要进一步经过腐蚀处理才能进行金相观察，针对不同的金属试件，采用不同的腐蚀液进行腐蚀处理，经腐蚀后的试件采用蒸馏水反复清洗；
S5、试件干燥；将上一步骤S4腐蚀完毕后的靶体试件放置于立式样品架上，置于通风橱中，室温风干，对于易于被空气氧化的试件则放置于干燥的真空箱中；
S6、靶体微观演化特征及显微硬度测试分析；采用金相显微镜对试件的显微组织进行观察并针对靶体分别对沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口的微观塑性变形进行观测和分析，计算靶体不同位置处的微观塑性变形；除此之外，开展针对试件不同位置处显微硬度变化测试，获得沿弹体侵彻方向以及沿断口向靶体方向靶体的显微硬度变化规律；
S7、靶体微观演化特征及显微硬度测试数据分析；建立试件微观演化特征及显微硬度变化规律与目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制。
6.根据权利要求5所述的弹丸侵彻靶体损伤评估方法，其特征在于：试件腐蚀步骤中，对于金属铜采用硝酸和盐酸按照1：3的体积进行配置，腐蚀时间维持2-3s；对于碳钢采用盐酸和氯化铁溶液进行腐蚀，腐蚀时间维持在30s；对于铝合金采用keller’s腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀时间维持在10-20s。
7.根据权利要求1所述的弹丸侵彻靶体损伤评估方法，其特征在于，步骤5）具体包括以下步骤：
S1、试件裁剪；选取步骤2）切割获得的另一半对称性靶体，沿其断口的轴向和径向典型区域分别选取制作试件，使用低速单向走丝电火花线切割机分别沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口切割mm量级尺寸的试件；
S2、试件减薄；选取步骤S1切割获得的mm量级试件，进一步对试件进行减薄至μm量级尺寸，减薄手段采用离子减薄方法或者双喷减薄方法；
S3、装载试件；将待测试件装入样品杆，确保试件正面朝上；
S4、材料失效典型微观演化特征TEM测试及分析；采用TEM对试件的显微组织进行观察并针对靶体分别对沿断口向靶体内部以及沿弹体入口向出口的微观变化进行观测和表征分析，对试样开展明场像、暗场像以及选区电子衍射的基本操作；
S5、靶体材料失效起源以及典型微观演化特征规律分析；建立试件中能够表征靶体材料失效起源以及典型微观演化特征变化规律与目标靶体宏观失效破坏模式之间的联系，从微观损伤角度揭示靶体的力学失效机制。
8.根据权利要求7所述的弹丸侵彻靶体损伤评估方法，其特征在于：试件减薄步骤中，离子减薄方法依次包括以下步骤：试件预减薄，利用240#砂纸手动将线切割获得的mm量级尺寸试件按照从两边到中间的顺序均匀减薄至μm量级尺寸；圆片试件制取，利用冲片器沿弹靶作用界面处将μm量级厚度的试件进行冲片穿孔，获得直径为3mm、厚度为80μm左右、包含弹靶作用界面的圆片试件；圆片试件减薄，利用600#砂纸，在磨片机上将圆片试件继续减薄至40μm左右；离子减薄，利用Gatan 691离子减薄仪对圆片试件继续减薄至穿孔然后进行精修；
双喷减薄方法依次包括以下步骤：预减薄，将块状样品减薄成厚度小于0.1mm的薄片；冲孔，在薄片上冲出直径为3mm的小圆片，将小圆片放入盛有液氮和双喷液的双喷仪中、打开双喷仪的电源，通过调整双喷时形成的电流和电位，对样品进行化学减薄直至穿孔；干燥，将样品迅速的从双喷仪中取出，放入干净的无水乙醇中漂洗3-5分钟，把样品从无水乙醇中取出干燥。
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