为研究钨丝/锆基非晶复合材料(以下简称“钨丝集束”)弹芯侵彻有限厚靶板的侵彻性能及靶后毁伤能力，采用长径比为15.4、体积分数为80%的钨丝集束(钨丝增强相直径为0.3mm)弹芯在(1600±20)m/s的速度下对有限厚45钢靶板进行侵彻实验，并与91钨合金弹芯进行对比。分析了45钢靶板及后效靶的宏观毁伤效果，得到两种材料侵彻体靶后毁伤特征参数及靶后破片飞散特性参数，讨论了两种材料弹芯靶后毁伤机制的差异。研究结果表明：与91钨合金弹芯相比，钨丝集束弹芯侵彻靶板的弹坑直径更小，说明钨丝集束弹芯侵彻过程中具有结构“自锐”特性，侵彻过程中能量耗散更小，侵彻性能更高。此外，由于钨丝集束弹芯的拉压不对称特性，使得钨丝集束弹芯在出靶后弹芯材料随即发生破碎、离散，对距靶板0.5m处2A12后效靶的毁伤面积分别为钨合金弹芯的1.7倍和1.63倍，有效破片数量分别为后者的2.76倍和1.61倍，破片飞散角及后效靶最大破口尺寸均大于钨合金弹芯，增大了对靶后目标的毁伤能力。
关键词：钨丝集束;有限厚靶;钨合金;侵彻性能;毁伤后效
论文《钨丝/锆基非晶弹芯贯穿靶板靶后破片飞散特性》发表在《弹道学报》，版权归《弹道学报》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
目前，用于打击装甲目标的动能毁伤元为钨合金侵彻体[1]，其虽具有一定的侵彻能力，但在靶后产生的有效杀伤破片数量少，难以在靶后产生预期的杀伤效果。而用于靶后杀伤的PELE[2]及易碎钨合金[3]等毁伤元，因结构和材料的特点，侵彻能力较低，难以满足目前的军事需求。因此，研究一种兼备侵彻能力和靶后杀伤能力的毁伤元对打击典型重型装甲防护目标具有重要意义。
钨丝集束具有高密度、高强度及侵彻“自锐”特性，其在新型武器装备研究应用领域得到越来越多的关注，已成为国内外学者研究的热点侵彻体材料之一。观察靶板毁伤形貌发现，钨丝集束在侵彻过程中具有明显的“自锐”特性，其侵彻能力优于钨合金，平均侵彻深度较钨合金提高10%左右[4-8]。此外，锆基非晶是一种典型的亚稳态活性材料，压缩塑性变形低于2%[8]，在高速侵彻有限厚靶板后易发生碎化现象，这种典型的材料学特性使锆基非晶破片不仅具有一定的侵彻能力，还有Al/PTFE等含能破片一样的靶后释能效应[9]。文献[10-11]研究认为，锆基破片在靶后不仅具有良好的破碎特性，还具有一定的引燃纵火能力，靶后毁伤能力优于钨合金破片。YU等[12]基于FEM/SPH自适应耦合算法和高速摄影技术发现，锆基非晶破片侵彻TC4屏蔽靶后，在后效靶上产生的破孔面积为813mm²，飞散角为24.2°，靶后破碎性能优于钨合金。WEI等[13-14]基于机械冲击试验研究了锆基非晶侵彻体破片质量分布及破片尺寸大小对非晶材料释能特性的影响，结果表明，破片尺寸越小，破片的燃烧释能速率越高，靶后杀伤效果更好。钨丝集束材料中的基体材料为锆基非晶合金，由于钨丝的体积分数较高，所以钨丝集束中基体都为小尺寸的锆基非晶合金，且钨丝集束为典型的拉压不对称材料，材料径向动态抗拉强度仅为253MPa[15]，远小于钨合金的1953MPa[16-17]。由此证明，钨丝集束弹芯在出靶后更易发生径向离散，不仅具有高的侵彻能力，而且可能具有好的靶后破碎特性，是一种兼具侵彻能力和靶后毁伤的新型侵彻材料。但是，目前对钨丝集束侵彻有限厚靶板的侵彻性能及靶后毁伤特性研究鲜有报道，有待进一步开展系统性深入研究。本文研究小口径钨丝集束弹芯靶后飞散及毁伤特性，对钨丝集束弹芯侵彻120mm厚45钢靶板进行弹道冲击实验，并与91钨合金弹芯进行对比。通过弹道冲击实验，对比两种材料弹芯侵彻弹坑的宏观形貌、后效靶毁伤面积、有效破片数量等毁伤参数，分析钨丝集束弹芯靶后破碎及毁伤特性。
