彈丸衝擊下材料微結構演化及絕熱剪切特性（簡體書）

本書研究了鋼彈、鎢合金穿甲彈在不同衝擊速度下衝擊不同材質、不同厚度的靶板，分析在衝擊條件改變時，靶板材料的微觀結構變化，並對材料的破壞機制、破壞過程進行了分析。本書從材料學角度研究了絕熱剪切帶的分類及形成機理，提出了位錯塞積崩塌的絕熱剪切形成機理；研究了連續梯度材料中絕熱剪切特性，提出了剪切帶孕育區和發散的觀點。本書適用於關注材料研究工作的科研人員、軍工企業研發人員，以及軍工院校材料專業師生。

段占強：男，博士，1970年生。1992年畢業于東北工學院，學士，1998年東北大學碩士，2002年中國科學院金屬研究所博士。主要研究方向：納米複合材料製備與性能，高應變率下材料的微結構演化。

前言
隨著科學技術的迅速發展，高速碰撞問題越來越得到人們的重視。材料在高應變速率下變形行為的研究不僅在航空航天、裝甲防護領域，而且在高速切削、爆炸焊接等材料加工領域也得到迅猛發展。在日常生活中，高速列車、汽車的安全防護也涉及這些問題。材料在高應變率下的變形行為已成為現代材料研究的熱點之一。
雖然關於高應變率下材料微結構演化的論文數量巨大，但由於高速變形問題的複雜性和不可複製性，目前國內外尚無從材料學角度系統論述高應變率下材料變形行為的專著，更多的是從力學研究及力學與材料學結合的角度來論述。本書以彈丸侵徹靶板為研究對象，力圖從材料微觀結構演化中給出一些高速衝擊現象的材料學解釋，為高應變率下材料的理論研究提供一些新思路。
材料在衝擊作用下的高速變形特徵與准靜態時不同。在高速變形時伴隨著材料的流動、破碎等現象，而觀察材料的微觀結構會發現，其中出現了絕熱剪切帶等特徵。對此，以往的研究結果表明，絕熱剪切帶的出現會使材料發生突然、災難性的破壞。本書通過不同材料的彈丸對不同材料的靶板進行穿甲試驗，分析在衝擊條件改變時材料微觀結構的變化，並對材料的破壞機制和絕熱剪切帶的形成進行分析。
鎢合金彈丸對45鋼靶板的衝擊，從彈靶界面到靶板內部可分為熔化快凝層、再結晶細晶層、變形細晶層、形變層和正常基體。彈丸的變形以垂直於侵徹方向被壓縮成片層狀為主，當壓縮到臨界值時彈丸破碎，彈丸的變形區域局限在距碰撞點3mm的範圍內。
鋼彈對45鋼靶板的衝擊，從彈靶界面到靶板內部的組織與鎢合金彈丸衝擊45鋼靶板相同。而對殘餘彈體的分析表明，衝擊過程中彈丸以脆性的絕熱剪切方式破壞，彈體的碎片與彈靶基體的碰撞、摩擦使碎片周圍出現如同爆炸焊接的組織。
鎢合金彈丸對裝甲鋼靶板的衝擊，從彈孔表面到靶板內部可分為熔化快凝層、擴散層、變形層和正常基體。彈丸以剪切變形為主，在殘餘彈體內出現初期的絕熱剪切帶。由於衝擊速度不同，在穿孔和彈丸嵌入形成的彈孔周圍出現了幾類絕熱剪切帶，第一類是與侵徹方向夾角約為45°的絕熱剪切帶；第二類是與侵徹方向反向夾角約為45°的絕熱剪切帶；第三類在開坑階段形成，絕熱剪切帶起始於材料內部，終止於材料內部
鎢合金彈丸對具有連續梯度的微觀結構和力學性能的裝甲鋼靶板的侵徹，形成了多種形式的絕熱剪切帶。通過金相觀察得知，絕熱剪切帶不只在45°方向上形成，而是沿多個方向形成，而且絕熱剪切帶有明顯的孕育區。
本書提出了絕熱剪切帶形成的位錯塞積模型，在強度越高的材料中，位錯運動越容易在位錯障礙處塞積，且位錯塞積的程度也越大，使這種位錯塞積發生崩塌所需的應力也越大。當位錯障礙崩塌時，形成高密度的自由位錯，導致材料局部的應力和應變大大超過周圍的基體，這種變形沿剪應力最大的方向發展並最終形成絕熱剪切帶。
本書由段占強和商豔共同完成。感謝中國科學院金屬研究所李守新研究員對本書進行審閱，並提出了許多寶貴意見；感謝程國強教授在本書的理論分析中給予的幫助；感謝張燁同學在鎢合金穿甲彈對連續梯度裝甲鋼靶板侵徹研究工作中的貢獻。
由於著者水平有限，書中難免有不妥之處，望讀者給予批評指正。

