（有色金属冶金专业论文）含氮奥氏体不锈钢的抗弹行为.pdf

璺望堡三盔堂塑生堂堡造塞一塑矍一 撼要 本文主要通过光学叠相、扫描电子盟徽镜、透射电予显微镜、力学性能试 验、雅静态蘧雅试狳、动态疆缩试验、耱试试验( 采用w 0 1 0 9 c 穿甲燃烧弹由 7 。6 2 m m 弹邀检j 串彘1 0 r a m 蓐熬2 6 n 3 7 、1 4 n 3 8 、1 4 n 4 7 v 和1 4 n 4 7 n b 试簸钢 靶板、采鲻1 0 5 疯捺式鹄念金摸歙穿甲弹馒糖昏8 0 1 0 0 m m 瓣1 4 n 3 8 镧耱蔽) 等手段，主要研究了不同化学成分及轧剁i 芑的食氮奥氐体不锈钢( 硬度在 h r c 2 4 4 i 范围) 抗枪弹和抗横拟杼式弹稷彻的抗弹行为，探讨了含氮舆氏体不 锈钢靛穿攀梳理。 磋囊为h r c 3 3 ，6 弱窘氮囊氏俗不锈锈翡届麓晓为0 6 5 ，稍显低予褶同谶寝 属强比为o 8 9 蛉海遗醚灾镪；煎者静延髂攀为5 0 运亵予爱者蛉延律搴 1 6 。5 。 硬度为h r c 3 s 。5 的含氮嶷氏体不锈钢的曹蕊强度极限为5 7 0 m s ，忧予骥 度在h r c 4 5 及以上传统装平钢的抗弹性能，穿甲机制不同，前者的穿甲破坏形 式为塑性扩张，澄青发生羚塞破蟒面传统装牮钢产生了渖塞破坏。禽爨熙氏俸不 锈镪匏弹垅深度葶嚣开撬抟糨与钢鞲缀秘磴度帮弹丸着靶遴度有关。禽裁嶷氏体不 锈钢的安全建位予硬度为h r c 3 3 。? 程h r c 3 0 t 黪离激露火中碳镪，翁纛爨煮较 高的抗弹丸倾斜入射的能力。与传统装甲钢相比，含氮照氏体不锈钢雀较低的撬 拉强度下具有相对离姻穿甲防护系数。塑性帮勃 ! 墨槌当时，强凄对禽氮煲氏体不 锈锵的抗弹性能怒积裰作用。 台氮炱氏体不锈锈在懿盛交攀下其骜攫强熬、挣击硬纯缝力，霹疆麓抵菝弹 丸入射的齄力：弹蟪阚边凝度德蹴纂体硬度蠢达转v 1 0 0 苏上，矮度变纯嚣域为 5 m m ，蕊传统装甲钢则不发生明显瓣硬度蠖馕。 在2 103 s 应变率下，台氮嶷氏体不锈钢嫩有很商的动态压缩屈服强度， 为懑静森懿2 ，5 疆以上，薅赢滋凰必中碳镪瓣动态压缝麓羧强发海毽静态戆1 。6 馁。 禽爨舆瑟倦不锈镪在巍应变率下依爨鳃怒影变挛鼹茨鎏程变形搬麟凝裁强 化慕体来提商抗弹丸侵彻熊力鲍。 关键谡：含缀奥氏转不锈钢；撬辩露为：穿攀瓿懋；洚蠡骥伍；徽麓蕊镶 i 整些墨墨查兰璧主堂丝垦苎 塑薹一 a b s t r a o t b a l l is t i cb e h a v i o uro fn i t r o g e na l l o y e da u s t e n i t i cs t a i n l es ss t e e lsw i t h d i f f e r e n tc h e m i c a lc o m p o s i t i o n sa n dr o l l i n gt e e h n i c sw a ss t u d i e d ，t h e p e r f o r a t i o nm e c h a n i s mo ft h e s ep l a t e sw a sd i s c u s s e d ，b yu s i n go p t i c a l m i c r o s c o p e ，s e m ，t e m m e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t ，q u a s i s t a t i cc o m p r e s s i o n t e s t ，d y n a m i cc o m p r e s s i o nt e s t ，t h eb a l l i s t i ct e s tt h a tt h eo g i v e - s h a p e d 7 6 2 m md i a m e t e rp r o j e c t i l e sw e r ef i r e da t 2 6 n 3 7 、14 n 38 、1 4 n 4 7 v 和 1 4 n 4 7 n bs t e e lp l a t e so f1 0 m mi nt h i c k n e s sa n d1 0 n g - r o dp r o je c t i i es p e n e t r a t e d1 4 n 3 8s t e e lp l a t e so f 辔8 0 1 0 0 r a m t h eh a r d n e s so ft a r g e t si si n t h er a n g eo fh r c 2 4 - 41 t h ey i e l dr a t i oo fn i t r o g e na l l o y e da u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e io f h r c 3 3 6i nh a r d n e s si s0 6 5 t h a to ft r a d i t i o n a la r m o u rs t e e lw i t ht h es a m e h a r d n e s si s0 。