Zr基非晶破片对碳纤维复合靶及后效铝靶的侵彻试验研究

Zr基非晶破片是一种新兴的活性高效毁伤元,其着靶速度达到一定阈值时会发生燃烧反应并破碎,从而大幅提高其后效毁伤能力。为研究Zr基非晶破片对碳纤维增强复合材料的侵彻破坏机理及后效毁伤能力,利用弹道枪加载球形破片,分别以496.4~1 085.8 m/s、571.4~1 103.9 m/s的速度范围撞击8和6 mm厚的碳纤维复合靶,并布置2 mm厚LY12铝靶板作为后效靶,以比较破片在不同工况下的后效毁伤能力。实验结果表明:碳纤维靶受活性破片冲击时,其迎弹面的破坏形式主要是压缩失效与剪切失效的耦合破坏,其背弹面的破坏形式主要是拉伸失效破坏与层间的脱粘分裂;随着破片着靶速度的提高,碳纤维靶板的压剪耦合破坏比例逐渐增加,拉伸断裂与分层现象逐渐减弱;破片对于8和6 mm厚碳纤维靶的弹道极限速度分别为351.9、264.6 m/s;相同着靶速度下,8 mm厚碳纤维靶的后效毁伤面积大于6 mm厚碳纤维靶的后效毁伤面积,两者之间的差异随着着靶速度的提高而逐渐减小;破片冲击等厚度碳纤维靶时,破片的后效毁伤能力随着靶速度的提高而增强。

微量氮元素添加对Zr基非晶合金力学性能影响的研究

采用铜模吸铸法,成功地制备了直径3 mm的(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)(x=0、0.5、1.0、1.5、2.0)非晶合金棒材。利用氮氧分析仪、X射线衍射仪、差示扫描量热仪、万能试验机、显微硬度计和扫描电镜等手段,系统地研究了氮含量对(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)非晶合金的力学性能的影响。同时,对氮元素添加时非晶合金体系的剪切带与断口形貌进行了分析讨论。结果表明:不同氮含量的(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)合金中,氮含量(原子百分数)分别为0.08%、0.49%、1.18%、1.48%、1.73%;在添加微量氮元素前后,块体合金(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)均呈现完全非晶结构;原始Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)非晶合金的显微硬度值为478.62 HV,添加氮元素后显微硬度随氮含量增加而递增,显微硬度最高为519.16 HV;添加氮元素前,Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)合金的抗压强度为1738 MPa、塑性形变量为2.1%;当x=0.5时,抗压强度降至1719 MPa、塑性形变量降至1.0%;当x≥1.0时,抗压强度持续下降且塑性较差。

铸造工艺参数对Zr基非晶合金充型能力的影响

液态金属的流动性是影响其充型能力的主要因素之一,采用U形铜模研究了不同工艺参数对Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)和Zr_(61)Ti_(20)Cu_(25)Al_(12)合金充型能力以及非晶形成能力的影响。结果表明:随吸铸功率和吸铸压力的升高,两种合金熔体的流动长度增加,充型能力逐渐增强。Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)在吸铸功率8 k W,吸铸压力0.02 MPa,Zr_(61)Ti_(20)Cu_(25)Al_(12)在吸铸功率7 k W、吸铸压力0.03 MPa时,充型能力强。采用X射线衍射(XRD)、差示扫描量热(DSC)分析结果表明不同铸造参数下的试样均为非晶态结构,且适当提高吸铸功率,有助于提升铸造合金非晶形成能力(GFA)。

基于激光闪射法测量Zr基非晶合金的导热系数

激光闪射法是目前较普遍采用的测量材料导热系数的方法,介绍了激光闪射法测量热扩散系数与导热系数的原理,通过NETZSCH LFA467 HT HyperFlash型激光法导热仪,采用不同标准样品参比在不同温度下对Zr基非晶合金热扩散系数和导热系数进行了研究。结果表明:在相同标准样品参比下,Zr基非晶合金的热扩散系数随着温度升高逐渐增大;同一温度下,在不同标准样品参比下Zr基非晶合金的热扩散系数相同;在相同的温度下,Cu标准样品参比下Zr基非晶合金导热系数值最小,9606标准样品参比下导热系数值最高,310标准样品参比下导热系数值介于两者之间;在相同标准样品参比下,Zr基非晶合金的导热系数值随着温度的升高逐渐增大;选用Cu标准样品作为参比样品测量Zr基非晶合金导热系数更精确。

