电铸镍药型罩侵彻体的高速变形行为

D0I:10.13374/j.issnl(00103x.2011.01.018 第33卷第1期 北京科技大学学报 Vo]33 No 1 2011年1月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng Jan 2011 电铸镍药型罩侵彻体的高速变形行为 李春华区成生伟王雷 杨峰田文怀 北京科技大学材料科学与工程学院，北京10⑩083 ☒通信作者，E-mail lichunhua@ah四cm 摘要利用直流电铸法制备纯镍药型罩，对其爆炸变形前后的微观组织和织构进行对比观察，探讨电铸镍药型罩爆炸变形 后侵彻体的高速变形行为.结果表明，电铸镍药型罩的晶粒形态由变形前的柱状晶转变为等轴晶，变形前存在的微观织构消 失.侵彻体在高速变形过程中经历的是绝热变形过程。侵彻体与靶体的相互作用促使射流发生融化.并与靶体熔融形成铁镍 合金.熔融的铁镍合金与侵彻体后续跟进的杵体发生接触，在杵体外部边缘部位凝固，生成复合组织.杵体在整个变形过程 中经历了典型的动态回复和动态再结晶过程. 关键词电铸：镍：药型罩：爆炸：动态再结晶 分类号T410333 High speed defomm ation behavior of the electrofom ed nickel liner of shaped charge LIChunhu CHENG Sheng wei WANG Lei YANG Feng TIAN Wenhuai School ofMaterials Science and Engneerng Unive rsity of Science and Technology Beijing Beijing100083 China Comespand ing auhor Email lichunhuang@yahoo a ABSTRACT The pure nckel liner of shaped chargewas prepared by usng a d irect current electropm ing techn Aue The high speed depmaton mechanis of the jet fomed by exp psive detonation in he electrofomed nickel liner of shaped chage was discussed by comparng hemicros tucture and microtexture of te nickel liner of shaped charge before and after explos ie detonation Experin ental results shov hat the orginal grains with a columnar shape change to equ iaxed grans and fibber texures exised n he nickel liner of shaped charge d isappear due high speed explosive detonation The et and sug pmed by exppsive detonation undergo an adiabatic process A meltng phenoneon was dserved due p he interacton beween the jet and aarget and a FeNialloy is fomed Themelt ng FeNialloy oms a comp lex structure by soldification around the surface of the slug when itmeets the plpwing slug It is ind icated that dynam ic recovery and recrystallization phy an mportant role for hgh speed de fomation in the eectofomed nickel lner of shaped charge during the explosive depnation process KEY WORDS electropming nickel shapel charge liner depnation dynamic recrystallivaton 电铸，作为一种现代加工技术，无论是在民用还 侵彻装甲目标冈.药型罩在形成射流过程中要承受 是军工领域都有着非常重要的用途.目前，电铸药 的冲击载荷高达30GPa远高于一般药型罩材料的 型罩是军工方面最常用也是最重要的应用之一，金 屈服强度，应变率超过10，并且伴随着剧烈的 属镍以其高强度、高塑性、高密度(89：r3)和 升温乳.研究者一般把这种情况下的变形金属当作 高声速(4970ms1)等优良性能.成为制备药型罩 不可压缩的流体来处理.这种流态金属的性能 的最佳备选材料 与低应变速率下的固态金属有着极大的差别，到目 实弹打靶中，利用炸药的聚能爆轰作用，金属药 前为止，由于实验条件的限制，人们对射流形成的过 型罩被压垮变形而形成高速的侵彻体，进而以动能 程、相应材料的组织性能变化和药型罩材料在爆炸 收稿日期：2010-01-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N00671012)