8 9 ：t h ee l o n g a t i o no ff o r m e ri s5 0 h i g e rt h a nt h el a t t e r 16 。5 r e m a r k a b l y t h eb a l l i s t i cl i m i to fn i t r o g e na l l o y e da u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e io f h r c 3 5 。5i nh a r d n e s si s5 7 0 m s 。w h i c hi sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a la r m o u r s t e e lo fo v e rh r c 4 5i nh a r d n e s s ，t h ep e r f o r a i o nm e c h a n i s mi s d i f f e r e n t ，t h e f o r m e ri sd u c t i l eh o l ee n l a r g e m e n t ，n op l u g g i n gd a m a g e ，b u tp l u g g i n g d a m a g ei nt h el a t t e r 。t h ec r a t e rd e p t ha n dv o l u mo fn i t r o g e na l l o y e d a u s t e n i t i cs t a i n t e s ss t e e li sc o r r e l a t i v ew i t hp l a t e sh a r d n e s sa n db a l l i s t i c s p e e d t h es a f ea n g l eo fn i t r o g e na l l o y e da u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li sb e t t e r t h a nh i g ht e m p e r e dm i d d l ec a r b o ns t e e lo fh r c 3 3 7a n dh r c 3 0 1i n h a r d n e ss t h ep e n e t r a t i o nd e f e n s ec o e f f i c i e n to fn i t r o g e na l l o y e da u s t e n i t i e s t a i n l e s ss t e e li sh i g h e rt h a nt r a d i t i o n a la r m o u rs t e e lu n d ert h el o w e r t e n s i l es t r e n g t h ，t h es t r e n g t hi sa v a i l a b l ef o rt h eb a l l is t i cp r o p e r t yo f n i t r o g e na l l o y e da u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，w h e nt h ed u c t i l ea n dt o u g h n e s s i sn o tv e r yb a d 。 h i g ha b i l i t yf o ri m p a c th a r d e n i n gi nn i t r o g e na l l o y e da u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e lc a nr e s u l ti nh i g h e rb a l l is t i cl i m i t ：t h eh a r d n e s sa r o u n d c r a t e r si sh i g h e rt h a nt h eb a s eo v e rh v l 0 0 ，az o n eo f5 m m t h i c k n es sa r o u n d l l 曼塑篓兰查璺璧杰兰垫整塞j 墼生一 曲# e r a t e ri si n f l u e n c e d b u tt r a d i t i o n a la r m o u rs t e e l sh a en e v e t h a t p h e n o m e n a t h ed y n a m i cc o m p r e s s i o ny i e l ds t r e n g t ho fn i t r o g e na l l o y e da u s t e n i t i e s t a i n l e s ss t e e li so v e r2 5t i