延性W-Ni-X合金冲击断裂机理及罩材适用性研究

The nature of ductile metal fracture under impact loading is the damage evolution of the inhomogeneous microstructure. The relationship between the current ductile metal impact fracture mechanism and the static and dynamic mechanical parameters and related fundamental mechanics issues is not yet clear, which severely limits the development of high-tech materials in the military field. This project focuses on the applicability of EFP cover materials, conducts static mechanical tests, explosive impact tests, and indentation tests on ductile W-Ni-X alloys, develops macro and microscopic inspection technologies, theoretical analysis methods, and thermo-mechanical coupling numerical simulation techniques to establish strong motions. The multi-scale model of thermal damage coupled ductile W-Ni-X alloys was used to reveal the microscopic physical processes, damage formation and evolution mechanism, the internal stress field and temperature field of the material, and the impact fracture mechanism of the material. Explore the interrelationship between parameters of static and dynamic mechanics, establish a functional model of fracture toughness and micro-parameters of the impact section, obtain applicable criteria for EFP cover materials; develop simulation algorithms for thermo-mechanical coupled dynamic constitutive models, and explore the feasibility of W-Ni- X as an EFP liner. This project will promote the understanding of the thermo-mechanical coupling fracture behavior of ductile metals under strong impact, and provide theoretical basis and technical support for the screening and application of new EFP liner.

冲击载荷下延性金属断裂本质是内部非均匀微细观结构的损伤演化。当前延性金属冲击断裂机理和静动态力学参量间关联机制及相关基础力学问题尚不明确，严重限制高新材料在军事领域的发展。本项目围绕EFP罩材适用性研究，开展延性W-Ni-X合金的静态力学实验、爆炸冲击实验、压痕实验，发展宏微观检测技术、理论分析方法和热力耦合数值模拟技术，建立强动载下延性W-Ni-X合金热力耦合的断裂损伤多尺度模型，揭示材料冲击断裂微细观物理过程、损伤形成及演化机制、材料内应力场与温度场的变化规律，阐明材料冲击断裂机理；探索静动态力学参量间关联机制，建立断裂韧性与冲击断面微观参量间的函数模型，获得EFP罩材适用判据；开发热力耦合动态本构模型的仿真算法，探索W-Ni-X作为EFP罩材的可行性。本项目将推动对强冲击下延性金属热力耦合断裂行为的认知，并为新型EFP罩材的筛选和应用提供理论基础和技术支持。

药型罩材料是影响EFP威力性能的重要因素，高密度合金罩材对于提高EFP威力具有潜在的应用前景，但在炸药爆轰的极端加载变形条件下，以W-Ni-X合金为代表的高密度合金难以形成完整侵彻体，已成为制约其应用于EFP的技术瓶颈。因此，明确W-Ni-X合金断裂失效原因，探索合金罩材选取理论等科学问题，从而解决高密度合金罩材的应用难题，对于高效毁伤EFP弹药的创新发展具有重要的现实意义。.本项目主要研究了W-Ni-X合金冲击断裂机理和可用罩材形成EFP的塑性变形机制；在此基础上，研究了EFP罩材的使用性能要求，构建了相应的合金罩材选取准则；开展了典型W-Ni-X罩材设计制备及实验等工作，实现对罩材选取准则的验证。.研究钨含量对W-Ni-X合金成型性能的影响规律，结合微观组织特征分析得到其冲击断裂机理。揭示了典型高密度合金材料难以形成完整侵彻体的本质原因，在于多相材料不同相之间的性能差异。.选取晶格类型不同的经典可用罩材，在获取成型稳定状态EFP试样的基础上，研究药型罩材料的微观组织演化过程。基于对EFP温升的理论推导和定量分析，得到应变对微观结构参数变化的影响规律，确定了动态再结晶是控制可用EFP罩材顺利形成侵彻体的共同内在机制。.基于塑性变形位错运动理论，综合分析金属材料作为EFP候选罩材所必须具备的使用性能，明确EFP药型罩材料的选取类型和范围，提出EFP药型罩用高密度合金材料选取准则：首先，合金应为完全固溶体的单相材料；其次，若溶剂金属为非面心立方结构，则须具备低于服役环境温度的韧脆转变温度。.依据提出的罩材选取准则，设计并制备典型烧结态W-Ni-Co三元系合金，进行了制备工艺参数研究并得到能够用作EFP罩材的单相合金。研究不同微观组织类型的合金试样的EFP罩材适用性，确定了只有具备单相组织的合金具备作为EFP罩材的性能潜力。开展了烧结态单相W-Ni-Co合金EFP的成型试验，结果验证了EFP罩材选取准则的正确性和有效性。.研究成果为EFP罩材选取提供明确的理论依据，为新型合金罩材设计和研制奠定技术基础。