第 33卷 第 1期 2011年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.1 Jan.2011 电铸镍药型罩侵彻体的高速变形行为 李春华 成生伟 王 雷 杨 峰 田文怀 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 通信作者, E-mail:lichunhua79@yahoo.cn 摘 要 利用直流电铸法制备纯镍药型罩, 对其爆炸变形前后的微观组织和织构进行对比观察, 探讨电铸镍药型罩爆炸变形 后侵彻体的高速变形行为.结果表明, 电铸镍药型罩的晶粒形态由变形前的柱状晶转变为等轴晶, 变形前存在的微观织构消 失.侵彻体在高速变形过程中经历的是绝热变形过程.侵彻体与靶体的相互作用促使射流发生融化, 并与靶体熔融形成铁镍 合金.熔融的铁镍合金与侵彻体后续跟进的杵体发生接触, 在杵体外部边缘部位凝固, 生成复合组织.杵体在整个变形过程 中经历了典型的动态回复和动态再结晶过程. 关键词 电铸;镍;药型罩;爆炸;动态再结晶 分类号 TJ410.3 + 33 Highspeeddeformationbehavioroftheelectroformednickellinerofshaped charge LIChun-hua , CHENGSheng-wei, WANGLei, YANGFeng, TIANWen-huai SchoolofMaterialsScienceandEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China Correspondingauthor, E-mail:lichunhua79@yahoo.cn ABSTRACT Thepurenickellinerofshapedchargewaspreparedbyusingadirectcurrentelectroformingtechnique.Thehighspeed deformationmechanismofthejetformedbyexplosivedetonationintheelectroformednickellinerofshapedchargewasdiscussedby comparingthemicrostructureandmicrotextureofthenickellinerofshapedchargebeforeandafterexplosivedetonation.Experimental resultsshowthattheoriginalgrainswithacolumnarshapechangetoequiaxedgrainsandfibbertexturesexistedinthenickellinerof shapedchargedisappearduetohighspeedexplosivedetonation.Thejetandslugformedbyexplosivedetonationundergoanadiabatic process.Ameltingphenomenonwasobservedduetotheinteractionbetweenthejetandtarget, andaFe-Nialloyisformed.Themelt￾ingFe-Nialloyformsacomplexstructurebysolidificationaroundthesurfaceoftheslugwhenitmeetsthefollowingslug.Itisindicated thatdynamicrecoveryandrecrystallizationplayanimportantroleforhighspeeddeformationintheelectroformednickellinerofshaped chargeduringtheexplosivedetonationprocess. KEYWORDS electroforming;nickel;shapedchargeliner;detonation;dynamicrecrystallization 收稿日期:2010-01-26 基金项目:国家自然科学基金资助项目 (No.50671012) 电铸, 作为一种现代加工技术, 无论是在民用还 是军工领域都有着非常重要的用途.目前, 电铸药 型罩是军工方面最常用也是最重要的应用之一 .金 属镍以其高强度、高塑性 、高密度 ( 8.9 g· cm -3 )和 高声速 ( 4 970 m·s -1 )等优良性能, 成为制备药型罩 的最佳备选材料 [ 1] . 实弹打靶中, 利用炸药的聚能爆轰作用, 金属药 型罩被压垮变形而形成高速的侵彻体, 进而以动能 侵彻装甲目标 [ 2] .药型罩在形成射流过程中要承受 的冲击载荷高达 30 GPa, 远高于一般药型罩材料的 屈服强度, 应变率超过 10 5 s -1 , 并且伴随着剧烈的 升温 [ 3] .研究者一般把这种情况下的变形金属当作 不可压缩的流体来处理 [ 4--5] .这种流态金属的性能 与低应变速率下的固态金属有着极大的差别 .到目 前为止, 由于实验条件的限制, 人们对射流形成的过 程 、相应材料的组织性能变化和药型罩材料在爆炸 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2011.01.018