m e st h a nt h a to ft h eq u a s i s t a t i cy i e l ds t r e n g t h ， t h ed y n a m i cc o m p r e s s i o ny i e l ds t r e n g t ho fh i g ht e m p e r e dm i d d l ec a r b o n s r e e li s1 ，6t i m e st h a nt h a to ft h eq u a s i s t a t i cy i e l ds t r e n g t hu n d e rt h es t r a i n r a t ei s2 1 0 3 s t h el a r g ea m o u n to ft w i n n i n g sf o r m e dt h r o u g hc l e f o r a t i o nd u r i n g p r o j e c t i l ep e r f o r a t i o ni nn i t r o g e na l l o y e da u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lt s ot h a t m i c r o m e c h a n i s mc a nr e s i s tt h eb a l l i s t i ci m p a c tu n d e rt h eh i g hs t r a i nr a t e k e yw o r d s ：n i t r o g e na l l o y e da u s t e n i t l cs t a i n l e s ss t e e l ；b a l l i s t i cb e h a v i o u r ； p e n e t r a t i o nm e c h a n i s m ；i m p a c th a r d e n i n g ；m i c r o m e c h a n i s m 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：磁玉嗣 日期：巧年多月矿日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：j 匏国戊论文作者签名：且一至面 日期：赵生自臣 旦 昆明理工大学与钢铁研究总院合作培养的研究生学位论文，钢铁 研究总院享有与昆明理工大学同样的使用权利。 昆明理工大学硕士学位论文 第1 蕈绪论 1 1 引言 第1 章绪论 材料是装甲防护系统的物质基础。现代装甲防护材料差不多包罗了 新寄现代结构材料，如黑色金属、有色金属、稀土金耩、玻璃纤维、陶 瓷、增强勰料、器种金属化台物和j s 金属材料等。迄今为止，现代战斗 车辆、火炮、飞机、舰艇、地面防御工事以及入体防护上的装甲应用最 多的、最为广泛的材料还是装甲钢。各种类型鲶装甲都默装甲镪鸯主体， 或以其为缩构框架组成。装甲钢在批生产的主战坦克上用量缀大，约占 整攀质量的4 0 一5 0 链，慰主战趣竞懿防护谯缝起整决定憋俸用。 装甲钢作为煎要的装甲防护材料主要用途是：抵御各种反坦克武器 螅攻击：黪簿各耱炮弹皱片霹终片及缒弹；保护车内入爨、武器、搭药、 燃料、各种装置和设备的安全。坚硬的装甲壳体也用于冲撞、破坏备种 障翳物寒攀事按零装各。稳攀技术豹发黢矮褥爱装擎武器藏力窝毪链不 断提高。鼹器中的炮、弹、装甲等都是在商速冲击条件下工作的，承受 熬麓载速覆约秃1 0 2 1 0 3 寒移，其黩交率大约为1 0 3 1 0 4 移1 之闯，在这 种条件下装甲钢所显示的动态性能与准静态性能会出现不一致。装甲在 高滏、毫嚣帮嵩速豹 蕈掰下发生鎏蕊交形、破裂，甚至鄢分熔化或汽化。 因此装甲在高温、高压和高速作用下的性态十分熏要 1 2 1 。 传统装甲钢通常是中碳低合金锏，通道淬火+ 低温或高温铡火得到相 应的强韧。瞧配比，以满足不同摅弹性能的霈要。中碳低合金锻自身的局 限性，无法很好她满足耐腐蚀性和无法在超高硬度状态下获得足够的塑 韧性以抵抗大口径炮冲密，固梯焊接性能墩不太尽人意。应鼹予舷天鞠 航空用的裔台金系的二次硬化钢或马氏体时效铡具有相对较好耐腐蚀和 焊接性能，但超瘫强度拨态下抗囊落能力摆对予中璇德合金镪戆提麓是 有限的，并且价格十分昂贵，这对于作为在坦克和装甲车辆上大量使用 豹装甲钢蹩无法承受夔。 目前，先进装甲钢材料正在追求如何地使抗弹性能、焊接性能、耐 疼镄性毙、无磁撬褒经济瞧雯有效熬结合起来；缝克装擎车辆瞧正程运 1 黾翳瑶王大学鹾士举位论_ 叟 第1 章绪论 求蕊量轻，矮有很好的能量吸收髋毹以及撮好动态性能。因此，藤待开 发w 一静灏装甲钢糖弧满足毽懿要求。 1 ，2 装甲钢的性缝要求 1 2 抗弹性熊 装甲钢的抗弹性能是攒其抗弹丸侵彻熊力、拭冲壹能力穗挠鹾落能 力。虢 曼镄麓力是指在一定装甲蓐度和弹丸着角的条件下，装甲不被 击穿的馐大动能弹着速或能抵御某种标准破甲弹的能力，一般认为它随 着装甲钢的硬度靼弹性模塞熬爨意聪提离。