兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (2): 395-406.doi: 10.12382/bgxb.2022.0740
薛浩1, 王涛1, 黄广炎1,2,*(), 崔欣雨1, 韩洪伟3
收稿日期:
2022-08-25
上线日期:
2024-02-29
通讯作者:
基金资助:
XUE Hao1, WANG Tao1, HUANG Guangyan1,2,*(), CUI Xinyu1, HAN Hongwei3
Received:
2022-08-25
Online:
2024-02-29
摘要:
为探索增材制造316L不锈钢球形破片的弹道性能,采用选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术制造316L不锈钢材料毛坯,通过机加工、抛光等操作得到了直径12mm的增材制造316L不锈钢球形破片。开展打印态316L不锈钢材料的显微计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)和静动态力学试验研究,获得了打印态316L不锈钢在材料沉积方向的Johnson-Cook(JC)模型参数,进行了增材制造和传统冷轧工艺制造的316L不锈钢球形破片侵彻6mm厚Q235钢靶的弹道试验。研究结果表明:增材制造球形破片的弹道极限速度比传统冷轧制造破片低2.5%左右,弹道性能有小幅提升,暗示了增材制造工艺用于制造战斗部预制破片的潜力;开展的数值仿真研究获得了与试验结果一致的剪切冲塞穿靶机理,仿真与试验穿靶速度数据比较吻合,弹道极限速度误差仅为1.4%左右,仿真结果也表明JC模型用于描述增材制造316L不锈钢材料穿靶行为的可行性。
中图分类号:
薛浩, 王涛, 黄广炎, 崔欣雨, 韩洪伟. 增材制造316L不锈钢球形破片的弹道性能[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 395-406.
XUE Hao, WANG Tao, HUANG Guangyan, CUI Xinyu, HAN Hongwei. Ballistic Performance of Additively Manufactured 316L Stainless Steel Spherical Fragments[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(2): 395-406.
元素 | C | Cr | Fe | Mo | Ni | Mn |
---|---|---|---|---|---|---|
标准含量/% | ≤0.03 | 16~18 | 其余 | 2~3 | 12~15 | ≤2 |
实际含量/% | 0.022 | 17.16 | 其余 | 2.71 | 12.2 | 1.45 |
表1 增材制造316L不锈钢的化学组分
Table 1 Chemical composition of additively manufactured 316L stainless steel
元素 | C | Cr | Fe | Mo | Ni | Mn |
---|---|---|---|---|---|---|
标准含量/% | ≤0.03 | 16~18 | 其余 | 2~3 | 12~15 | ≤2 |
实际含量/% | 0.022 | 17.16 | 其余 | 2.71 | 12.2 | 1.45 |
激光 能量/W | 扫描 层厚/mm | 扫描速度/ (mm·s-1) | 扫描 角度/(°) | 扫描 策略 | 扫描 间距/mm |
---|---|---|---|---|---|
295 | 0.04 | 1000 | 135, 180, 225循环 | Z字形 | 0.08 |
表2 增材制造316L不锈钢的打印参数
Table 2 Printing process parameters of additively manufactured 316L stainless steel
激光 能量/W | 扫描 层厚/mm | 扫描速度/ (mm·s-1) | 扫描 角度/(°) | 扫描 策略 | 扫描 间距/mm |
---|---|---|---|---|---|
295 | 0.04 | 1000 | 135, 180, 225循环 | Z字形 | 0.08 |
图11 不同温度下在静态拉伸试验中得到的光滑圆棒真实应力-应变
Fig.11 True stress vs. true strain curves of smooth round bars obtained in static tensile tests at different temperatures
破片 | 编号 | vi/(m·s-1) | vr/(m·s-1) | 穿靶状态 |
---|---|---|---|---|
A1 | 1025 | 462 | 穿透 | |
A2 | 1011 | 450 | 穿透 | |
A3 | 702 | 227 | 穿透 | |
A4 | 628 | 174 | 穿透 | |
A5 | 609 | 163 | 穿透 | |
A6 | 577 | 141 | 穿透 | |
A7 | 558 | 145 | 穿透 | |
A8 | 540 | 133 | 穿透 | |
A9 | 537 | 74 | 穿透 | |
A10 | 537 | 112 | 穿透 | |
冷轧破片 | A11 | 532 | 23 | 穿透 |
A12 | 529 | 59 | 穿透 | |
A13 | 517 | 0 | 嵌入 | |
A14 | 515 | 0 | 嵌入 | |
A15 | 509 | 0 | 嵌入 | |
A16 | 508 | 0 | 嵌入 | |
A17 | 487 | 0 | 嵌入 | |
A18 | 477 | 0 | 嵌入 | |
A19 | 472 | 0 | 嵌入 | |
A20 | 449 | 0 | 嵌入 | |
A21 | 400 | 0 | 嵌入 | |
B1 | 1002 | 485 | 穿透 | |
B2 | 951 | 448 | 穿透 | |
B3 | 646 | 185 | 穿透 | |
B4 | 613 | 167 | 穿透 | |
B5 | 594 | 131 | 穿透 | |
B6 | 552 | 110 | 穿透 | |