。54 北京科技大学学报 第33卷 过程的高速变形机理知之甚少，形成的侵彻体与靶 30惡IL1HB0.使用纯度为99.985%的镍板作为 体的相互作用以及变形机理的研究也很少.本文利 阳极，并将其放入阳极篮中，以减少阳极泥向铸液中 用直流电铸技术制备纯镍药型罩并进行静破甲实 扩散.使用不锈钢锥形模作为电沉积的芯模，使用 验，通过观察，对比电铸镍药型罩经历爆轰变形前后 前芯模经过机械抛光、丙酮超声清洗，最后在硝酸溶 的微观组织和织构变化，对静破甲实验后的杵体进 液中钝化30以保证电铸镍药型罩能够成功脱模. 行微观组织和化学成分分析，对电铸镍药型罩的高 电铸液温度保持在53℃，H值为40阴极电流密 速变形行为进行初步探讨. 度为4Am2.在使用添加剂的条件下，直流电铸 实验材料及方法 厚度约为3m的药型罩毛坯.电铸镍药型罩毛坯 1 经过450℃、2的真空退火后，精加工制成精密药 制备电铸镍药型罩的实验设备在文献[6]中己 型罩，聚能装药后，进行静破甲实验，静破甲后回收 详细描述.本实验中电铸液的主要成分为4008 到质量为7.5的杵体.图1(3和(b分别是所制 C Ni NH0)24HQ10每LNC·6HO和 备电铸镍药型罩毛坯和收集到杵体的外观图. 5 mm 图1电铸镍药型罩和杵体的外观图.（药型罩：（杵体 F I Phoos of ekectropmed nickel liner of shaped charge(a and recovered sug(b 利用光学显微镜对电铸镍药型罩和静破甲实验 后杵体的微观组织进行对比观察，利用配有X射线 能谱仪的日立S520扫描电镜对杵体微观组织和 化学成分进行分析，并利用电子背散射衍射分析技 术(EBSD对杵体的晶粒取向分布进行分析，探讨 电铸镍药型罩经历爆炸变形后侵彻体的高速变形 行为. 20m 2实验结果 图2电铸镍药型罩中沿壁厚方向的微观组织 21电铸镍药型罩的微观组织特征 F 2 Micostuc ture a bng the thickness of the elc trofmed nickel 图2是电铸镍药型罩沿壁厚截面的金相组织. liner of shaped chage 从图中可以看出，药型罩的晶粒沿壁厚方向呈柱状 行了分析.图3（马和(b分别是高速变形前电铸镍 晶形态分布.沿药型罩整体壁厚方向的观察显示， 药型罩外表面，即垂直于晶粒生长方向对200个以 药型罩内表面处，晶粒的尺寸小于药型罩外表面的 上的晶粒进行分析得到的{100极图和反极图.从 晶粒，呈现一定的不均匀性.这种晶粒尺寸沿整个 图3显示的极图和反极图可以看出，电铸镍药型罩 药型罩壁厚方向分布的不均匀性通过硬度测试结果 的晶粒取向有明显的偏聚，大部分晶粒分布在靠近 也得到确认.研究表明，这种晶粒形态的柱状结构 [100方向周围.经分析可知，电铸镍药型罩中存在 是电镀镀层中常见的一种晶粒生长形式”.一般纯 [100]丝织构，也就是说大部分晶粒沿药型罩的壁 金属沉积物通常采取柱状的生长方式，开始时先形 厚以[100取向生长，最终晶粒呈柱状晶形态.研究 成细晶，随后柱状晶形核并长大8- 表明，电铸金属所形成的微观织构的取向与电铸液 利用EB9D技术对电铸镍药型罩的微观织构进 成分和工艺参数有关0.药型罩在受到爆轰力作

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 过程的高速变形机理知之甚少.形成的侵彻体与靶 体的相互作用以及变形机理的研究也很少 .本文利 用直流电铸技术制备纯镍药型罩并进行静破甲实 验, 通过观察, 对比电铸镍药型罩经历爆轰变形前后 的微观组织和织构变化, 对静破甲实验后的杵体进 行微观组织和化学成分分析, 对电铸镍药型罩的高 速变形行为进行初步探讨. 1 实验材料及方法 制备电铸镍药型罩的实验设备在文献 [ 6] 中已 详细描述 .本实验中电铸液的主要成分为 400 g· L -1 Ni( NH2 SO3 ) 2·4H2O、10 g·L -1 NiCl2· 6H2O和 30 g·L -1 H3BO3 .使用纯度为 99.985%的镍板作为 阳极, 并将其放入阳极篮中, 以减少阳极泥向铸液中 扩散.使用不锈钢锥形模作为电沉积的芯模, 使用 前芯模经过机械抛光 、丙酮超声清洗, 最后在硝酸溶 液中钝化 30 s以保证电铸镍药型罩能够成功脱模 . 电铸液温度保持在 53 ℃, pH值为 4.0, 阴极电流密 度为 4 A·dm -2 .在使用添加剂的条件下, 直流电铸 厚度约为 3 mm的药型罩毛坯 .电铸镍药型罩毛坯 经过 450 ℃、2 h的真空退火后, 精加工制成精密药 型罩, 聚能装药后, 进行静破甲实验 .静破甲后回收 到质量为 7.5 g的杵体 .图 1( a)和 ( b)分别是所制 备电铸镍药型罩毛坯和收集到杵体的外观图. 图 1 电铸镍药型罩和杵体的外观图.( a) 药型罩;(b) 杵体 Fig.1 Photosofelectroformednickellinerofshapedcharge( a) andrecoveredslug( b) 利用光学显微镜对电铸镍药型罩和静破甲实验 后杵体的微观组织进行对比观察, 利用配有 X射线 能谱仪的日立 S--520扫描电镜对杵体微观组织和 化学成分进行分析, 并利用电子背散射衍射分析技 术 ( EBSD)对杵体的晶粒取向分布进行分析, 探讨 电铸镍药型罩经历爆炸变形后侵彻体的高速变形 行为 . 2 实验结果 2.1 电铸镍药型罩的微观组织特征 图 2是电铸镍药型罩沿壁厚截面的金相组织. 从图中可以看出, 药型罩的晶粒沿壁厚方向呈柱状 晶形态分布.沿药型罩整体壁厚方向的观察显示, 药型罩内表面处, 晶粒的尺寸小于药型罩外表面的 晶粒, 呈现一定的不均匀性 .这种晶粒尺寸沿整个 药型罩壁厚方向分布的不均匀性通过硬度测试结果 也得到确认.研究表明, 这种晶粒形态的柱状结构 是电镀镀层中常见的一种晶粒生长形式 [ 7] .一般纯 金属沉积物通常采取柱状的生长方式, 开始时先形 成细晶, 随后柱状晶形核并长大 [ 8--9] . 利用 EBSD技术对电铸镍药型罩的微观织构进 图 2 电铸镍药型罩中沿壁厚方向的微观组织 Fig.2 Microstructurealongthethicknessoftheelectroformednickel linerofshapedcharge 行了分析.图 3( a)和 ( b)分别是高速变形前电铸镍 药型罩外表面, 即垂直于晶粒生长方向对 200 个以 上的晶粒进行分析得到的 {100}极图和反极图.从 图 3显示的极图和反极图可以看出, 电铸镍药型罩 的晶粒取向有明显的偏聚, 大部分晶粒分布在靠近 [ 100]方向周围 .经分析可知, 电铸镍药型罩中存在 [ 100]丝织构, 也就是说大部分晶粒沿药型罩的壁 厚以[ 100]取向生长, 最终晶粒呈柱状晶形态 .研究 表明, 电铸金属所形成的微观织构的取向与电铸液 成分和工艺参数有关 [ 10] .药型罩在受到爆轰力作 · 54·