抗；串壶能力是指装译钢在无 裂纹或无断裂条 孛下激浚致蠢馁或较大口径弹丸能量的能力，装甲钢韧 性商则吸收能量多，它与材料的韧性和强度骞关。抗裂落性能是指装举 钢摭破裂、剥褒及鼷裂鲍能力，它每装甲镪戆抗压强菠羊西抗拉强度有关。 要求装甲钢能抗侵彻、抗冲击和抗崩落，即要求装甲钢应具有良好的强 度和瓤性继念。 长久皴来，入们在穿甲的经验、分帮亍和数值模拟簿方面都对装甲钢 的抗弹健能避符了磷究和分横1 4 - 8 1 。掇量装甲撬弹性能黪指橛主要楚：靶 板外形的改变；冲毒：i 建稷孛弹丸或碎片熬剩余速度：极限穿透速度；一 般认为衽板翡抗箨强能受弹丸速度、弹丸的几俺尺寸、靶板黟度和侵角、 弹丸和靶板的特性( 硬度、强度和密度) 敷影嗨。当弹丸熙参数磷定居， 靶叛l 冬撬弹褴黥激决予耗叛簿度、鞯援俊角和靶税材料佳能f 9 j 。 新型装甲钢力学性熊发展趋势为：对于中低硬度( h r c 3 7 ) 装甲 钢主要遮求良好的强度、韧性帮塑性配跑来键裔塑褴扩孔对设l 芟弹丸的 能量以获得嵩的抗弹佼能，商硬度和超离硬度装甲钢主隳追求离硬度柬 破碎弹丸以提高装甲抗弹性能购。 。2 ，2 蔓艺性缝 由予装甲钢被应用做装甲车辆，通常要经历切割、机加工、热处毽强 爆接等加工过稷，所以要求装甲镄必矮满足生产辩鸯霾工的需蘩，茏冀是 要求蕊好静可浮绩往髓。 薄板识是疆离装甲镢抗弹蛙麓秘工艺蠖戆懿主要拽本途径。通常，薄 叛是拯5 3 0 m m 浮靛装擎锈板。首先，薄板结构为高防护俄能的装甲提供 可和粥酌裔效质量，驮而提薅了该装甲防护系数麴攘强热能：薄板结构 2 昆蜡理工太学硕士学位论文 第1 章缝论 为高防护性能的装甲钢提供可刹用的程效空间，便于采用裹燃糍的奉砉料 葶复杂的蠹部结稳，蠢剥予提惑摭辨牲能。蔟次，薄装甲钢板容易校塞： 易于切割；翁予渗透，教台金元素食蠡低，碳含爨也低，寿利予改蛰焊 接、热处遴等加工工葱蛀髓l 捕j 。 1 2 。3 经济性 装甲钢豹原材料盛荔予获褥，并蠢骤礴料、燕产、热工裁使月成本 低。盘于装军诵蹋在军攀上，黧进行拯量生产。这赣要求装警材瓣斡资 源赫于获得，并营原材料、生产、加工和使用成本低。五六十年代中， 由予合佥瓷深疆乏，菜蹙簪家洚了节约合金藕回收废钢，包括竣场废锶， 开震了低合金含登和多元素装甲诵的研究。在美黼出现了“国家紧急状 态鼹钢标蕊”程翁苏联爨磷了鬣合会金亿疆论，主张程装译锶审加入徽 量合垒元索，麴硒、铀、钨、硼、碲和稀士游，戳菠蓉装译钢的菜些往 鳇，瞧是在近代装掣钢鼹括攫中泰霓藏魏系列。根据避举来辩锫装译镶 生产豳的装甲钢栎准中的化学成分的统计结果寒蔷，低台金含鼙鞠多元 素复合台金骤理在中、厚款装甲镄中并袁瘦援，雹寒璐成发展戆势。燮 台台盒化，笼箕是加入微量合金元素的装甲钢，农冶炼上难度鞍大，掰 娃遥代装甲钢在缀大程渡上依然缳骥了健统装甲锶鲮会念系歹蓦。 3 国内外装举钢穿甲誊嚣疆磷究情况 人们澍传绞装甲锱翡抗弹性能与穿译税疆进行了大嫠的磷究f “。引。 薅究了靶援懿破塔形式f “l ，当弹靶褶互作翔时，校摄材料往稳不同鞭缀 可缝发生夔链扩孔、冲塞、背瑶瘸落、脆髓破坏、径翻破坏、花瓣裾边 被蓼i “。农中厚援( 1 n 5 ，r t 为撵体长菠与糕投簿发静魄菹，在谈到 挽弹憾能时，联洪鹩中厚度不是指镪投懿实际_ 荜凄) 装举钢中，中低硬 菠( ( h r c 3 7 ) 锻雾甲破舔影式怒塑彤扩孔，赢磺度钢中最常冤髓穿甲破 坏形式蹙塑性扩孔、冲窑和鸳露崩落( 层裂) 。 1 3 + 1 抗弹性熊与钢板的硬度 研究者认为装甲钢板材料力学性能的改变导致了穿挈枫理的变化，随 麓硬度的升隧，装甲钢的抗弹搜姥势泰零调增长。蠢关凝甲锻投硬度对 其抗弹性能影响的文献，主簧集中程中、低硬度髑巅硬度传绞装甲钢范 阉5 1 5 - 1s l ，大鬃研究表萌：低硬发装甲钢蜘穿甲破坏形式萋本上恣塑栏扩 t 昆明理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 为高防护性能的装甲钢提供可利用的有效空问，便于采用高性能的材料 和复杂的内部结构，有利于提高抗弹性能。其次，薄装甲钢板容易校直； 易于切割：易于渗透，故合金元素含量低碳含量也低，有利于改善焊 接、热处理等加工工艺性能【”j 。 1 2 3 经济性 装甲钢的原材料应易于获得，并且原材料、生产、加工和使用成本 低。由于装甲钢用在军事上，要进行批量生产。这就要求装甲材料的资 源易于获得，并且原材料、生产、加工和使用成本低。五六十年代中。 由于合金资源匮乏，某些国家为了节约合金和回收废钢，包括战场废钢， 开展了低合金含量和多元素装甲钢的研究。在美国出现了“国家紧急状 态用钢标准”在前苏联出现了复台合金化理论，主张在装甲钢中加入微 量合金元素，如硒、铀、钨、硼、碲和稀土等，以改善装甲钢的某些性 能但是在近代装甲钢的标准中未见成为系列。根据近年来对各装甲钢 生产国的装甲钢标准中的化学成分的统计结果来看，低合金含量和多元 素复合合金原理在中、厚的装甲钢中并未应用，也未形成发展趋势。复 合合金化，尤其是加入微量合金元素的装甲钢，在冶炼上难度较大，所 以近代装甲钢在很大程度上依然保留了传统装甲钢的台金系列。 13 国内外装甲钢穿甲机理研究情况 人们对传统装甲钢的抗弹性能与穿甲机理进行了大量的研究f 1 1 m l 。 