B7 | 546 | 97 | 穿透 | |
B8 | 542 | 156 | 穿透 | |
B9 | 523 | 92 | 穿透 | |
增材破片 | B10 | 504 | 0 | 嵌入 |
B11 | 496 | 0 | 嵌入 | |
B12 | 492 | 0 | 嵌入 | |
B13 | 477 | 0 | 嵌入 | |
B14 | 474 | 0 | 嵌入 | |
B15 | 453 | 0 | 嵌入 | |
B16 | 437 | 0 | 嵌入 | |
B17 | 434 | 0 | 嵌入 | |
B18 | 433 | 0 | 嵌入 | |
B19 | 431 | 0 | 嵌入 |
表3 弹道试验结果
Table 3 Ballistic test results
破片 | 编号 | vi/(m·s-1) | vr/(m·s-1) | 穿靶状态 |
---|---|---|---|---|
A1 | 1025 | 462 | 穿透 | |
A2 | 1011 | 450 | 穿透 | |
A3 | 702 | 227 | 穿透 | |
A4 | 628 | 174 | 穿透 | |
A5 | 609 | 163 | 穿透 | |
A6 | 577 | 141 | 穿透 | |
A7 | 558 | 145 | 穿透 | |
A8 | 540 | 133 | 穿透 | |
A9 | 537 | 74 | 穿透 | |
A10 | 537 | 112 | 穿透 | |
冷轧破片 | A11 | 532 | 23 | 穿透 |
A12 | 529 | 59 | 穿透 | |
A13 | 517 | 0 | 嵌入 | |
A14 | 515 | 0 | 嵌入 | |
A15 | 509 | 0 | 嵌入 | |
A16 | 508 | 0 | 嵌入 | |
A17 | 487 | 0 | 嵌入 | |
A18 | 477 | 0 | 嵌入 | |
A19 | 472 | 0 | 嵌入 | |
A20 | 449 | 0 | 嵌入 | |
A21 | 400 | 0 | 嵌入 | |
B1 | 1002 | 485 | 穿透 | |
B2 | 951 | 448 | 穿透 | |
B3 | 646 | 185 | 穿透 | |
B4 | 613 | 167 | 穿透 | |
B5 | 594 | 131 | 穿透 | |
B6 | 552 | 110 | 穿透 | |
B7 | 546 | 97 | 穿透 | |
B8 | 542 | 156 | 穿透 | |
B9 | 523 | 92 | 穿透 | |
增材破片 | B10 | 504 | 0 | 嵌入 |
B11 | 496 | 0 | 嵌入 | |
B12 | 492 | 0 | 嵌入 | |
B13 | 477 | 0 | 嵌入 | |
B14 | 474 | 0 | 嵌入 | |
B15 | 453 | 0 | 嵌入 | |
B16 | 437 | 0 | 嵌入 | |
B17 | 434 | 0 | 嵌入 | |
B18 | 433 | 0 | 嵌入 | |
B19 | 431 | 0 | 嵌入 |
工艺 | a | v50/(m·s-1) | pm | R2/% |
---|---|---|---|---|
冷轧 | 0.50 | 517 | 2.16 | 97.9 |
增材 | 0.57 | 504 | 1.82 | 98.3 |
表4 两种工艺制造破片的拟合结果
Table 4 Fitting results for two types of fragment
工艺 | a | v50/(m·s-1) | pm | R2/% |
---|---|---|---|---|
冷轧 | 0.50 | 517 | 2.16 | 97.9 |
增材 | 0.57 | 504 | 1.82 | 98.3 |
ρ/ (kg·m-3) | E/ GPa | u | Cp/ (J·kg-1·K-1) | Tr/ K | Tm/ K | / s-1 |
---|---|---|---|---|---|---|
7800 | 200 | 0.3 | 469 | 300 | 1795 | 1 |
A/MPa | B/MPa | n | C | m | D1 | D2 |
410 | 20 | 0.08 | 0.1 | 0.55 | 0.3 | 0.9 |
D3 | D4 | D5 | ||||
2.8 | 0 | 0 |
表5 Q235钢靶板的JC材料参数[26]
Table 5 JC material parameters of Q235 steel target plate[26]
ρ/ (kg·m-3) | E/ GPa | u | Cp/ (J·kg-1·K-1) | Tr/ K | Tm/ K | / s-1 |
---|---|---|---|---|---|---|
7800 | 200 | 0.3 | 469 | 300 | 1795 | 1 |
A/MPa | B/MPa | n | C | m | D1 | D2 |
410 | 20 | 0.08 | 0.1 | 0.55 | 0.3 | 0.9 |
D3 | D4 | D5 | ||||
2.8 | 0 | 0 |
C0/(m·s-1) | S1 | γ0 | α |
---|---|---|---|
4578 | 1.36 | 1.67 | 0.45 |
表6 316L不锈钢破片和Q235钢靶板的状态方程参数[27]
Table 6 The equation of state parameters of 316L stainless steel fragments and Q235 steel target plate[27]
C0/(m·s-1) | S1 | γ0 | α |
---|---|---|---|
4578 | 1.36 | 1.67 | 0.45 |
图17 仿真和试验中增材破片初速和余速关系曲线
Fig.17 Relationship between the initial velocity and residual velocity of additively manufactured fragments in simulation and test
[1] |
辛甜, 韩庆. 钢破片侵彻靶板弹道极限速度研究[J]. 科学技术与工程, 2012(2): 264-268.