第1期 李春华等：电铸镍药型罩侵彻体的高速变形行为 。55 用形成射流的初期，金属的变形仍然受其结晶特性 织即织构对药型罩破甲性能影响很大，能起到一定 的影响山.电铸药型罩存在的不对称择优取向组 的抗旋补偿作用. (100) 1111 (b) TD 1001 [1017 图3变形前药型罩的{100极图（及其反极图( Fg3{I0opo水（两and nverse pole fi图ues(of the nikel liner of sha即ed chage bepre de fma t知 22高速变形后杵体的微观组织 件下，杵体的最外边缘区域存在相的晶界没有得到 从图1(b所示的回收杵体的外观照片可见.杵 显示，说明该区域的金属相具有较好的耐腐蚀性， 体呈现不规则的树枝圆柱体.图4是横贯整个杵体 该金属相的化学成分通过电子能谱(DS成分分 截面的金相组织.由图可见，杵体由晶粒大小不等 析，结果证明其不同于杵体中心的金属相成分， 的等轴晶组成的区域A和杵体外边缘部分的区域B 两部分组成.在占杵体截面绝大部分的区域A中， 从杵体中心到靠近杵体边缘部位，晶粒尺寸由小变 大，晶粒形态一直保持等轴晶形态.图5（马是靠近 杵体中心区域的微观组织放大图，图5(b是杵体边 缘区域的微观组织放大图.从图中可以很清楚地看 到，杵体边缘区域的晶粒尺寸大于杵体中心区域的 晶粒.从图5（马可见，相对于中心区域杵体边缘 区晶粒的大小相对也不均匀，药型罩原来存在的柱 6cm 状晶晶粒经过高速变形后已经转变为等轴晶.环绕 整个杵体边缘的最外层，如图5(b所示，存在另外 图4杵体截面的微观组织 一种相B与杵体构成明显的界面.在同一侵蚀条 Fg 4 Micstructure of the cross secticnal ofa nickel sug (b) 400m 400um 图5杵体微观组织放大图.（西中心部位：（边缘部位 Fg 5 Maghification of he sug smicrostucae (a)cener (b)edge 23高速变形后杵体的化学成分和微观织构 域A的EDS牝学成分分析结果.结果显示，杵体中 利用电镜能谱分析技术对杵体的不同部位进行 心部位A区域只有N的特征X射线发生，即占杵 了化学成分分析.图6为图4中显示的杵体中心区 体绝大部分区域的A是由纯镍体组成.图7为图4

第 1期 李春华等:电铸镍药型罩侵彻体的高速变形行为 用形成射流的初期, 金属的变形仍然受其结晶特性 的影响 [ 11] .电铸药型罩存在的不对称择优取向组 织即织构对药型罩破甲性能影响很大, 能起到一定 的抗旋补偿作用 . 图 3 变形前药型罩的{100}极图 ( a)及其反极图 (b) Fig.3 {100}pole( a) andinversepolefigures( b) ofthenickellinerofshapedchargebeforedeformation 2.2 高速变形后杵体的微观组织 从图 1( b)所示的回收杵体的外观照片可见, 杵 体呈现不规则的树枝圆柱体 .图 4是横贯整个杵体 截面的金相组织 .由图可见, 杵体由晶粒大小不等 的等轴晶组成的区域 A和杵体外边缘部分的区域 B 两部分组成.在占杵体截面绝大部分的区域 A中, 从杵体中心到靠近杵体边缘部位, 晶粒尺寸由小变 大, 晶粒形态一直保持等轴晶形态 .图 5( a)是靠近 杵体中心区域的微观组织放大图, 图 5( b)是杵体边 缘区域的微观组织放大图.从图中可以很清楚地看 到, 杵体边缘区域的晶粒尺寸大于杵体中心区域的 晶粒 .从图 5( a)可见, 相对于中心区域, 杵体边缘 区晶粒的大小相对也不均匀, 药型罩原来存在的柱 状晶晶粒经过高速变形后已经转变为等轴晶.环绕 整个杵体边缘的最外层, 如图 5( b)所示, 存在另外 一种相 B, 与杵体构成明显的界面.在同一侵蚀条 件下, 杵体的最外边缘区域存在相的晶界没有得到 显示, 说明该区域的金属相具有较好的耐腐蚀性 . 该金属相的化学成分通过电子能谱 ( EDS)成分分 析, 结果证明其不同于杵体中心的金属相成分 . 图 4 杵体截面的微观组织 Fig.4 Microstructureofthecrosssectionalofanickelslug 图 5 杵体微观组织放大图.(a) 中心部位;( b) 边缘部位 Fig.5 Magnificationoftheslug' smicrostructure:( a) center;(b) edge 2.3 高速变形后杵体的化学成分和微观织构 利用电镜能谱分析技术对杵体的不同部位进行 了化学成分分析.图 6为图 4中显示的杵体中心区 域 A的 EDS化学成分分析结果 .结果显示, 杵体中 心部位 A区域只有 Ni的特征 X射线发生, 即占杵 体绝大部分区域的 A是由纯镍体组成.图 7为图 4 · 55·