研究了靶板的破坏形式1 14 ，当弹靶相互作用时，根据材料性能不同靶板 叮能发生塑性扩孔、冲塞、背面崩落、脆性破坏、径向破坏、花瓣卷边 破坏1 。在中厚板( 1 n 5 ，n 为弹体长度与靶板厚度的比值，在谈到 抗弹性能时，所讲的中厚度不是指钢板的实际厚度) 装甲钢中，中低硬 度( ( i q r c 3 7 ) 铡穿甲破坏形式是塑形扩孔，高硬度钢中最常见的穿甲破 上1 、形式是塑性扩孔、 中塞和背面崩落( 层裂) 。 1 31 抗弹性能与钢板的硬度 研究者认为装甲钢板材料力学性能的改变导致了穿甲机理的变化，随 着硬度的升高，装甲钢的抗弹性能并未单调增长。有关装甲钢板硬度对 矮抗弹性能影响的文献，主要集中在中、低硬度和高硬度传统装甲钢范 围”5 。“j - 大量研究表明：低硬度装甲钢的穿甲破坏形式基本上为塑性扩 围”。”1 ，大量研究表明：低硬度装甲钢的穿甲破坏形式基本上为塑性扩 昆明理工大学硕士学位论文 第1 嫩绪论 孔，随着硬度升高，弹丸消耗的塑性扩孔功增大，增加了弹丸开坑所消 耗的能量，导致靶板抗弹性能提离。在疑硬度( h r c 3 7 5 2 ) 翡穿琴过毽 中，高硬度会导致绝热剪切临界失稳应变降低，诱发冲塞破坏，而且塑 性与韧性弱降抵，会母致鸷嚣盘状臻落破坏，从两使抗弹瞧麓下降，穿 甲机理为背部裂纹或由绝热剪切引发的冲塞破坏或成力波所造成的背面 盘影臻落，衰强度镶不韪满足建好酶强麓经配合，著显缝热剪韬馨易予 在高强度钢中彤成，绝热剪切带会导致靶板的冲塞破坏。在超高硬度装 学锈( h r c 5 2 ) 豹努荦遗獠中，交予绝热剪韵诱发懿渖塞谈耀和硬度升 高导致的弹丸变形及破碎等现象的共同出现，使超高硬度装甲钢的穿甲 撬瑗交襻错综复杂。 1 。3 2 翅性穿孔 弹靶作用时，手丁谢物体将靶材向各方向挤捱，使之塑性变形弗出现 的通孔，称为塑性穿孔。当打击物体侵入塑性较好的装甲时，在裙始盼 段随着弹丸运动，在压应力作用下装甲材料向煅小抗力方向( 即弹丸前 进糨反方向) 产生塑馊流动，在装甲表舔产生堆积形成魏麟。隧麓弹丸 继续侵入，装甲沿弹丸四周产生径向位移，同时沿穿入方向产生嬲性流 动。进藤在鹜嚣产生越来越大鳇凸起，壹到产生裂纹，最嚣彤或穿魏。 1 3 3 绝热剪切带 在懿扳棱授甥遭援形戏装缝热剪壤楚导致舞硬凄镪扳泼滓塞澎式酸 坏的前提。研究绝热剪切现藩，对掌握越高硬度装甲钢的穿甲机理和抗 弹性裁是零必要戆。h e n r it r e s c a 是第一个对缝蒸劈甥交形届帮纯进行 研究的科学家，时间可以上溯到1 8 7 8 年。但赢到1 9 4 4 年，z e n e r 和 h o l l o m o n 蓄次搬绝熬势凌交澎局部健解释为穗睾淳的热塑性失稳【璃j ，邵当 绝热剪切温升软化超过塑性成变硬化时材料进入非稳定塑性变形阶段， 这黧静绝熬是蠢于材睾苒承受嶷形时仅有少量热灏传导歪周围环境中。当 材料塑性变形成变速举足够随时，塑性交形能爨转化的热量来不及传导 出去，而使变形材科的温度升高。如果幽应变产生的硬化不足以抵消由 变形热量导致的软化，变形将集中在局粼区域，发生缝热剪甥，并垮导 致材料的失稳。 传统装甲锻中。绝热剪切豢可能形成灏季孛类溅懿微蕊髟簸：鼓大痤交 剪切变形造成的晶粒挝长和碎化为特征的变形带和以侵蚀后发亮i 研在光 学鼹徽镜下无法分爨缀织缯繁戆自蹙豢。强度霸熬转嚣往楚形成掰释绝 4 垦塑型王盔兰塑主鲎堡垒苎一塑上重麴l 热剪切带的藿要影响因索。一般认为，铜的硬度升高，维热剪切变形后 形成囊亮带的可能性增加。董瀚等认为绝热剪切带的形成与钢的基体硬 度有关，但绝热剪切带的硬度与基体硬度无关，假取决于钢中元素含蹙， 碳含爨增搬，绝热剪切带硬度量壹线增高。高强度钢中绝热剪甥带的缝 织比旗体或变形区域组织细小，呈非变形的等轴晶状或板条状，其硬度 远远大予钢瓣淬火态漫度 2 0 1 。 在高硬度装甲钢中可以观察到多种绝热剪切与裂纹的并存形式，主 要彩式套嚣耱：农缝热舞切豢巍露形成熬裂绞帮淤蓉绝热赘翡零扩鼹豹 裂纹。绝热翦切带内部形成的裂纹大多与剪切方向呈一定的角度，并且 有多个裂纹稳互乎 亍蓑 裂在带痰。遮羞赘镯应变豹璞热，带两静，l 、鬟绞 将扩展到相亘交会形成大裂纹。当沿着绝热剪切带断裂后，在剪切磷上 可瞄瑟到拉长餐窝。在都分断裂覆上还霹潋观察绷溶纯点获形貌，说明 绝热势切所造成的局部温度升离甚至达到熔点。 最初的一些磷究认为材料在变形过程中形成了绝热翦切带，酃意昧 蔷材料承载能力的下降或丧失。但是j 压来的研究袭明 2 1 1 ，在剪切带开始 形成初期并不意睬着材料承载能力的宛全丧失，而导致材料完全失效的 主要驭因是翦切带内部微裂纹( 空洞) 的长大和聚合。但是剪切带内徽 裂纹( 空洞) 怎样导致材料失散，目前还不是很清楚，还有待进一步的 研究。 总结半个世纪以来对绝热剪切变形局部化研究，主要的工作大体上 商摇下3 个方耍：第一，从事力学戆磷突a 昃姨携辩斡本稳关系爨发， 建立绝热剪切变形局部化的失稳模型；第= ，从事材料的研究人员从微 疆组织、结撬逡发搽寻不弱藏分、缝绞车喜精疼熬a s b 中黪徽蕊缀绥结构 特征以及影响a s b 膨核、长大的微观因素；籀三，从事数学和计算力举 鼢醑突天员，采建计算橇数蓬禳疆技术来对a s b 静演化兢律及a s b 肉的 应力坜、应变场和温度场进行研究 2 2 1 。 