我国穿甲弹用钨合金研究的最新进展和展望(二)
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1.2 变形强化研究
目前,用粉末冶金方法制备的高密度钨合金(烧结态)的抗拉强度一般达900~1000Mpa,伸长率在20%~30%之间;而经过塑性形变强化以后,其强度可较大幅度地提高,塑性则有所下降。经过塑性变形加工后,钨合金强度可超过1400MPa,伸长率也可保持在10%左右[9]。
轧制、旋转锻造、扭转变形、静液挤压等形变强化是提高钨合金材料强度并保证一定韧性的有效方法,而且还可有效细化晶粒[10]。锻造变形是提高钨合金强度的常用工艺,常规的变形量为15%左右。钨合金材料的强度随变形量增大而提高,变形量愈大钨颗粒变形程度愈大,且变形程度增大将导致断裂向钨颗粒转移[11]。轧制还可获得较大的变形量并能保证变形的均匀性,且能使大的晶粒破碎成小晶粒,并能得到均匀分布的微观组织;轧制可提高钨棒的密度和减少空隙度,提高生产效率和降低制造成本。但由于轧制一次变形量小且开坯温度和终轧温度都较高,材料表面氧化及污染相对严重,能耗也较高,因此在实际生产中受到一定的极限。
旋转锻造也提高钨合金的强度和穿甲效果,在经过多道次旋锻后,钨合金的强度和硬度等力学性能较旋锻前会有较大幅度的提高,但伸长率会将低。大变形使得球状钨颗粒被拉长变成纤维状组织,能较大幅度的提高材料的力学性能。静夜挤压技术是一种难变形材料塑性加工工艺,主要分冷静液挤压和热静液挤压,它是钨合金目前最为有效的形变强化方法之一,它具有一次变形即可获得较大变形量和可大幅度提高材料强度的特点。在静液挤压3向压应力作用下,不仅能有效防止材料在变形时钨颗粒的拉断和开裂,有利于材料内部原有微观孔隙的愈合,同时能够细化显微组织,有利于近净成形、提高利用率、降低成本和提高产生效率[12]。钨合金采用静液挤压形变强化并进行退火处理后,在材料中形成位错密度很高的胞状结构,其形变后的钨颗粒呈方向性排列,且材料的破断方式以钨颗粒解理断裂为主。静液挤压工艺形变强化的各向受力均匀,变形过程中材料不易出现变形缺陷,不需加热,一次变形量大,93W的一次最大形变量可达50%左右[13]。
1.3 绝热剪切研究
绝热剪切是材料或构件内剪应变高度集中的狭窄区域,是高应变率加载条件下材料变形、断裂的特殊机制。绝热剪切变形局部化广泛存在于各种金属、岩土和高分子材料等在遭受爆炸、侵彻、高速碰撞、高速切削和高速磨损等高应变率载荷下的高速变形过程中,提高钨合金材料的绝热剪切性能以增强钨合金杆弹的侵彻性能是目前的研究热点之一。我国五二研究所、中科院力学所、中国科技大学和报价理工大学等单位对此进行了一些研究。
半个世纪以来,对绝热剪切变形的研究,主要集中在3个方面:第一,从材料的本构关系出发,建立绝热剪切变形局部化的失稳模型,探寻材料绝热剪切失稳判据及绝热剪切带的扩展规律;第二,从微观组织、结构出发探寻不同成分、组织的材料内的绝热剪切带的微观组织结构特征以及其形核、长大的微观影响因素;第三,采用计算机数值模拟技术对绝热剪切带的演化规律及其内应立场、应变场和温度场进行研究[14]。
魏志刚等用分离式Hopkinson压杆装置对预扭转后的斜圆柱试件进行冲击试验,不仅观察道绝热剪切带,同时观察到如果最大剪切应力方向和钨颗粒的取向一致,则失效的是钨颗粒脆性断裂、粘结相破坏、钨-钨界面分离和钨-粘结相界面分离等几种破坏机制共同作用的结果[15]。许沭华等对预扭转和未扭转钨合金杆弹弹道实验后的残余弹体和碎片进行了细观组织分析,发现钨合金预扭转后钨晶粒变形方向与最大剪应力方向接近,因此在弹靶冲击过程中有利于绝热剪切变形和剪切破坏的发生。从残余弹头上观察到的绝热剪切带说明,预扭转弹在侵彻过程中要比未扭转弹更易于自锐,这是预扭转杆弹侵彻能力得到提高的根本原因[16]。谭成文等为了定量评价不同材料对绝热剪切变形的敏感程度,采用绝热剪切扩展能-绝热剪切敏感因子表征这一差异,并建立了相应的实验测试系统,定量地解决了绝热剪切敏感性地评价和测试问题[17]。(未完待续)
参 考
[9]张宝生,康志君。高密度钨合金的穿甲特性及其应用[J]。中国钨业,1999。14(5-6):178-185。
