钨合金的冲击拉伸行为及其本构和 断裂判据的表述

   钨质量分数为93%的钨合金(以下简称钨合金)由于其良好的强度和韧性、高的密度而成为军事上非常令人关注的材料。它在冲击载荷作用下动态力学性能和动态断裂失效机制多年来一直是国内外学者研究的重要课题[1～4]。锻造态钨合金作为各种反装甲穿甲弹的主体材料,其在火炮膛内发射时所遭受的膛压高达500～600MPa,惯性加速度达(40000～60000)×g,火药燃烧温度高达数千度。在此冲击加载的条件下,弹体材料内将会形成高于膛压1倍以上的瞬态应力、高达102～103s-1的应变率以及百度量级的瞬间升温。特别是弹体的尾部,由于遭受很强的惯性后座力而形成很高的瞬态拉伸应力,从而可能造成尾部断弹现象。因此,实验分析该种钨合金的冲击拉伸特性及其断裂机制具有重要的实际意义。

笔者对钨合金在应变率高达102～103s-1范围内的动态拉伸性态、最大拉伸失效应变进行了直接测量,建立了描述其动态拉伸行为的本构模型,提出了材料发生塑性失稳以致发生拉伸断裂的判据。此外,对动态拉伸断口微观特征所作的分形分析,从微观上对材料的宏观动态拉伸特性提供了依据和支持。

2 实验技术与结果
  图1展示的是用来对材料进行动态拉伸实验的装置示意图,受检测的材料试件的几何构形及其与Hopkinson拉杆输入与输出杆的连接方法如图2所示。该动态拉伸实验装置由一个直径为114m、转动线速度可以达到100m/s的飞轮和一套Hopkinson杆系统组成。靠近飞轮外缘某处装有受

控弹出的两片锤头。当飞轮边缘的线速度达到预先设定的数值时,2片锤头1(见图1)瞬间被弹出并以该速度撞击金属块2,此时,与它及输入杆4相连接的LY-12铝合金短杆3被拉断,于是一个近似方波的拉伸应力脉冲经过输入杆4传入受测试件5。当拉伸脉冲传至试件与输出杆6分界面时发生反射,形成反射波传入试件及输入杆中,同时有一透射波传入输出杆中。这些波利用粘贴在2个杆子上的应变传感器-动态应变仪系统记录下来。

钨合金有两种断裂模式,一种是沿钨颗粒与粘结基体相的晶界断裂的模式1,另一种是所谓穿晶断裂模式2。而每一种断裂模式在整个断口表面上所占的分数是和应变率紧密相关的。断裂模式2的增多就意味着材料韧性变好。反之,则认为材料变脆。选择模式2的分形维数来描述断口的形貌。寻求分形维数的方法是这样做的:a1从每个试样断口上选10个视场并放大500倍;b1把整个断口划分成边长为3μm的小方格,如图17所示。然后统计模式2的小方格数所占的分数,这就是式(24)中的1/β。同时统计出整个断口照片的小方格数目N;c1另外,对不同温度和应变率条件下检测的试样的断口作类似的统计,所获得的结果展示于图18。从中可以看到,在某一特定温度下,分形维数Df是随着应变率