1 实验设计
为研究钨丝集束弹芯靶后破片飞散及毁伤特性，按图1设置实验现场，利用37mm滑膛弹道炮驱动两种材料弹芯撞击目标靶板，在距离炮口8m位置，设置通断靶测量弹芯着靶速度。距600mm×600mm×60mm的45钢靶前后叠加布置作为目标靶板。综合考虑两种材料弹芯靶后破片杀伤威力及破片飞散等因素，故将尺寸为600mm×600mm×2mm的2A12铝合金后效靶放置于距45钢靶板背面0.5m处，用于收集破片成型信息及飞散数据。
实验所用弹丸结构如图2所示，包括弹芯、弹托和尾翼。弹丸为次口径穿甲弹，弹丸整体采用底推式结构，将弹芯固定在3瓣120°铝制弹托中。弹丸在飞行过程中，弹托受空气阻力作用与弹芯分离。弹芯直径为11mm，长度为170mm，长径比为15.4。弹芯材料为钨丝集束和91钨合金弹芯。试验有效数据为3发，其中钨丝集束弹丸2发，钨合金弹丸1发，试验中撞击速度为(1600±20)m/s，实验参数设置如表1所示。
表1 弹芯试验参数 Table 1 Experimental parameters of rod
| 弹芯材料 | 编号 | 侵彻体质量 / g | 弹丸总质量 / g | 着靶速度 /(m·s⁻¹) |
| 钨丝集束 | 1 | 117.8 | 254.2 | 1594 |
| 钨丝集束 | 2 | 117.1 | 256.1 | 1611 |
| 91钨合金 | 3 | 118.5 | 255.3 | 1605 |
图1 实验布置 Fig. 1 Experimental layout
图2 实验所用弹丸结构 Fig. 2 Projectile used in the experiment
(a)弹丸整体结构;(b)弹芯结构;(c)钨丝集束微观形貌;(d)钨丝细节形貌
2 实验结果与分析
2.1 弹芯侵彻实验结果
实验所用前效靶为两块前后叠加的45钢板，由于第一块靶板仅包含开坑阶段和部分侵彻阶段的侵彻信息，且由文献[8]可知，两种材料弹芯开坑阶段变形方式和开口直径基本一致，仅在稳定侵彻阶段和冲塞阶段的弹坑尺寸有所差异，而弹坑稳定侵彻阶段和出口冲塞阶段均在第二块靶板中，因此实验结束后，为研究两种材料弹芯侵彻性能及靶后特性，只对第二块靶板沿弹坑周线方向切割，弹坑宏观形貌如图3所示。其中图3(a)和图3(b)为钨丝集束弹芯侵彻弹孔形貌，图3(c)为钨合金弹芯侵彻的弹孔形貌。为分析两种材料弹芯侵彻性能差异，在沿弹芯侵彻方向每隔0.5mm设置一个测量点，测量弹坑直径，并对测量结果求均值作为该弹坑的平均弹径。
图3 弹坑宏观形貌 Fig. 3 Longitudinal section of crater
(a)钨丝集束弹芯1;(b)钨丝集束弹芯2;(c)91钨合金弹芯
由实验结果可知，两种材料弹芯均穿透120mm厚的45钢靶板，但通过测量两种材料弹芯侵彻弹坑尺寸可知，钨丝集束弹芯侵彻弹坑在稳定侵彻阶段平均直径分别为23.2mm和24.9mm，而钨合金弹坑平均直径为26.4mm，实验结果表明，钨合金弹芯在稳定侵彻阶段的平均直径为钨丝集束的1.13倍和1.06倍。这与文献[7]研究结果一致。在侵彻过程中钨丝集束弹芯头部尺寸小于钨合金弹芯，即发生了“自锐”效果，这种“自锐”效应使弹坑平均直径小于钨合金弹芯侵彻弹坑，所以侵彻过程中所受靶板抗力及侵彻过程中侵蚀靶板消耗的动能均小于钨合金，侵彻性能优于钨合金。