[10]王尔德,于洋,胡连喜,等。W-Ni-Fe系高密度钨合金形变强化工艺研究进展[J]。粉末冶金技术,2004,22(5):303-307。
[11]史洪刚,齐志望,许杰,等。锻造变形量对钨合金材料性能德影响[J]。兵器材料科学与工程,1998,21(4):3-6。
[12]王换玉,才鸿年,钱学梅。液力挤压强化技术研究[J]。先进材料与制造技术。1998,(5):1-5,25。
[13]刘志强,杨国毅,赵红梅,等。高密度钨合金静液挤压组织缺陷分析[J]。兵器材料科学与工程,2004,27(4):40-43。
[14]谭成文,王富耻,李树奎。绝热剪切变形局部化研究进展与发展趋势[J]。兵器材料科学与工程,2003,26(5):62-67。
[15]魏志刚,胡时胜,李泳池。粉末烧结钨合金材料的绝热剪切变形局域化实验研究[J]。金属学报,1999,35(8):829-833。
[16]许沭华,张刚明,王肖军,等。预扭转钨合金杆弹侵彻能力的细观研究[J]。爆炸与冲击,2000,20(2):143。
[17]谭成文,王富耻,刘远宏,等。材料绝热剪切敏感性表征及测试方法研究[J]。北京理工大学学报,2004,24(5):377-379。
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我国穿甲弹用钨合金研究的最新进展和展望(一)
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摘要:综合介绍了我国近年来对穿甲弹用高度密钨合金实施添加微量元素合金化强化和旋转锻造、扭转变形、静液挤压等形变情话的研究进展,以及对于绝热剪切机理和数值模拟计算的研究现状,并介绍了机械合金化置备纳米钨合金复合粉末、温压成形及预氧化活化烧结等特种制备技术方面的最新试验研究进展。通过全面分析目前我国穿甲弹用高密度钨合金试验研究中存在的一些主要问题,提出我国穿甲弹用高密度钨合金今后研制的主攻方向,以及促进高性能穿甲弹用钨合金研制应采取的策略与措施。
高密度钨合金是一类以钨为基(钨的质量分数通常为80%~97%),并添加有Ni、F、Mn、Co、Cu、Mo、Cr等于元素的合金,其密度高达16.5~19.0g/㎝³。高密度钨合金不仅密度大,而且还具有一系列优异的性能,例如强度高、硬度高、延性好、机械加工性能好、热膨胀系数小、导热系数大、抗氧化和抗腐蚀性能好、可焊性好等。这些优异的性能使其在尖端科技领域、军事和民用工业中得到了广泛的应用,例如用作杆式动能穿甲弹的弹芯材料、平衡配重元件、惯性元件、射线屏蔽材料等[1]。随着主战坦克、舰船装甲及各种军事工事的日益加强化,对穿甲弹性能提出了越来越高的要求。高密度钨合金杆式动能穿甲弹,不仅具有良好的穿甲威力,而且与贫铀合金穿甲弹相比具有无毒性、无放射性污染等优点,是当今世界各国装备的主要穿甲弹用材料,也是穿甲弹今后发展的主要方向。为此,本文拟通过综述我国穿甲弹用高密度钨合金研制的最新进展情况,分析目前存在的主要问题及其造成的原因,进而探讨解决这些问题的具体措施和策略。
1 近年来的主要研究进展
随着科学技术日新月异的发展和装甲防护技术水平的不断提高,对弹用高密度钨合金的要求越来越高,尤其是要求在保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。因此,如何提高和改善高密度钨合金形变强化后的强度和塑性是当前的重要研究课题之一。近年来,为了进一步提高钨合金的强韧性,国内在合金化、变形强化、绝热剪切、数值模拟及制备工艺技术上进行了大量研究,取得了明显的进步和众多的科研成果。
1.1 微合金化研究
钨金的强化机制主要有固溶强化、弥散强化、沉淀强化和界面强化等。固溶强化的元素主要有Re, Me, Nb, Ta,Ir等。钨合金中的Mo, Ta, Re, Nb, Hf, V和Cr等元素具有与W相同的体心立方晶格;它们可以固溶于W,也可以在一定程度上固溶于粘结相中,从而达到对钨基重合金的固溶强化,其中Hf的强化作用最大,其次为Ta,Nb和Re[2]。
