典型锡铋合金力热缓解结构在约束下的相变变形机理研究

Mitigation structure of SnBi alloy is a new type function device used in a warhead to potentially reduce the violent response of the system caused by fuel fire threat. The research on effect and deformation control mechanism for prototypical mitigation structure of SnBi alloy under mechanical thermal coupled is very important for improving ammunition inbeing security. The experimental and theoretical ways have already planed to investigating the microstructure evolution law of mitigation structure composed of SnBi alloy molten eutectic material. Trough neutron diffraction stress testing plat, the stress evolvement of mitigation structure can be tested at the mechanical thermal in-suit loading condition, and the influence of round restriction and structure size on the microstructure evolution law of mitigation structure can be achieved. At the same time, the explicit physical constitutive model with microstructure evolution can be established through mechanical experiment and microcosmic analysis of material, which can be validated by the performance of material experiment. Based on the parameters and constitutive model attained from experiment, the numerical analysis model can be established by the method of combined with microcosmic and macrocosmic. The results of simulation can show the prototypical mitigation structure’s mechanical response process of formation and damage under mechanical thermal coupled. Through analysis the results got from simulation and neutron diffraction experiment, the main controls parameter and effecting rules of mitigation structure damage can be concluded. The research has important academic and technical significance for ammunition innovate on security design and evaluating.

SnBi合金力热缓解结构是一种新型功能结构件，在力热刺激下能够发生相变变形，使得因炸药反应而在弹体内部集聚的能量和压力得到有效释放，降低弹药反应烈度。开展SnBi合金缓解结构在力热载荷下的相变变形机理研究，对提高弹药本质安全性具有重要意义。本项目拟从实验和理论方面对典型SnBi合金缓解结构在力热耦合作用下的相变变形机理开展研究。应用中子散射应力检测技术平台，开展热力耦合原位加载条件下SnBi形状记忆合金缓解结构内应力演化实时测试，进而获得环向约束和结构尺寸等因素对形状记忆合金相变过程的影响规律。同时通过材料级试验获得SnBi形状记忆合金的相变温度、微结构演化等关键参数。建立考虑壳体环向约束的形状记忆合金缓解结构数值计算模型，结合中子散射试验结果分析形状记忆合金缓解结构的相变变形机理及外壳体在缓解结构相变驱动下的变形规律，为弹药安全性创新设计与评估提供理论依据和技术支持。

Sn基低熔点合金力热缓解结构是一种新型功能结构件，在力热刺激下能够发生相变变形，使得因炸药反应而在厚壳体弹体内部集聚的能量和压力得到有效释放，降低弹药反应烈度。开展Sn-Bi、Sn-In、Sn-Zn等低温合金缓解结构在力热载荷下的相变变形机理研究，对提高弹药本质安全性具有重要意义。.本项目从实验和理论方面对典型Sn-Bi、Sn-In、Sn-Zn等低温合金缓解结构在力热耦合作用下的相变变形机理开展研究。应用准静态试验机、原位拉伸试验机、霍普金森杆以及纳米压痕等准静态及动态应力-应变检测技术平台，开展热力耦合原位加载条件下Sn-Bi、Sn-In、Sn-Zn等低温合金变形与微观组织演化测试与分析，获得影响Sn基低温合金变形与破坏的影响规律和主要控制机制，结合材料试验数据和材料变形过程的微结构演化分析，建立描述这类低熔点合金考虑温度和应变率效应的本构模型，并通过不同温度下材料准静态和动态性能试验分析获得本构模型参数。同时通过材料级试验获得Sn基低温合金的相变温度、热传导系数、相变潜热、热膨胀系数等关键参数及其随热加载条件之间的影响关系。通过开展环向约束的低温合金缓解结构在热刺激下的数值模拟与实验研究，建立了考虑壳体环向约束的低温合金缓解结构数值计算模型，分析获得了几种低温合金典型缓解结构在热载荷作用下的相变变形规律。在此基础上，针对某常规厚壳体弹药结构特点，以及弹药在外界刺激下可能出现的反应特征，利用装药反应与排气卸压、能量释放间的关联和控制原理，进行系统设计和优化匹配设计出Sn-58Bi低温合金缓解结构。通过快速烤燃试验，初步验证了本项目提出缓解结构能够有效减缓厚壁弹药在热刺激下的反应时间和反应烈度。.本研究有助于加深低温合金在力热载荷作用下的变形与断裂机制、相变转换原理与控制机制的认识，同时也有助于低熔点合金在弹药力热刺激下安全性设计技术与评估方法的提升。