2.2 弹芯靶后破碎实验结果
定义飞散角( heta=2arctan((R-(d/2))/L))，L为钢靶板背面与后效靶迎弹面的距离，并定义L=0.5m;d为两种材料弹芯侵彻钢弹坑出口直径;R为后效靶毁伤区域半径，具体如图4所示。
根据终点效应概念[18]，两种材料弹芯靶后破片覆盖区域为破片毁伤区域。定义有效破片数量统计方法：穿透后效靶破片算1枚，嵌入破片计为0.5枚。
图4 飞散角定义 Fig. 4 The definition of spatial emission angle
图5、图6分别为两种材料弹芯后效靶迎弹面及背面毁伤结果。由图可知，钨丝集束后效靶表面聚集大量离散弯曲断裂的钨丝、破碎锆基非晶黏结相和解体弹芯残体撞击形成的破口、凹痕。后效靶破孔呈不规则形状，破孔边缘的损伤形式非常复杂，有断裂损伤、撕裂损伤以及部分区域发生形变向后翻花，破口周围金属有较大的挠度弯曲，破孔整体呈“花瓣形”破口形貌。而钨合金弹芯在靶后形成的细小麻点和少量弹芯残体撞击形成的破孔凹痕，后效靶破孔呈不规则形状，破孔损伤形式较为单一，均为贯穿损伤。为更详细地分析两种材料靶后破片飞散毁伤情况，测量了后效靶最大破口尺寸、有效破片数量，并计算了两种材料的靶后破片扩散角度及后效靶毁伤面积，结果见表2。
图5 两种材料弹芯后效靶迎弹面毁伤情况 Fig. 5 Front damage of aluminum alloy plate by two materials rod
(a)钨丝集束弹芯1;(b)钨丝集束弹芯2;(c)91钨合金弹芯
图6 两种材料弹芯后效靶背面毁伤情况 Fig. 6 Back damage of aluminum alloy plate by two materials rod
(a)钨丝集束弹芯1;(b)钨丝集束弹芯2;(c)91钨合金弹芯
表2 两种材料弹芯靶后破片毁伤特征参数 Table 2 Damage characteristic parameters of fragments behind-target impacted by two kinds of material rods
| 弹芯材料 | 编号 | 弹坑出口直径 / mm | 破片飞散角度 /(°) | 毁伤面积 / cm² | 后效靶最大破口尺寸 | | 有效破片数量 | |
| | | | | | 长度 / cm | 宽度 / cm | 穿透 | 嵌入 |
| 钨丝集束 | 1 | 41.0 | 46.5 | 1734 | 12 | 7 | 102 | 15 |
| 钨丝集束 | 2 | 33.7 | 46.1 | 1661 | 21 | 11 | 55 | 19.5 |
| 91钨合金 | 3 | 36.0 | 35.3 | 1017 | 3 | 1 | 40 | 12 |
分析可知，钨丝集束弹芯靶后有效破片分布密度明显大于钨合金弹芯。破片毁伤区域直径分别为47cm和46cm，分别为钨合金弹芯的1.3倍和1.27倍。后效靶毁伤面积分别为1734cm²和1661cm²，分别为后者的1.7倍和1.63倍。钨丝集束弹芯的有效破片数量分别为117枚和74.5枚，分别为后者的2.93倍和1.86倍，其破片飞散角分别为46.5°和46.1°，而钨合金弹芯仅为35.3°。此外，钨丝集束弹芯后效靶表面最大破口尺寸更大，分别为7cm×12cm和21cm×11cm，而钨合金仅为3cm×1cm。综上可知，钨丝集束弹芯靶后破片飞散效果更好，毁伤面积更大，有效破片数量更多，靶后毁伤效果更好。此外，对比发现，图5(a)和图5(b)两发钨丝集束弹芯靶后有效破片数量及最大破口尺寸差异较大。其原因主要为：图5(b)和图6(b)弹芯在靶后未完全离散，造成第二发钨丝集束弹芯靶后有效破片数量少于第一发，最大破口尺寸大于第一发钨丝集束弹芯。