弥散强化包括直接强化和间接强化,直接强化主要来源于位错与弥散颗粒的相互作用,而间接强化主要是由于高密度位错网组成的亚晶粒相互作用提高合金的强度。界面强化主要是优化晶界(提高晶界强度或减少杂质在晶界的偏聚),而且若在界面上形成固溶体,可增强界面结合力和提高材料强度。另外,由于具有良好的界面,粘结相可通过界面将应力传递给钨颗粒,可有效的减轻粘结相的承载力,使粘结相和基体协调变形,减少沿晶裂纹的发生,从而提要材料的强度[3]。沉淀强化方法有抑制沉淀相析出强化,第二相析出强化和钨弥散强化3种。抑制沉淀相析出是改善和提高钨合金性能的有效方法,一般采用固溶+淬火的热处理工艺来避免沉淀相析出,同时抑制杂质元素在界面上偏聚,以获得较洁净的钨/基体界面[4]。在W-Ni-Fe高密度合金中添加少量Co可增强基体相对钨颗粒的润湿性,使钨颗粒表面更加圆滑,更加有利于塑性变形,更能提高合金的钨颗粒与基体相之间的界面结合强度,从而提高合金的强度和延伸率。同时,加入的Co,在液相烧结的初期,优先与铁和镍形成熔点低、流动性好的共晶,很好的促进组分原子在液相中扩散,从而加速液相烧结的进程、细化合金的显微组织[5]。刘志国等成功地制备了新型W-Ni-Fe-TiB2合金,并发现TiB2均匀分布于粘结相中,添加2%的TiB2的合金较未添加TiB2的合金相对密度和硬度都较高,可对材料的粘结相起强化作用[6]。冯庆芬等则对La、Ce对93WniFe合金的动态拉伸性能进行了研究 ,发现这2种元素可提高钨合金的动态性能,并有固溶强化和界面净化作用[7]。
钨合金的杂质元素包括H,O,C,N,P,S和Si等。由于这些元素的原子半径较小,在钨合金中有很强的扩散能力,因而比较容易在晶界、相界等能量较高的位置发生偏聚,甚至生成脆性相,从而降低钨合金的性能。在这些杂质元素中危害较大的是H,它主要分布在粘结相和钨/粘结相界面上导致氢脆,消除氢脆的主要方法是在保护气氢(N2,Ar)下退火,其中尤以真空热处理效果最好。P是对钨合金危害较大的另一种元素,因为P很容易偏析到钨/粘结相界面上使合金脆化,当P含量超过其在W相或粘结相的极限溶解度时将发生P的偏析和产生NiP2沉淀。与P伴生的另一种杂质是S,它也能偏析在W/粘结相的界面上,在93W-4.9Ni-2.1Fe合金中,当S含量达到0.01%时合金的冲击韧性明显下降。另外,S还可以同K和O形成化合物,聚集在气孔的内表面上。Si和Na是原料钨粉中的另外2种常见杂质元素,它们通常以SiO2和NaSiO3形式存在。Si和Na的掺杂使合金的密度、抗拉强度、延伸率、颈缩率等均明显下降,其在钨合金中可允许的极限含量为:Si,210×10-6;Na,150×10-6;大于此极限含量就会对合金性能产生很大的影响[8]。(未完待续)
参 考
[1]庞前列。高密度W-Ni-Fe合金的研究及发展[J].中国钨业,2000,15(4):34-36。
[2]王玉金,宋桂明,赵宇。合金元素及第二相对钨合金性能的影响[J]。宇航材料工艺,1998,28(5):11-18。
[3]张太全,王玉金,宋桂明,等。钨及钨合金的变形、断裂及强化机制研究综述[J。有色金属,2004,56(1):7-12。
[4]王辅忠,李荣华。高比重钨合金沉淀强化的研究[J]。材料报导,2003,17(1):16-17。
[5]唐新文,罗述东,易健宏。添加钴对W-Ni-Fe高密度合金性能的影响[J]。粉末冶金材料科学与工程,2003,8(3):196-200。
[6]刘志国,张宝生,庄育智。新型W-Ni-Fe-TiB2合金[J]。中国有色金属学报,1995,5(4):107-111。
[7]冯庆芬,丁东华,方民宪,等。La,Ce对93WniFe合金动态拉伸性能的影响[J]。兵器材料科学与工程,2003,26(3):7-10。
[8]周国安,刘勇,邓欣,等。Si、Na掺杂的W-Ni-Fe高比重合金界面结构的影响[J]。兵器材料科学与工程,1999,22(3):3-7。
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军用钨合金与反导武器