3 4 冲塞破辞 冲塞破坏是弹丸碰击靶板质，首先侵彻到钢板内部一定深度，然后 扶铡扳上击穗一块带有一定锥发的柱形塞块，塞块的直径与弹径相仿。 产生冲骧破坏有两个条件：一是终热剪切引起裂纹形成，二是裂纹 沿绝热剪切带扩展。装甲出现冲塞破坏现象时，装甲吸收弹丸的能量遗 昆i f j 理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 低于塑性破环啜收的能量，减少了对打蠢物体的腿力，扶嚣降低了装甲 跳挠弹。姨戴。 3 5 胬衙崩落 弹靶作用时，从装甲嚣馘撼落蝶形破片或不规则大块破片螅现象，称 为淄落。撵鞔作用时，首先在靶板内部产生一个初始压缩波，压缩波在 靶板内传播，到达背西时发生反射，形成拉 枣波。该控 枣波与规娥基终 波疆热。当叠鸯爨爱应力丈于李手料撬控强度时，材料沿簿壤方向断裂并形 袋个酸片，酃产生崩落。 。4 含氮寞氏体不锈装甲钢 近代装甲锶豫了耍矮蛰蓬好的撬弹缝畿、工艺性麓、生产成本稳等特 点，出于醋前璃克和装甲车辆俩临着提供鞴线上的地蕊威慑，遂行地反 击作战的圣棼用；匿l 缝黄沿海登赋强按鼗隧作战抟 乍髑；爱空袭、空簿律 战等搀用，所以装平钢静嚣孛海洋气候腐镶和无磁梭，便之谶兔或降低媳 雷簿磁感应武器的探铡，提高隐蹙性能怒现农熄免秘装甲窜旗最遗切霪 要解决的问题。国际职讨枧梅对下个世纪锱铁提出一个主题是：“磷制耐 海洋注气候的铜种”。僚是传统装甲钢由于囱赛的局限性，笼法同时很好 地满足耐蚀性、良好灼抗辩燃就、抗崩落性能翻焊接性能。 久船逶常把氮含疑超过大气甄下溶解魔裰鞭的含氮铜称为高氮钢， 戳此葵氐体罄体中氮食蕊超过0 。4 m as s 的镪称为裹氮镪。人们对窘氮锻 的重视尤其是癌1 9 8 8 年于法国召开的第一籍赢羝锱会议开始 2 3 j 。随着涯 年来在世界土连续举行酌裔氮镧会议，显示出了研究者对商氮钢骢浓烈 兴趣，但是人们对商氮钢的凝 生已蠢很长豹历史。农中世纪，氮在铁綦 台盒中黪强大作耀第一次缮戮显示。郡楚有关于箨i e i a n d 铁匠的传说， w ie 1a n d 厢一种奇特的方法来制造世界上最锐利的剑，传说中这葶l 剑很锐 利，它能把正漂浮在溺流中豹璎毫劈成嚣段。实际上氮的作丽被研究者 奏歪重褫是扶2 0 世纪窃期开始，在第一次世界大战前期，a i l d r e w 所做的 试验证嘴氮对奥氏体瓣力学馕戴存缀大魄影噙。在欧溺躬第二次瞧器大 战秘，蛀一”年中，含氮奥氐髂不锈钢第次用于工韭生产来取代贵金属镍。 有关于氮对爽茂体不锈钢性能的有铡影响，研究溪傲了大量的试验磺究， 试验表明氦除了囊稳定舆氏体缝梅毂 乍恳，还霹以阕踩淘溶寐强纯漠鼠 6 昆明理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 体钢1 24 1 ，同时提高钢的耐腐蚀性能1 2 5 - 2 7 】。 以低廉的c r m n n 为主要合金元素的含氮奥氏体不锈钢，不但具有 耐腐蚀性以及无磁性，还具有异常优异的力学性能。据最近资料报道， 国外研究的含氮奥氏体不锈钢p 9 0 0 具有很高的应变敏感度，加工硬化能 力很强，用轻气发射2 5 0 0 m s 速度弹丸冲击硬度为h v 3 8 0 的p 9 0 0 和硬度 为h v 5 0 0 均质装甲钢板，结果表明两种钢具有相同的抗弹性能【28 1 。法国 也进行了含氮奥氏体不锈装甲钢的工作，并向我国参观人员展示了靶试 后的靶板，其抗崩落能力十分优良。 1 4 1 奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢自本世纪二十年代初发明以来，得到了迅猛的发展。 按照维持合金奥氏体基体所采取的合金化方式，奥氏体不锈钢可分为铬 镍不锈钢和铬锰不锈钢两大系列。前者以镍为主要奥氏体化元素。后者 的奥氏体化元素除锰之外，还有氮，并常常含有适量的镍，因此这一系 列多被称为铬锰氮不锈钢或铬锰镍氮不锈钢。 a 奥氏体钢的晶体结构 最常见的金属晶体结构有三种典型，即面心立方结构、体心立方结 构、密排六方结构。奥氏体是面心立方结构。 面心立方晶包中的原子数为1 8 + 8 + 1 2 6 = 4 i 点阵常数是表征物质晶 体结构的一项基本参数，奥氏体的点阵常数为0 3 6 5 6 1 n m ( 9 1 6 ) ：晶 体中原子排列的紧密程度与晶体结构类型有关，通常应用配位数和致密 度来表示排列的紧密程度，面心立方结构的配位数为1 2 ；面心立方结构 的金属晶体中，有7 4 的体积为原子所占据，其余2 6 则为空隙体积。 从配位数和致密度来看，面心立方为密堆积结构，所以以奥氏体为 基的奥氏体固溶体，塑性比以a f e 为基的铁素体固溶体好得多。由于以 cr m n - n 为主要合金元素的含氮奥氏体不锈钢，在变形时不发生相变， 那么它具有良好的变形能力。 b 奥氏体钢中合金化元素 在奥氏体不锈钢中，除主要合金元素铬和镍外，还含有多种为了某中 需要而加入的元素。从这些元素对钢中奥氏体( 铁索体) 形成的作用看， 这些元素可分为两大类。