。56 北京科技大学学报 第33卷 中显示的杵体边缘部位B区域的EDS化学成分分 药型罩中存在的沿罩法线方向的丝织构经高速变形 析结果.从图中可以看出，除了镍的特征X射线，还 后消失，说明经过破甲高速变形后，电铸镍药型罩的 有铁和硅的特征射线存在.表1列出了杵体中心 晶粒取向发生了变化，晶粒得到了重新组合.结合 部位A区域和杵体边缘部位B区域的化学元素分 图5观察到的杵体中晶粒形态和大小相对于高速变 析结果.结果表明，杵体中心区域为纯镍体，而杵体 形前药型罩的晶粒形态和大小发生的变化，可以认 的边缘部分由FeN和S组成.由于靶体材料为普 为，电铸镍药型罩在高速变形过程发生了典型的动 通碳素钢，可以认为在破甲时射流的高温导致金属 态回复和动态再结晶. 熔化现象发生，杵体边缘区域的F和S玩素是靶 Fe 体材料的熔融所致. 800 Ni 800 400 6(00 Fe 200 Ni 赵400 200 Ni 6 10 能啦eV 图7杵体边缘区域的SBM-DX能谱图 能量keV F7 SEM-EDX sPec tmm of the slug at the edge 图6杵体中心区域的SM-EDX能谱图 表1杵体中心区域(A区域)和杵体边缘区域(B区域)的S分 Fg 6 SEM-EDX spec tum of the slug at the cente 析结果（质量分数） Table 1 EDS results of the slug at the center(A)and edge(B 利用EB9D技术对杵体中心部位纯镍体的晶粒 % 取向分布进行了分析.图8(a为200个晶粒在 区域 Ni Fe Si {100}极图上的分布，图8(b为其反极图.由图可 中心区域 100 见，杵体的晶粒在分析区域的分布呈随机状态，即在 边缘区域 5406 4570 024 杵体中无织构存在.分析结果表明，变形前电铸镍 1100 RD 111 (a) .f TD g 001] [1011 图8杵体截面的{100}极图（号及其反极图( Fg 8 (100)pole a)and inverse pole fures (b of a recovered slug 3分析讨论 过程，其射流的形成和侵彻靶体的过程如图9所 示.电铸镍药型罩在高速变形过程中，药型罩的晶 根据破甲弹的基本结构，在炸药起爆瞬间，炸 粒由原来的柱状晶转变为晶粒从杵体的中心区域 药爆炸的冲击力对电铸镍药型罩作用一极高的加 到边缘区域大小不等的形态，但都呈等轴晶形态 速压力，该压力远远大于电铸镍药型罩材料的屈 与此同时，高速变形后药型罩晶粒的晶体取向也 服强度.电铸镍药型罩经历高速变形、被压垮并向 由原来存在的沿药型罩壁厚方向的[100]丝织构 对称轴方向加速，最终形成射流和最后的杵体的 转变为杵体的无织构结构.一般认为，药型罩的这

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 中显示的杵体边缘部位 B区域的 EDS化学成分分 析结果.从图中可以看出, 除了镍的特征 X射线, 还 有铁和硅的特征 X射线存在.表 1列出了杵体中心 部位 A区域和杵体边缘部位 B区域的化学元素分 析结果.结果表明, 杵体中心区域为纯镍体, 而杵体 的边缘部分由 Fe、Ni和 Si组成.由于靶体材料为普 通碳素钢, 可以认为在破甲时射流的高温导致金属 熔化现象发生, 杵体边缘区域的 Fe和 Si元素是靶 体材料的熔融所致 . 图 6 杵体中心区域的 SEM--EDX能谱图 Fig.6 SEM-EDXspectrumoftheslugatthecentre 利用 EBSD技术对杵体中心部位纯镍体的晶粒 取向分布进行了分析 .图 8 ( a) 为 200 个晶粒在 {100}极图上的分布, 图 8 ( b)为其反极图 .由图可 见, 杵体的晶粒在分析区域的分布呈随机状态, 即在 杵体中无织构存在 .分析结果表明, 变形前电铸镍 药型罩中存在的沿罩法线方向的丝织构经高速变形 后消失, 说明经过破甲高速变形后, 电铸镍药型罩的 晶粒取向发生了变化, 晶粒得到了重新组合.结合 图 5观察到的杵体中晶粒形态和大小相对于高速变 形前药型罩的晶粒形态和大小发生的变化, 可以认 为, 电铸镍药型罩在高速变形过程发生了典型的动 态回复和动态再结晶 . 图 7 杵体边缘区域的 SEM-EDX能谱图 Fig.7 SEM-EDXspectrumoftheslugattheedge 表 1 杵体中心区域 ( A区域 )和杵体边缘区域 ( B区域 )的 EDS分 析结果 (质量分数 ) Table1 EDSresultsoftheslugatthecenter( A) andedge( B) % 区域 Ni Fe Si 中心区域 100 — — 边缘区域 54.06 45.70 0.24 图 8 杵体截面的{100}极图 ( a)及其反极图 (b) Fig.8 {100}pole(a) andinversepolefigures(b) ofarecoveredslug 3 分析讨论 根据破甲弹的基本结构, 在炸药起爆瞬间, 炸 药爆炸的冲击力对电铸镍药型罩作用一极高的加 速压力, 该压力远远大于电铸镍药型罩材料的屈 服强度 .电铸镍药型罩经历高速变形、被压垮并向 对称轴方向加速, 最终形成射流和最后的杵体的 过程, 其射流的形成和侵彻靶体的过程如图 9 所 示 .电铸镍药型罩在高速变形过程中, 药型罩的晶 粒由原来的柱状晶转变为晶粒从杵体的中心区域 到边缘区域大小不等的形态, 但都呈等轴晶形态. 与此同时, 高速变形后药型罩晶粒的晶体取向也 由原来存在的沿药型罩壁厚方向的 [ 100] 丝织构 转变为杵体的无织构结构 .一般认为, 药型罩的这 · 56·