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目前,反导武器主要采用AHEAD弹药。目标来袭时,AHEAD弹药到达预定距离后,被引爆,体内中的152粒钨合金球被释放出来,在目标前形成以10米到40米宽的子弹云。AHEAD可拦截1.5km-2.5km间的导弹。
现在还有一种新型的AHEAD弹药,该AHEAD弹药比传统的35mm的AHEAD弹药口径更大,能够携带更多的钨合金球,携带数量为180粒至220粒。该弹药的军用钨合金不仅可以摧毁导弹,还可以摧毁装甲车辆。AHEAD弹药的火炮需要同目标搜索跟踪雷达和火控计算机配合使用。火炮管口部的前端装有三个相距一定距离的线圈,前两个线圈是专门测定炮弹初速用的。火炮发射瞬间,被测定的炮弹初速传送到火控计算机,计算机依据这一炮弹初速和雷达探测的来袭导弹参数,立即计算出炮弹与目标相遇点的飞行时间,并将炮弹飞行时间参数传送到火炮炮口的第三个线圈。但炮弹经过第三个线圈时,AHEAD弹药上的可编程时间引信就得到了精确的飞行时间指令。
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军用钨合金与(AHEAD)弹药
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军用钨合金可作为钨合金球,用于AHEAD弹药中的子弹球。
"先进命中效率与摧毁"(AHEAD)弹药
AHEAD是"先进命中效率与摧毁"的缩小,是一种非常先进的35毫米高炮弹。AHEAD可表示前面的意思。AHEAD弹药是集束式预制破片变脆引信子母弹。它能够利用携带的大量预制破片,形成一个直接指向目标的高密度破片束,以拦截和毁伤控制目标。该弹药不仅可以用于防御巡航导弹、空对地导弹、攻击机和无人机等空中目标,还能有效摧毁卡车,并且能够压制装甲车辆的光学部件。AHEAD弹药主要由弹体、152粒钨合金球、抛射药、可编程电子时间引信、数据接收线圈等部件构成。AHEAD弹药是一种集束定向预制破片弹,装有预制破片,可编程电子时间引信,抛射药等。军用钨合金主要是作为钨合金球,用于AHEAD弹药上的预制破片。目前AHEAD弹药广泛用于防空武器。
以下是AHEAD弹药结构示意图
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钨合金与军事
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不同的加工工艺促使钨合金产品的特性有所区别。如果对钨合金的抗拉强度以及硬度有较高的要求,那么就需要对钨合金进行旋锻。钨合金经过旋锻之后可以用于军事领域,例如钨合金旋锻棒可以用于制作穿甲弹,猎枪子弹,杀伤破片。经过烧结,钨合金还能制作成钨合金小方块,钨合金球等等。有时候,为了提高钨合金的特性,我们还会在金属粉末中加入其他金属元素,比如钴、钼等。。如果用于制造海军的武器装备,则需要在钨合金表面电镀铬,从而避免受到海盐的腐蚀。
中钨在线提供的高品质钨合金产品已达到Mil-T-21014标准,甚至可以调整加工工艺以提供更高品质的钨合金,比如高硬度(42HRC min),高抗拉强度(1400MPa min),高屈服强度(1300MPa min),高延伸率(8% min)等。如果客户需要,中钨在线也可以为其提供免费的标准检测。
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镀金钨合金条的优势
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镀金钨合金条的密度与黄金相近。黄金的价格十分昂贵,而镀金钨合金条的价格相对较为低廉。 所以,镀金钨合金条是黄金的最佳替代品。
钨合金无毒性,耐磨性好,使用寿命长。此外镀金钨合金条的密度为19.25g/cm3,和黄金的密度十分相近(黄金的密度为19.3g/cm3),所以二者的质量没有太大的区别。因此,镀金钨合金条可作为黄金的替代品。
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钨合金铆钉顶棒的定位(二)