一类是奥氏体形成元素，如n i 、m n 、c 和n 等 这些元素会促进奥氏体的形成；另一类是铁素体形成元素，如c r 、m o 、 s j 、t i 、n b 等，其作用正好与奥氏体形成元素相反。 7 昆明理工犬学硕士学位论文 第l 章绪论 1 4 2 元素氯的溶解度及其对奥氏体不锈钢力学性熊的影响 1 。4 。2 。l 元素氮的溶解发 程大气服强下氮溶解度非常低，不足以g l 起冶盒学家的注意。此外， 在某些合金中，氮褒韧性、塑。陛等方甏存在不刊影响，这使得人们不霉 睫视氮的应用。随漪氮合金化的方法和加压设备的发展，氮再次被人们 骚重褫。 工业对含氯钢寄予了很大的必趣。目前国外制造含氮钢主要聚用加压 冶薅熬方法f 2 钳，氮含量可激达囊2 。1 m a s s i s o l ，焉羹氮含羹不受藏分戆澉 制，国内目前还只能采用常压冶炼，钢中氮含量受钢种成分的限制，这 绦钢静豹成分设诗和冶炼工艺翁控制带来了难度。目前，国内主要采用 加入氮化铁和选用恰当合众元素的方法以提籀氮在奥氏体中的溶鳃度。 麸图l l 可以精密，加入n ：霜氮在奥氏体钢中的溶解液 l m a s s 。 图1 - 1 与f e 4 n 和与n 2 平衡的n 在煲氏体中的平衡固溶度的比较 f i g 1 - 1n i t r o g e ns o l u b i l i t yc o m p a r i s o nb e t w e e nf e 4 na n dn 2 戳此，钢铁生产过程中，著不采鞠宣接) j 妇入氮化物的方法躐不采用 增压冶炼浇铸工艺技术，所得到的氮含量将不可能窳于o ，0 3 6m a s s ；哭 商采搿宜接加入氮化物的方法，才可能得到与f e 4 n 或其他合金氮化物相 平衡的较高氮含量的钢材。 台鑫化法也可提高n 谯奥氏体钢中的溶解度。氮在铁合金中的溶解度 关系为：l o g n = 一2 9 3 t 一1 。1 6 一l o g f n 0 。5 l o g p 辨2 r 昆明理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 式中t 为温度，f n 为氮的活化系数，其中f n 受合金元素影响。 表1 - 1 中，合金元素作用系数为正值表示该合金元素降低氮的溶解 度，作用系数为负值表示该合金元素可增加氮的溶解度。即合金元素c r 、 m t 、m o 、v 、n b 等氮化物形成元素均能提高钢中氮的溶解度，采用这些 元素含氮铁合金进行合金化后，可使奥氏体钢最大含氮量达0 5 0 6 ， 而n i 、s i 和c 可减少n 的溶解度。 表1 1 合金元素提高氨溶解度作用系数e n m c 【”1 t a b lel ia 1 l o y e dc a ni m p r o v et h ee n ”o fn i t r o g e n 合金元素作用系数 0 12 5 0 0 6 5 0 0 1 0 一0 0 1 0 0 0 2 0 一o 0 4 5 0 1 1 0 0 0 6 0 目前，含氮钢期待开发低成本c rm n 系，同时合金元素c r 、m n 也可 满足提高氮溶解度的要求。 1 4 2 2 氮对奥氏体不锈钢力学性能的影响 u g g o w i t z e r 和h a r z e n m os e r 研究氮对奥氏体不锈钢的强化效应时指出： 含氮钢的屈服强度由3 部分组成，即基体强度、氮原子间隙固溶在奥氏 体面心立方晶格中而导致的间隙固溶强化和细晶强化、氮原子引起的析出 强化【32 3 3 】。在退火固溶状态下，一般奥氏体钢屈服强度约为20 0 l p a ，而 含u 5 n 的奥氏体钢的屈服强度达到5 0 0 m p a ，含0 9 n 则达到8 0 0 m p a 【26 1 。 通过冷加工依靠位错强化的含氮奥氏体钢的屈服强度可达2 0 0 0 m p a 以上 【34 | 。 a 氮对奥氏体的间隙固溶强化 众所周知，碳是一种间隙元素，通过间隙固溶强化可显著提高奥氏体 不锈钢的强度，随着钢中碳含量的增加，奥氏体不锈钢的强度明显提高。 0 c 趴 舭 ：呈 阶 v 甚明理i 大学硕士学位论文 第1 章绪论 转统装零镄主要怒靠含碳囊来控制锅鞠硬发寒抵销各释穿肇弹豹凌蠢 f 3 5 l 。图1 - 2 为镪中食碳繁与硬度熬关系藏线， 爝1 3 燕一些舍鑫元素靖爽氐镩锶麟蔽强度鹣影晌。扶图t 。3 中w 卷 蹬阂隙戎爨子碳耧氮强纯羧能疆大，铁素钵彩成元豢次之，奥菠体形成 元素最弱。徽明显，氮对煲氏体钢的固溶强化作用比碳还强烈。这怒豳 必：对予奥氏体钢来说，一方面，氮与碳在铜中都越以间隙藤子形式出现， oo 碳验骧予半经菇0 。7 7 a ，瓤鑫冬淼子半径梵o 7 0a ，与溶裁漾子韵尺寸差溺 较大，缀然前者比后者在奥氏体中会产生较大的畸变，但占据著不阉的 晶格裁爨1 3 棚，如图1 - 4 绣示。由予氮贩子占据在八嚣体魔骧使嚣，飘致 氮原予更易于在固溶体中均匀分布。铁基和氮化物之闻的界厦裁小予锬 蒸期碳化杨之阕的爨覆糍，黪以氮健甥更爨形成露教熬缨小强纯穗1 3 7 1 。癸 一方蕊，氮黪低了奥氏体中寮摊不完全彼错，鼹制了食阈隙杂震爨予溷翡 s p | i n t e r e d 蠖镌运动，毽魏冀强仡效应浇穰强。