第1期 李春华等：电铸镍药型罩侵彻体的高速变形行为 57 种变形行为属于动态再结晶过程.Mu旷GuO和 也证实了这一点.在这个过程中，应变速率和温度 F等a12-1通过研究铜和钨药型罩的变形行为， 是两个关键的控制因素. 雷管 炸药 药型罩 杵体 射流 靶体 图9药型罩的射流和杵体形成示意图 Fig 9 Schema tic illustation of the pming process of the suug and jet for te shaped charge liner 在射流和杵体形成后，杵体的不同位置其变形 结果表明，电铸镍药型罩在高速变形过程中，药型罩 量也不同.数值模拟的结果表明s-,杵体中心的 的晶粒由原来的柱状晶转变为晶粒从杵体的中心区 变形和应变率都要比杵体边缘大，这就为动态再结 域到边缘区域大小不等的形态，但都呈等轴晶形态， 晶的形核提供了动力，同时也给晶粒的长大增加了 与此同时，高速变形后药型罩晶粒的择优取向消失， 阻力.本研究中高速变形后杵体中心晶粒比杵体边 杵体在破甲过程中经历了动态回复和动态再结晶. 缘晶粒小的观察结果也证实了这一点.同时，药型 罩的侵彻体在高压、高应变率条件下其温度急剧上 参考文献 升，也促进了再结晶的形核和晶粒的长大 【】ZhaoT LuoH JaW M et al Discusson on the basi ekments of shaped chage lnerma era]Ordnamace Mater Sqi Eng 2007. 本研究通过对杵体截面组织变化的观察首次证 30(5):77 实了射流在与靶体的高速变形过程中存在金属熔化 (赵腾，罗虹，贾万明，等。药型罩材料技术基本要素探讨 的现象.可以认为，电铸镍药型罩形成的射流在侵 兵器材料科学与工程，200730(5)：刀) 彻靶体时发生熔化，与靶体钢材形成近乎二元的 [2 Li Z H Gou R J Appoach on expbsivepy pmed projectile 46F54N合金，附着在靶体弹孔内壁，与后续跟进 technokgy MechManage Dey 2008 23(4):19 (刘振华，苟瑞君.爆炸成形弹丸技术概述.机械管理开发 的杵体发生碰撞，并对杵体进行包覆，形成如图4所 200823(4):19) 示的微观组织.与射流不同，杵体与靶体的交互作 [3 Guow.LiS K W arg F C et al Dynan ic recrystallization of 用只是促使杵体发生动态再结晶，而没有发生金属 tungsen n a shaped chage liner Scrpua Ma ter 2009 60 329 熔融现象.从杵体的中心区域到边缘区域，晶粒尺 14 Baow P Ren X P Jin HQ Dynamic stress smain behav or of pure iron fr shaped chage lners J Uni Sci Technol Beijing 寸由小变大.可以认为，杵体在高速变形过程中，中 200931(8):978 心部位的变形量大，促使中心部位的晶粒形核率高， (包卫平，任学平，金宏全.纯铁药型罩材料的动态应力应 形成较小的晶粒尺寸.与此同时，由于射流的温度 变行为.北京科技大学学报，2009.31(8)：978) 比杵体高，与射流残渣接触的杵体边缘的温度也相 [习 MeyersM A DynamicBehavior ofMa terials Transled by Zhang 对杵体中心部位要高，这又给晶粒的长大提供了驱 QM Liu Y HuangF L etal Beijng Nati知aDef知se ndus ty Press 2006 52 动力，促使杵体边缘的晶粒尺寸较大 (MeyersMA材料的动力学行为.张庆明，刘暗，黄风雷，等， 4结论 译.北京：国防工业出版社，200652) [6 Tian W H FanA I.GaoH Y et a]Conparison ofm icrostruc (1)通过直流电铸法制备的纯镍药型罩具有沿 tures n electo pmed copper liners of shaped chages be pre and 药型罩壁厚方向生长的柱状晶结构.柱状晶形态的 afer plasti depmation atdifferent smn rates Ma ter SciEngA 2003350160 晶粒存在择优取向，沿药型罩厚度方向呈现[100] 17 Thon ase B Dav id A I.Joseph R M et al Microstrucual and 丝织构. mechan ical popenies nvestiga tion of electrodeposited and an (2)药型罩在破甲过程中经历高速变形，前端 nealed L GA nickel struc tres MetallMaterTransA 2002 33 形成的射流金属发生熔化现象，并与靶体钢材形成 539 铁镍合金，与后续跟进的杵体发生交互作用，形成杵 8 Guan L Y Zheng X H Wang F C et al hfuence of curent density on gm in strucure of electropmed copper Rare MeMa ter 体中心区域为纯镍体，杵体边缘区域由铁镍合金包 Dg200938(9pp:524 履的两相复合体结构 (关丽雅，郑秀华，王富耻，等。电流密度对电铸铜晶粒组织的 (3)杵体整体截面金相组织观察和EBSD分析 影响.稀有金属材料与工程，2009.38（增刊）：524)