图7为两种材料弹芯不同阶段变形模式示意图。结合后效靶毁伤情况及破片分布情况可知，由于钨丝集束弹芯径向强度较低，仅为253MPa，因此，在出靶后，弹芯在径向解体，产生大量具有较高径向速度的钨丝段和基体材料碎片，增大了靶后毁伤面积，此外，碎化的Zr非晶材料会促进其发生晶化反应，产生类似于爆炸等现象，进一步强化了复合材料的靶后杀伤效果。而钨合金弹芯出靶后弹芯的径向保持出靶瞬间的形变状态，产生一定程度的弹塑性变形，并在塑性变形较大位置发生断裂，形成一定数量的破片，呈现在后效靶表面，靶后毁伤能力弱于钨丝集束弹芯。
图7 两种材料弹芯不同阶段的变形模式 Fig. 7 Schematic illustration of the behavior at individual stages
(a)钨丝集束弹芯;(b)91钨合金弹芯
2.3 两种材料弹芯靶后飞散特性分析
由于2号钨丝集束弹芯后效靶破口尺寸较大，对后续有效破片分布密度及有效破片数量统计影响较大，因此，后续破片特性分析均以钨合金弹芯和1号钨丝集束弹芯为例。
由前节破片飞散角测量结果可知，两种材料弹芯靶后破片扩散角最大值为46.5°。因此，本节对比两种材料弹芯靶后破片飞散特性。对后效靶飞散角每隔5°进行分区，定义(N_{ heta})为飞散角小于( heta+Delta heta)范围内的破片累积数量，(Delta heta=5^{circ})，θ初始值为0°。两种材料破片累积统计结果拟合曲线如图8(a)所示，两种材料弹芯靶后破片数量累计数量(N_{ heta})拟合结果分别为：
[N_{ heta,W}=-9.7+54.8×expleft(-frac{ heta-44.7}{23.8}
ight)^2quad(1)]
[N_{ heta,Wf}=-26.3+144×expleft(-frac{ heta-46.6}{24.1}
ight)^2quad(2)]
各飞散角区间内破片数量(N')如图8(b)所示。
由图8(a)、图8(b)可以看出，各飞散角区间内，钨丝集束弹芯无论靶后破片累计数量，还是各飞散角区间内破片数量均大于钨合金弹芯。表明，钨丝集束弹芯靶后破碎和离散程度优于钨合金弹芯。此外，由图8(b)可知，钨丝集束弹芯靶后破片密集区主要集中在飞散角为5°~40°的区间，而钨合金破片密集区仅在5°~30°范围内，破片覆盖面积小于钨丝集束弹芯，靶后杀伤能力弱于钨丝集束弹芯。
图8 破片数量和飞散角的关系 Fig. 8 The relationship between debris number and spatial emission angle
(a)破片累计数量与飞散角关系;(b)各区间破片数量与飞散角关系
为统计两种材料弹芯靶后破片数量，定义(N_i( heta))为弹芯靶后破片相对累计数量，即：
[N_i( heta)=N_{ heta}/Nquad(3)]
式中：N为弹芯靶后破片总数。
认为两种材料弹芯靶后破片数量均服从Weibull分布，并用下式对不同区域内破片数量进行拟合：