Zr基非晶夹层对Al/TA1异种金属电子束焊接头组织和性能的影响

影响钛/铝异种金属电子束焊(Electron beam welding, EBW)接头强度的主要因素是界面处连续分布的脆性Ti-Al金属间化合物(Intermetallic compounds, IMCs)的种类、分布和厚度。本工作针对TA1钛合金和工业高纯Al的EBW,采用厚度为40~45μm的Zr_(52)Cu_(32)Ni_(6)Al_(10)非晶条带作为预置夹层,分析夹层材料的添加对接头组织和性能的影响。结果表明:异种金属直接焊接时,焊缝组织全部由Ti-Al IMCs组成,厚度为1~1.5 mm,焊接接头的抗拉强度仅为40.5 MPa,呈脆性断裂特征。添加非晶夹层后,在靠近TA1一侧形成一层厚度为3~5μm的连续IMCs层,而靠近Al侧未产生连续反应层,只在熔化区内存在弥散分布的细小IMCs,焊接接头抗拉强度为90.9 MPa,达到Al母材强度的94%左右,拉伸断裂位置位于焊缝附近近Al侧,断口处有明显颈缩现象,呈韧性断裂特征。

Zr基非晶合金破片冲击破碎反应机制研究

为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的升高而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO_(2)。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好地解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。

钨丝增强Zr基非晶复合材料动态力学行为及断裂特性

采用渗流铸造法制备出d 6 mm钨丝增强ZrTiCuNiBe非晶合金复合材料,并利用Hopkinson压杆冲击加载装置、X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)等手段研究其动态压缩行为及断裂特性。结果表明:随着钨丝直径减小和体积分数的增加,材料的动态压缩强度增大;当钨丝直径为0.25 mm,体积分数为60%时,材料的动态压缩强度高达2 600 MPa,断裂模式为剪切断裂和劈裂混合破坏模式,同时有钨丝与基体发生脱粘现象。非晶基体在动态压缩条件下表现出显著的热软化和熔化特征。

体积分数对W_f/Zr基非晶复合材料准静态压缩特性的影响

系统研究了体积分数对钨丝增强Zr基非晶复合材料力学性能的影响。结果显示,在钨丝体积分数﹤50%时,复合材料以剪切方式断裂为主,压缩强度和塑性应变随着体积分数的增加而增加;在体积分数≥50%时,复合材料以弯曲和劈开方式断裂为主,压缩强度随着体积分数的增加而继续增加,而塑性应变则开始降低。分析表明,钨丝体积分数的变化通过影响剪切带的形成而引起材料的力学性能发生变化。

W纤维增强Zr基非晶复合材料的界面研究现状

评述了W纤维增强Zr非晶合金复合材料的界面润湿行为、界面反应和残余应力等研究现状,分析了影响复合材料界面的因素,讨论了控制和优化界面特性的途径和方法。

Zr基非晶合金材料的冲击释能特性

为研究Zr基非晶合金材料在高速冲击载荷作用下的能量释放特性,采用准密闭反应容器试验方法,观察不同冲击速度下Zr基非晶合金破片的冲击反应过程及现象,测量冲击反应的压力时程曲线。结果表明:Zr基非晶合金破片发生爆燃性化学反应,产生的明亮火光和喷射现象持续一定时间;冲击速度对Zr基非晶合金破片的冲击释能特性有显著影响,当冲击速度为1 350 m/s时,冲击波超压和准静态压力达到最大,Zr基非晶合金破片冲击反应较完全。在此基础上,推导准静态压力与能量的函数关系,以及冲击温度表达式,表征Zr基非晶合金材料动态能量释放特性。

高速冲击载荷下SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料断裂行为研究

利用自制高速冲击加载试验装置(应变率ε>104s-1)研究SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料的室温断裂行为.利用配有能谱(EDX)的扫描电子显微镜(SEM)对冲击前后的SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料作微观形貌分析,对比研究了其高速冲击载荷下(ε>104s-1)与ε为102～103 s-1时断裂行为的差异.结果表明:高速冲击载荷下,三维连通网状SiC骨架/Zr基非晶复合材料中非晶相典型断口形貌为类蜂窝状花样,伴有微孔洞和微裂纹产生,各种花样尺寸均比ε为102～103 s-1时小,白亮边低矮,断口形貌随非晶相尺寸变化发生改变,SiC相以解理断裂为主,部分区域出现SiC碎化.

Y对Zr基非晶合金在3.5%NaCl溶液中腐蚀行为的影响

采用真空单辊甩带法制备出成分为(Zr_(56)Al_(16)CO_(28))100-xYx(x=0,2,4)的合金试样,利用X射线衍射(XRD)、电化学极化曲线和扫描电镜(SEM)研究了该合金在3.5%NaCl溶液中腐蚀行为的影响。结果表明,在3.5%NaCl溶液中,该合金耐腐蚀性优于不锈钢1Cr_(18)Ni_9Ti和(Cu_(47)Zr_(11)Ti_(34)Ni_(8))_(99)Cr_1,且适量的添加Y显著提高了该合金的耐腐蚀性。

高速冲击载荷下钨骨架／Zr基非晶合金复合材料的变形特征

利用自制高速冲击加载试验装置研究了钨骨架/Zr基非晶合金复合材料的室温变形特征。该复合材料在高速冲击载荷作用下的变形特征主要包括钨骨架碎化、Zr基非晶合金软化且沿钨骨架变形的方向发生流动。在剪切断裂面上不同变形带之间有明显的交界线,这些交界线形成剪切带和裂纹。