|
|
|
[2] |
刘铁磊, 徐豫新, 王晓锋, 等. 钨合金球形破片侵彻低碳钢的弹道极限速度计算模型[J]. 兵工学报, 2022, 43(4): 768-779.
|
doi: 10.12382/bgxb.2021.0448 |
|
[3] |
吕珮毅, 张允航, 张曌. 破片形状, 着靶姿态对侵彻多层靶影响的数据模拟研究[J]. 国外电子测量技术, 2021, 40(1):27-31.
|
|
|
[4] |
张家莲, 李发亮, 张海军. 选区激光熔化技术制备金属材料研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(10):35-44.
|
|
|
[5] |
|
[6] |
郭美红. SLM加工的预控破片研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2018.
|
|
|
[7] |
Additive manufacturing—general principles—fundamentals and vocabulary: ISO/ASTM 52900:2021[J]. Vernier, Geneva, Switzerland:ISO, 2021.
|
[8] |
doi: 10.3390/ma10060672 URL |
[9] |
doi: 10.1016/J.ENG.2017.05.012 URL |
[10] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2017.11.011 URL |
[11] |
doi: 10.1016/j.dt.2014.08.004 |
[12] |
doi: 10.1515/mms-2016-0027 URL |
[13] |
doi: 10.1016/j.mechmat.2013.12.001 URL |
[14] |
doi: 10.1016/j.msea.2022.142683 URL |
[15] |
doi: 10.1016/j.jmrt.2022.04.116 URL |
[16] |
doi: 10.1016/j.msea.2015.05.073 URL |
[17] |
余小鲁, 汪太平. 造孔剂含量对粉末冶金不锈钢多孔材料孔隙率和抗压强度的影响[J]. 机械工程材料, 2012, 36(7): 60-62.
|
|
|
[18] |
doi: 10.1016/j.msea.2013.04.041 URL |
[19] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2005.06.007 URL |
[20] |
doi: 10.1016/j.msea.2016.04.083 URL |
[21] |
doi: 10.1007/s40870-016-0059-1 URL |
[22] |
doi: 10.1016/j.proeng.2016.12.046 URL |
[23] |
doi: 10.1115/1.3636566 URL |
[24] |
|
[25] |
doi: 10.1016/j.msea.2021.141808 URL |
[26] |
doi: 10.1007/s11340-007-9110-4 URL |
[27] |
程兴旺, 王富耻, 李树奎, 等. 不同头部形状长杆弹侵彻过程的数值模拟[J]. 兵工学报, 2007(8):930-933.
|
|
|
[28] |
|
[29] |
LS-DYNA keyword user’s manual[J]. Livermore, CA, US: Livermore Software Technology Corporation, 2003: 299-800.
|
[30] |
陈海华, 张先锋, 熊玮, 等. WFeNiMo高熵合金动态力学行为及侵彻性能研究[J]. 力学学报, 2020, 52(5):1443-1453.
doi: 10.6052/0459-1879-20-166 |
|
[1] | 袁璟, 蔺向阳, 彭洋, 檀成. 光固化含能粘合剂的设计与合成[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 2023-2032. |
[2] | 王宇, 白舒乐, 王子琪, 刘斌, 冯立, 赵文娟, 郝俊辉. 层状金属内嵌应力感知结构设计及超声波增材制造组织性能测试[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3783-3792. |
[3] | 辛大钧, 薛琨. 基于人工神经网络的非球形破片阻力系数预测模型[J]. 兵工学报, 2022, 43(5): 1083-1092. |
[4] | 刘铁磊, 徐豫新, 王晓锋, 张鹏, 张健. 钨合金球形破片侵彻低碳钢的弹道极限速度计算模型[J]. 兵工学报, 2022, 43(4): 768-779. |
[5] | 沈超, 周克栋, 陆野, 乔自平. 内膛损伤枪管对内弹道性能和弹头出膛状态的影响研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(4): 718-727. |
[6] | 金丹, 张江玉, 李江华. 316L不锈钢圆路径下的动态应变时效分析[J]. 兵工学报, 2018, 39(3): 584-589. |
[7] | 梁泰鑫, 吕秉峰, 马忠亮, 肖忠良. 一种随行装药的燃烧性能[J]. 兵工学报, 2015, 36(9): 1660-1664. |
[8] | 莫根林, 吴志林, 刘坤. 球形破片侵彻明胶的瞬时空腔模型[J]. 兵工学报, 2013, 34(10): 1324-1328. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||