[N_i( heta)=1-Kexpleft(-frac{ heta}{A}
ight)^Bquad(4)]
式中：A、B、K为待定系数。拟合结果如图9所示。在图9中，两种材料弹芯靶后破片累计数量与飞散角关系拟合系数分别为0.99和0.98，表明采用式(4)拟合两种材料弹芯靶后破片累计数量与飞散角关系方法可行。两种材料弹芯靶后破片累计数量与飞散角关系为：
[N_{i,W}( heta)=1-0.949×exp(- heta/12.7)^{2.16}quad(5)]
[N_{i,Wf}( heta)=1-0.975×exp(- heta/12.98)^{2.06}quad(6)]
图9 破片累计数量和飞散角关系 Fig. 9 The relationship between relative accumulative number and spatial emission angle
2.4 两种材料弹芯靶后有效破片分布密度分析
两种弹芯材料靶后破片分布情况受弹芯靶后姿态、弹芯靶后破碎解体位置等因素的影响。因此为简化计算模型，作如下假设：①弹芯出靶后，弹芯运动方向不发生改变，弹芯轴向方向仍与靶板法线方向重合，忽略弹芯侵彻过程对弹丸运动方向的影响;②两种材料弹芯在出靶瞬间即发生变形、破碎及离散过程。
根据前节统计结果，得到两种材料弹芯破片群完全作用在后效靶时各区域有效破片分布密度(
ho_{ heta})，可表示为(
ho_{ heta}=N_{ heta}/S_{ heta})。(S_{ heta})为破片飞散角θ对应后效靶毁伤面积，(S_{ heta}=frac{pi}{4}(d^2+4L^2tan^2 heta))，d为45钢靶板出口直径，L为后效靶距靶板背面距离。
将前节计算结果代入式(6)中，计算求得各区间内破片分布密度如图10所示。由图10可知，钨丝集束弹芯靶后各区域有效破片分布密度均大于钨合金，结合前文研究结果可知，钨丝集束弹芯靶后杀伤能力优于钨合金。
图10 有效破片分布密度和飞散角关系 Fig. 10 The relationship between debris density and spatial emission angle
3 结束语
本文通过侵彻及靶后破片飞散实验，对比分析了钨合金弹芯和钨丝集束弹芯撞击有限厚45钢靶板的侵彻性能优劣和毁伤后效差异，并通过实验现象得到如下结论：
① 在侵彻过程中钨合金弹芯材料发生塑性流变，其头部不断钝化、镦粗，使弹坑呈“喇叭形”;而钨丝集束弹芯中钨丝翻转、屈曲回流，使其在侵彻过程中保持“自锐”，弹坑平直，稳定侵彻阶段及冲塞阶段弹坑直径均小于钨合金，钨丝集束弹芯在侵彻过程中能量损失更少，侵彻性能更好。
② 钨丝集束弹芯后效靶毁伤面积为1734cm²和1661cm²，分别为钨合金弹芯的1.7倍和1.63倍，靶后破片飞散角为46.5°和46.1°，靶后有效破片数量分别为117枚和74.5枚，分别为钨合金弹芯的2.93倍和1.86倍。与钨合金弹芯相比，钨丝集束弹芯靶后破碎程度更高，形成的碎片云分布范围更广，有效破片分布密度更大，毁伤后效更强。
③ 根据本文所拟合的破片数量、靶后破片累计数量与飞散角的关系，可以计算两种材料弹芯侵彻有限厚靶板的靶后破片分布特性，为弹目匹配及毁伤评估提供一定的数据支撑。
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