第 1期 李春华等:电铸镍药型罩侵彻体的高速变形行为 种变形行为属于动态再结晶过程 .Murr、 Guo和 Fan等 [ 3, 12--14]通过研究铜和钨药型罩的变形行为, 也证实了这一点 .在这个过程中, 应变速率和温度 是两个关键的控制因素 . 图 9 药型罩的射流和杵体形成示意图 Fig.9 Schematicillustrationoftheformingprocessoftheslugandjetfortheshapedchargeliner 在射流和杵体形成后, 杵体的不同位置其变形 量也不同 .数值模拟的结果表明 [ 15--16] , 杵体中心的 变形和应变率都要比杵体边缘大, 这就为动态再结 晶的形核提供了动力, 同时也给晶粒的长大增加了 阻力 .本研究中高速变形后杵体中心晶粒比杵体边 缘晶粒小的观察结果也证实了这一点 .同时, 药型 罩的侵彻体在高压 、高应变率条件下其温度急剧上 升, 也促进了再结晶的形核和晶粒的长大. 本研究通过对杵体截面组织变化的观察首次证 实了射流在与靶体的高速变形过程中存在金属熔化 的现象.可以认为, 电铸镍药型罩形成的射流在侵 彻靶体时发生熔化, 与靶体钢材形成近乎二元的 46Fe54Ni合金, 附着在靶体弹孔内壁, 与后续跟进 的杵体发生碰撞, 并对杵体进行包覆, 形成如图 4所 示的微观组织 .与射流不同, 杵体与靶体的交互作 用只是促使杵体发生动态再结晶, 而没有发生金属 熔融现象 .从杵体的中心区域到边缘区域, 晶粒尺 寸由小变大.可以认为, 杵体在高速变形过程中, 中 心部位的变形量大, 促使中心部位的晶粒形核率高, 形成较小的晶粒尺寸 .与此同时, 由于射流的温度 比杵体高, 与射流残渣接触的杵体边缘的温度也相 对杵体中心部位要高, 这又给晶粒的长大提供了驱 动力, 促使杵体边缘的晶粒尺寸较大. 4 结论 ( 1)通过直流电铸法制备的纯镍药型罩具有沿 药型罩壁厚方向生长的柱状晶结构.柱状晶形态的 晶粒存在择优取向, 沿药型罩厚度方向呈现 [ 100] 丝织构. ( 2)药型罩在破甲过程中经历高速变形, 前端 形成的射流金属发生熔化现象, 并与靶体钢材形成 铁镍合金, 与后续跟进的杵体发生交互作用, 形成杵 体中心区域为纯镍体 、杵体边缘区域由铁镍合金包 履的两相复合体结构. ( 3)杵体整体截面金相组织观察和 EBSD分析 结果表明, 电铸镍药型罩在高速变形过程中, 药型罩 的晶粒由原来的柱状晶转变为晶粒从杵体的中心区 域到边缘区域大小不等的形态, 但都呈等轴晶形态 . 与此同时, 高速变形后药型罩晶粒的择优取向消失, 杵体在破甲过程中经历了动态回复和动态再结晶. 参 考 文 献 [ 1] ZhaoT, LuoH, JiaW M, etal.Discussiononthebasicelements ofshapedchargelinermaterial.OrdnanaceMaterSciEng, 2007, 30( 5) :77 (赵腾, 罗虹, 贾万明, 等.药型罩材料技术基本要素探讨. 兵器材料科学与工程, 2007, 30( 5 ) :77 ) [ 2] LiuZH, GouR J.Approachonexplosivelyformedprojectile technology.MechManageDev, 2008, 23 ( 4) :19 (刘振华, 苟瑞君.爆炸成形弹丸技术概述.机械管理开发, 2008, 23 ( 4) :19 ) [ 3] GuoW, LiSK, WangFC, etal.Dynamicrecrystallizationof tungsteninashapedchargeliner.ScriptaMater, 2009, 60:329 [ 4] BaoW P, RenXP, JinHQ.Dynamicstress-strainbehaviorof pureironforshapedchargeliners.JUnivSciTechnolBeijing, 2009, 31( 8) :978 (包卫平, 任学平, 金宏全.纯铁药型罩材料的动态应力--应 变行为.北京科技大学学报, 2009, 31( 8 ) :978 ) [ 5] MeyersMA.DynamicBehaviorofMaterials.TranslatedbyZhang QM, LiuY, HuangFL, etal.Beijing:NationalDefenseIndus￾tryPress, 2006:52 (MeyersMA.材料的动力学行为.张庆明, 刘彦, 黄风雷, 等, 译.北京:国防工业出版社, 2006:52 ) [ 6] TianW H, FanAL, GaoHY, etal.Comparisonofmicrostruc￾turesinelectroformedcopperlinersofshapedchargesbeforeand afterplasticdeformationatdifferentstrainrates.MaterSciEngA, 2003, 350:160 [ 7] ThomaseB, DavidAL, JosephRM, etal.Microstructuraland mechanicalpropertiesinvestigationofelectrodepositedandan￾nealedLIGAnickelstructures.MetallMaterTransA, 2002, 33: 539 [ 8] GuanLY, ZhengXH, WangFC, etal.Influenceofcurrent densityongrainstructureofelectroformedcopper.RareMetMater Eng, 2009, 38 ( Suppl) :524 (关丽雅, 郑秀华, 王富耻, 等.电流密度对电铸铜晶粒组织的 影响.稀有金属材料与工程, 2009, 38(增刊 ) :524) · 57·