著者
2019年1月2日
于瀋陽

第1章 概述 1
1.1 穿甲與裝甲防護 1
1.2 穿甲作用在碰撞問題中的地位 1
1.2.1 穿甲作用的分類方法 2
1.2.2 穿甲作用的應變率範圍 2
1.3 靶板 2
1.4 彈體的碰撞現象 5
1.5 材料高速變形的動態行為及試驗方法 6
1.5.1 穿甲過程中的力學問題研究 6
1.5.2 穿甲過程中的材料學問題研究 10
1.6 衝擊過程中彈丸的損傷破壞研究 19
參考文獻 20
第2章 鎢合金穿甲彈對45鋼靶板衝擊穿孔的微觀結構演化及其破壞機理 23
2.1 試驗材料和試驗方法 24
2.1.1 試驗材料 24
2.1.2 試驗過程 25
2.2 試驗結果與討論 25
2.2.1 靶板的顯微組織 25
2.2.2 殘餘彈體的顯微組織 40
2.2.3 侵徹過程分析 42
參考文獻 43
第3章 鎢合金穿甲彈對45鋼靶板衝擊的微觀結構演化及其破壞機理 45
3.1 試驗材料 45
3.2 試驗過程 46
3.3 結果和討論 46
3.3.1 鎢合金穿甲彈嵌入45鋼靶板的顯微組織 46
3.3.2 鎢合金穿甲彈穿透45鋼靶板的顯微組織 47
3.3.3 殘餘彈體的顯微組織 51
第4章 鋼彈對45鋼靶板衝擊的微觀結構演化 53
4.1 試驗材料 53
4.2 試驗過程 54
4.3 結果和討論 54
4.3.1 彈坑的宏觀形貌 54
4.3.2 殘餘彈體與靶板的顯微組織 55
4.3.3 顯微硬度試驗 59
4.4 侵徹過程分析 60
參考文獻 61
第5章 鎢合金穿甲彈對30CrMnMo裝甲鋼靶板垂直侵徹和斜侵徹的微觀結構演化 62
5.1 鎢合金穿甲彈對30CrMnMo裝甲鋼靶板垂直侵徹的顯微組織研究 62
5.1.1 試驗材料 63
5.1.2 試驗過程 64
5.1.3 結果和討論 64
5.1.4 30CrMnMo裝甲鋼靶板5號彈坑周圍的絕熱剪切帶 72
5.1.5 殘餘彈體的顯微組織 73
5.1.6 侵徹過程分析 76
5.2 鎢合金穿甲彈對30CrMnMo裝甲鋼靶板斜侵徹的顯微組織研究 76
5.2.1 試驗材料和試驗過程 77
5.2.2 試驗結果 77
5.3 本章結論 81
參考文獻 81
第6章 鎢合金穿甲彈對25SiMnMo裝甲鋼靶板侵徹的微觀結構演化 83
6.1 試驗材料 83
6.2 試驗過程 84
6.3 結果和討論 84
6.3.1 三個彈孔及其宏觀形貌 84
6.3.2 三個彈孔周圍的顯微組織 85
6.3.3 彈丸對靶板的侵徹過程及靶板破壞機理分析 95
6.4 本章結論 95
參考文獻 96
第7章 鎢合金穿甲彈對連續梯度裝甲鋼靶板侵徹的研究 97
7.1 連續梯度裝甲鋼的製備及性能 97
7.2 試驗結果分析 102
7.2.1 靶場試驗 102
7.2.2 彈孔的宏觀形貌 102
7.2.3 靶板中出現的幾種絕熱剪切帶 102
7.2.4 納米壓痕儀測試結果及分析 106
7.3 本章結論 110
參考文獻 111
第8章 彈丸對靶板侵徹過程的理論探討 112
8.1 靶板厚度的特性分析 112
8.2 彈坑容積 114
8.3 鎢彈對45鋼靶板侵徹過程中穿孔表面的冷卻 116
8.4 絕熱剪切帶的形成原因 118
8.4.1 絕熱剪切帶形成原因的力學分析 118
8.4.2 絕熱剪切帶形成的材料學分析 122
8.5 本章結論 128
參考文獻 129