高速冲击载荷下块体Zr基非晶合金断裂行为研究

利用自制高速冲击加载实验装置(ε>104 s-1)研究了块体Zr基非晶合金的室温断裂行为;利用扫描电子显微镜对冲击后块体Zr基非晶合金进行微观形貌分析,对比研究了其在高速冲击载荷下ε约为102～103 s-1时断裂行为的差异.研究结果表明:高速冲击载荷下,块体Zr基非晶合金断面表现为类蜂窝状花样、胞腔状花样、脉状花样、熔覆和液滴等形貌;与ε约为102～103 s-1时相比,块体Zr基非晶合金在高速冲击载荷下的断口形貌更为粗糙,脉纹花样方向杂乱,主剪切带黏度降低程度更大,熔覆和液滴形貌尺寸更大,类蜂窝状花样底部具有微孔洞、非晶碎粒和裂纹.

三维连通网状SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料动态变形特征

利用分离式霍普金森压杆装置,对三维连通网状SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料进行不同应变率下的动态压缩实验,采用扫描电子显微镜研究复合材料的动态变形特征和断口形貌.结果表明:复合材料的动态压缩强度随着打击速度的增加而增加;试样发生劈裂和剪切断裂,陶瓷相断口形貌为层片状、台阶式的解理断裂,非晶合金发生粘性流动,断口形貌复杂多样.在应变率>104s-1的冲击载荷下,非晶相表现为软化后的多重脊状条带.复合材料断口上大量的非晶球形液滴及非晶软化条带的发现表明,绝热温升在非晶变形与断裂过程中起重要作用.

三维连通网状SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料室温单轴压缩断裂行为

在室温下,利用WDW-E100D万能试验机和SEM研究了三维连通网状结构SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料的准静态单轴压缩变形和断裂行为.结果表明,复合材料的轴向压缩断裂强度达到了1 270 MPa,在压缩条件下复合材料的断裂发生在弹性变形阶段,断裂前观察不到塑性变形;试样发生纵向劈裂和剪切断裂;三维连通网状结构SiC陶瓷是主要的承载单元,断口形貌为层片状、台阶式的解理断裂;非晶合金发生粘性流动,在变形过程中形成纹脉状断口形貌,出现典型的热软化效应.

制备工艺对多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料准静态压缩性能的影响

利用WDW-E100D型万能试验机和S-4800场发射扫描电镜,研究了不同工艺制备的多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料的准静态压缩性能和断口形貌特征.结果表明:制备工艺决定多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料的准静态压缩强度,当工艺参数非晶合金浇注温度为860℃,浇注后保温6 min时最佳.多孔SiC陶瓷/Zr基非晶合金复合材料的准静态压缩断裂为脆性断裂.断口形貌特征主要包括多孔SiC陶瓷产生解理台阶,Zr基非晶合金产生尖脊状、细脉状等不同形态的脉状花样.

添加微量Y、La对Zr基非晶合金耐蚀性的影响

通过计算机编程建立Zr2Cu晶体相中以Cu原子为中心的原子团簇模拟Zr基非晶中二十面体原子团簇模型,应用实空间的递推方法计算了Zr2Cu晶体相中的费米能级及团簇中Cu与近邻合金元素Y、La、Zr的键级积分.结论分析表明:Y、La易于占据Zr-Cu晶体相中Zr原子,使非晶形成能力上升,同时可提高耐腐蚀性,因此,通过加入少量的Y、La元素可制备出具有较高耐腐蚀性能的Zr基大块非晶材料.

不同温度下2种钨结构增强Zr基非晶合金的动态压缩性能

利用SHPB装置对钨丝增强Zr基非晶复合材料和钨骨架增强Zr基非晶复合材料进行了3种环境温度下多种应变率的动态压缩性能测试。比较了2种材料的动态力学性能,发现二者均具有应变率敏感性和较强的塑性变形能力。但二者承载机制存在较大差异。钨丝增强结构变形主要表现在钨丝的失稳,由数值模拟初步分析了这种局部结构失稳控制的变形以及热失稳现象;钨骨架增强结构变形前期钨骨架起主要承载作用,而不是各成分的共同作用,这导致材料的屈服强度比纯非晶和纯钨的低。

Nb对Zr基非晶在1mol/LHCl溶液中腐蚀行为的影响

采用真空单辊甩带法制备出成分为(Zr_56Al_16Co_28)_(100-X)Nb_X(X=0,2,4)的合金试样,利用X射线衍射、电化学极化曲线和场发射扫描电镜研究了Nb对Zr-Al-Co非晶合金在1 mol/L HCl溶液中腐蚀行为的影响。结果表明,在1 mol/L HCl溶液中,非晶态合金Zr-Al-Co-Nb的耐腐蚀性能优于晶态1Cr18Ni9Ti,且适量添加Nb能提高Zr-Al-Co非晶合金在盐酸溶液中的耐腐蚀性。