。58 北京科技大学学报 第33卷 【身Tohuu W.NanoPating Transkted by Chen Z P Yag G Y induced fow Phencmena in tungsten tan talum ()[(01]s Beijing Chemical Industry Press 2007 145 gkcrystal rod ballisti penetrators Mater Chamct 20024 (Tohruw.纳米电镀.陈祝平，杨光译.北京：化学工业出版社. 407 2007145) I14]Fan A I Tan W H Microstrucural dbservation ofe kctopimed 10 Anette AR PerM MarcelA JS Microstrucure and hemal copper shaped chage lner be fore and after hh speed de omma stability of nickel layers electodeposited from an add itive fee tio and study of defomation mechan ism Ordnanace Ma ter Sci suPha ate based ekectolye Surf Coat Technol 2006,200 Dmg2001244片3 6037 (范爱玲，田文怀.电铸铜药型罩高速变形前后微观组织的 [11]Galvele JB Tafel s hw n pitting comosion and crevice com 观察以及变形机理的探讨.兵器材料科学与工程，2D0L,24 simn susceptbilit Corros Sci 2005.47(12):3053 (4):3) [12 Mum L E Na C$Comparison of jetting related micostmuc 15]Molinari JF Fnise elmentsmultion ofshaped charges Finite tues associa ted with hypervepcity mpactcrater fomation n oop Ekm AnalDes 2002 38 921 per targets and copper shaped charges Mater SciEngA 1997 16]Petit J Breakup of copper shaped chage ets experment nu 222118 merical smulatins and ana ytical mode ling J Appl Phys 【l3到TrilbEA Es9 uivelE V MurLE Dynamic recrsmll ization 200598(12:article N0123521

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 [ 9] TohruW.Nano-Plating.TranslatedbyChenZP, YangGY. Beijing:ChemicalIndustryPress, 2007:145 ( TohruW.纳米电镀.陈祝平, 杨光译.北京:化学工业出版社, 2007:145) [ 10] AnetteAR, PerM, MarcelAJS.Microstructureandthermal stabilityofnickellayerselectrodepositedfrom anadditive-free sulphamate-basedelectrolyte.SurfCoatTechnol, 2006, 200: 6037 [ 11] GalveleJR.Tafel' slawinpittingcorrosionandcrevicecorro￾sionsusceptibility.CorrosSci, 2005, 47 ( 12) :3053 [ 12] MurrLE, NiouCS.Comparisonofjetting-relatedmicrostruc￾turesassociatedwithhypervelocityimpactcraterformationincop￾pertargetsandcoppershapedcharges.MaterSciEngA, 1997, 222:118 [ 13] TrilloEA, EsquivelEV, MurrLE.Dynamicrecrystallization￾inducedflowphenomenaintungsten-tantalum ( 4%) [ 001] sin￾gle-crystalrodballisticpenetrators.MaterCharact, 2002, 48: 407 [ 14] FanAL, TianWH.Microstructuralobservationofelectroformed coppershapedchargelinerbeforeandafterhigh-speeddeforma￾tionandstudyofdeformationmechanism.OrdnanaceMaterSci Eng, 2001, 24( 4 ):3 (范爱玲, 田文怀.电铸铜药型罩高速变形前后微观组织的 观察以及变形机理的探讨.兵器材料科学与工程, 2001, 24 ( 4) :3) [ 15] MolinariJF.Finiteelementsimulationofshapedcharges.Finite ElemAnalDes, 2002, 38:921 [ 16] PetitJ.Breakupofcoppershapedchargejets:experiment, nu￾mericalsimulations, andanalyticalmodeling.JApplPhys, 2005, 98 ( 12) :articleNo.123521 · 58·