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3. 用喷枪将铆钉推回原位并重新定位铆钉顶棒,如果有必要,找到它与铆钉的平衡点。(重复步骤2和3,直到平衡点确定) 。通常,食指可以放在铆钉顶棒的背面直接与铆钉的尾部相对,充当正确位置的“传感器”。
4. 用喷枪将铆钉推回原位并重新定位铆钉顶棒,如果有必要,找到它与铆钉的平衡点。(重复步骤2和3,直到平衡点确定) 。通常,食指可以放在铆钉顶棒的背面直接与铆钉的尾部相对,充当正确位置的“传感器”。
5. 铆接的持续时间是由实验与测试片或以往的经验来确定。
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钨合金穿甲弹芯的无损检验
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在1977年9月召开的美国国防技术粉末冶金会议上,美国陆军弹道研究所发表了“动能穿甲弹钨合金弹芯的冶金分析和无损检验”的论文。该所在研究鹅合金弹芯(含鹅90%、镍7%和铁3%,是粉末冶金、热处理、机加、并以12%减缩此型锻制成的杆件,直径为23 .7毫米,长431 .8毫米)的过程中,发现用这种弹芯试样侵彻均质单层靶板和多层间隔装甲靶板时,经常发生严重的断裂。
因此,该所用标准的无损检验与破坏试验方法对这种弹芯材料的冶金特性进行了分析研究。研究表明,无损检验是探测一织合全弹芯裂纹与孔隙等缺陷非常可靠的方法。 所用无损检验方法与检验结果如下: 1.目检目检型锻的杆件表面,发现存在严重的裂纹和屑片。 2.X射线照相检验对72根杆件的检验表明,有17根没有明显的缺陷,其余55根沿全长均有分布不规则的裂纹和孔隙,其尺寸在0.39一3.18毫米范围内。 5.磁粉探伤发现在杆件的全长表面上都呈现程度不等的不连续性。
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M993钨合金穿甲弹
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M993钨合金穿甲弹是在1992年美国的士兵增强计划中开发的,目的是增强士兵对轻型装甲车辆的打击能力。与5.56mmM995同时研发,两者尺寸不同但结构相同。在1997年4月对俄罗斯的BRDM-2装甲车射击结果表明:这两种子弹击穿装甲车侧装甲后仍能有效杀伤人员。
M993钨合金穿甲弹是在1992年美国的士兵增强计划中开发的,目的是增强士兵对轻型装甲车辆的打击能力。与5。56mmM995同时研发,两者尺寸不同但结构相同。在1997年4月对俄罗斯的BRDM-2装甲车射击结果表明:这两种子弹击穿装甲车侧装甲后仍能有效杀伤人员。
M993的外部为软钢被甲,弹头内部有一个钨合金穿甲弹芯。次弹由瑞典博福斯CGAB生产,发射药由Dynamit Noble生产。该弹可同于M240机枪,M60机枪,M24狙击步枪等武器系统。
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钨合金球在军事领域的优势
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钨合金球体积小,可以应用于导弹武器弹丸,穿甲弹,猎具,猎枪,预制碎片,导弹武器,弹药穿甲弹的平衡力;石油测井的平衡力;还有一些精密仪器领域,如手机振动器,时钟配重块,手表手表配重件,手机振子,飞轮配重,钨球等。高比重钨合金球和钨配重被广泛用于配重和工厂,还有在军事上。
钨合金在军事产品上面替代了铅,由于密度较高使他们能够更好,即使在极端条件下,保持其形状。虽然铀提供可比的密度,其波动性和放射性物质所需的特殊许可要求,使加工很难。钨合金是一重绿色环保金属材料,在使用和生产加工过程中不会产生有毒物质。在军事工业不断扩大的同时也要考虑到军事武器使用后对环境的影响,钨合金的环保性能使得它在军事领域的优势越来越突出。如钨合金尾翼脱壳穿甲弹、钨合金潜艇配重、钨合金发动机配件等等。
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