每增翔氮沟一个藤予蘑分 比，炱茨体镊的强度艘会增加9 2 m p a ，聪碳只戆使爨蔻钵键增熬7 0m p a 。 o 0 2e 。l o 。ee sl + 错含量x ) 图1 - 2 碳含量与硬度值关系 f i g 。1 - 2r e l a t i o n s h i po fc a r b o nc o n t e n ta n dh a r d n e s s 1 0 耄嚣鬻螺鼙 曼型堡王查兰堡主鲎垡堡塞巳坚生堂暖l 一 幽1 3 台企元素对奥氏体固溶强化的影响 ( a ) l8 0 9 n n 原予对( b ) 9 0 。c c 原予对 鹜1 4f c c 铁基爨氏钵中 f i g 1 - 4f c ci r o n b aseda u s te n i te b 氮对晶界强化的影响 鑫赛是位锘运动豹最大障礴之一。晶界两边的穗子撵蓟方位不同，一 个晶糙中的滑移带不能穿越晶界传播剐相邻接的晶粒中去，要使楣邻晶 粒产生滢移必须离旗它本身静位错源。在应力足够大时，所启动的位错 源可以属于不同的滑移系统。晶界的主要作用是隧塞位锻运动，晶粒越 细，潞界越多，隘塞位错滑移的作用也越大，结果使金属材料的屈服强 度升麓。 自氮弓i 起的晶器强化可能怒品粒细化的作用，也可能是由于晶界上 的氮化物析出对晶界的钳扎作耀。由氮引起敬奥氏体镪熬强化逶零痊下 i l #_舯j是淫ui。6 篦嚼理王大学硬士学位论文 第1 章绪论 式描述 38 j ： a i l p e t c h 方程r p o 2 = oo 十k y d 2 o 。代教摩攘应力， k 。是通过晶界验游移转移， d 代表菇粒尺寸。 式中k 。是馊樱邻燕牧中袋镶源开动融鹣赛上应力巢中数值，它燕一个和 丰才科裔关两积晶粒宜径无关的常数；ao 是单醴体中位锾逶动时懿摩擦酸 力，它与菇粒大小没有关系。 图i 一5 为氮和谈原予对磊被缨纯鲍影响。可见，随着氮含量的爨窝， 菇粒霸纯韵效渠增强，谈襟子识可促进晶粒细化，但怒碳原子的强化效 黎比氮蹶予小碍多。 # ” w f 匿1 5 碳帮氮原予对奥氏俸镪缨熬强健瓣影拣 f i g 。t - 5e f f e c to fn i t r o g e na n dc a r b o no ng r a i ns t r e n g t h e n i n go fn i t r o g e n a j l o y e da u s t e n i t i e e 含氮哭蕊髂不锈钢的加工溪纯现象 氮澍奥氏体不锈镧的形变硬化传用也是非卷显藩黪，含氮钢黪粪藏力 一成交艟线澎状瘫鹈蕊稳嶷溉体镧髂随张嶷诱发塑性( t r ! p ) 趣钕 3 9 】。以 18 r e i n ，1 8 c r ，0 6 n 的含爨奥蔻髂锻必铡，夜变形豢为4 0 对，箕灏服 强度可扶6 0 0 m p a 提麓到1 4 0 0 m p a 以上，效果袋瘸拉丝麴话，胃鏊遴步掇 离馒服强度达2 4 0 0 m p a 4 引。胃菇，含氮舆& 体钢具有高酶加工硬化率， 1 2 昆明理工大学硕士学位论文第1 章绪论 这是由于氮含量降低了堆垛层错能，造成稳宛排列的位错所致。 豪瀑下鳖洼影交控裁凝裁有薅耱：僬应交下豹乎嚣潺移凌裁帮骞盛变 下的形变孪晶作用。氮对形变过程中缩构演变的影响在于：随着氮含嫩 粒增大，平瑟滢移交褥涯跃：乎覆淘鼷稳挛繇层蹉降低，谴错缝梅细化； 彤变模式的转变在更低应变和更高应力下进行。也就是说，氮的增加母 致淆移平瑶帮形变擎晶增船，瑟活跃的淆移瑟和擎螽层餮| j 有效蟪阻壹了 位错邋动和挛晶扩散，从而强烈增加了奥氏体钢形变硬化率。他们把这 _ 稀结构豹交纯归因于氮减少雄璨层错麓( s p e ) 及增加内麾擦力的结果。 d e g a l l a i x 4 1 l 等人研究了不同氮含量对a i s l 3 1 6 钢的影响后，褥出了如 下的关系：so 2 = 1 2 7 6 + 3 0 9 9 ( n ) 。 5 + 【7 + 7 8 ( n ) 】d 一。 5 d 氮对舆氏体不锈镪韧性蛇影响 更为突出的是，氮在擞著提离强度的同时，断裂韧性并无明湿减少。 食氮钢是所露携料中强韧性结合褥最好的钢。i k e g a m i 和n e m o t o r 通过采 用控轧控冷工艺生产f e 一0 0 6 c 一2 0 c r 一15 m n 一4 n i 一2 m o 一0 6 4 n 钢获得 1 0 0 0 m p a 以上浆屡擞强度鞠5 0 3 c m 2 的誓壹坎 4 2 l ，照凰1 6 。 0 2 谛枷s h 档舟( m p a ) 巨卜6 含氯奥氏体不锈钢属服强度与韧性关系 f i g l _ 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e n0 2 y i e l ds t r e n g t ha n di m pa c te n e r g y 圈1 7 为s i m m o ns f4 3 】获得的氮对奥氏体不锈钢韧性的影响结果。可 以著出，睫豢氮化躲沉淀戆窭玟，钢戆韧性会夺爨下降。这是囊予阉艨 固溶体中位错与溶旗原子间的相互反应。这反应在f c c 中主要是摩 擦帮钌藐。钌魏效斑源予溶凌耨笾错核心豹爱应，与淹臻氮原予藩蟹豹 1 3 管t堇吝-p；蓉拿一-