在装甲车辆减重的大趋势下，使用高性能的薄钢板成为装甲车辆的优先选择。因此研究薄钢板的抗弹过程，提高其抗弹性能具有重要意义。已有的大量试验结果表明，强度是影响抗弹性能的主要因素［１－２］，装甲钢板越来越往高强度发展，然而高强度钢通常具有合金元素含量高，成本高，加工、焊接性能较差等缺点。同时随着钢板强度的提高，钢板抗弹过程中容易出现绝热剪切现象，导致出现吸收能量较低的冲塞破坏，从而抗弹性能随抗拉强度的提高，呈现非单调变化趋势的规律［３－５］。塑性是钢板力学性能的重要参数，钢板的塑性变形可以有效消耗弹丸的能量，提高塑性同样可以提高钢的抗弹性能。数值模拟作为试验手段的重要补充，具有可重复性好，周期短、成本低、易于定量等优点，Ｔ．Ｂ?ｒｖｉｋ等人［６－１０］对不同强度钢板和多种弹靶体系下的抗弹过程进行了数值模拟研究，均与试验结果吻合较好。薄装甲抗５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹冲击的过程是钢板消耗弹丸能量的过程，本文同时利用试验和数值模拟方法研究了一种成分不同状态的两种强度和塑性差异较大钢板的抗弹过程，讨论了强度和塑性对抗弹性能的影响。本文试验用弹是民用防弹钢板的主要防护对象，研究结果对薄钢板的生产和使用具有一定的指导意义。
１试验材料与方法试验用料由实验室１５０ｋｇ真空感应炉冶炼，化学成分如表１所示。经锻造开坯成３５０ｍｍ×２００ｍｍ×３０ｍｍ坯料，经实验室轧机轧制至３ｍｍ。钢板轧制过程为加热到１０００℃，保温３０ｍｉｎ后出炉抢温轧制，空冷。试验用钢板分２种状态：热轧态和高温回火态，高温回火工艺为６５０℃保温６ｈ，出炉空冷。试验钢板横向取样按ＧＢ／Ｔ２２８—２００２进行室温拉伸试验。
１．１枪击试验枪击试验用钢板规格为２００ｍｍ×３００ｍｍ×２．５ｍｍ，由３ｍｍ钢板机械减薄得到，厚度公差为０～０．１ｍｍ。枪击试验时，钢板四周固定，背面无支撑物。采用弹道枪以标准弹速击发５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹，试验过程中弹速在５００～５１０ｍ／ｓ范围内，射距为５ｍ，测速点距枪口２ｍ。枪击后依据ＧＪＢ５９．１８—８８标准评定钢板损伤等级，产生可以渗透煤油的裂纹即判定为不合格。对钢板未击穿时的残余弹丸进行收集，并测量残余弹丸的长度。
１．２数值模拟在试验的基础上，利用ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ软件模拟５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹冲击３００ｍｍ×３００ｍｍ×２．５ｍｍ厚度钢板的过程，数值模拟过程建立的弹丸和靶板模型尺寸均与试验过程一致，５１式７．６２ｍｍ手枪弹主要考虑钢芯对靶板的破坏作用，具体弹丸尺寸依文献得到［１１－１２］，弹丸和钢板的材料模型全部使用Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｃｏｏｋ模型，为了尽量降低网格的影响，网格大小采用文献中使用的较细的０．１ｍｍ×０．１ｍｍ划分［９－１０］。自动单面接触是最容易定义的接触类型而且不花费过多的ＣＰＵ时间，本文数值模拟即选择了此种接触模式。
２试验结果
２．１钢板的力学性能钢板力学性能如表２所示。热轧态钢板抗拉强度明显高于高温回火态钢板，而断后伸长率又
２．２枪击结果对轧态和高温回火态钢板进行了多次５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹冲击试验，其中有利于得到两种钢板抗弹性能相当结果的部分试验数据如表３所示。实际厚度为２．５～２．６ｍｍ的轧态和高温回火态钢板在枪击后均有合格损伤和临界不合格损伤情况出现。两种钢板典型的临界不合格损伤如图２所示。从表３和图２的破坏形式可见两种状态钢板抗５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹的性能基本相当。钢板均在发生一定塑性变形后产生垂直横向的裂纹，轧态钢板中的裂纹位于弹坑中央，而高温回火态钢板中的裂纹位于弹坑的圆周上。弹丸没有侵入钢板，弹着点钢板的减薄和周边的整体变形是本枪击试验的重要特征。两种钢板的弹着点区域均有明显的减薄，轧态钢板在弹坑范围内减薄较为均匀；高温回火态钢板减薄不均匀，位于弹坑圆周上的区域减薄较大，最薄处为１．７ｍｍ。钢板受枪击影响的区域范围也有明显差异，轧态钢板的影响区域范围为５０～５５ｍｍ，而高温回火态钢板为６５～７０ｍｍ。可以预见，在弹速进一步提高后，轧态钢板的变形较小，弹坑底部中央的裂纹快速扩展从而导致钢板失效。而高温回火态钢板塑性变形能力大，钢板在沿弹坑圆周逐渐减薄产生裂纹后，弹丸对无裂纹的区域产生拉伸效应，钢板可消耗的弹丸动能较大。从而，两种钢板的破坏形式不同，对应不同的穿甲机制。对枪击后弹着点的背凸高度进行测量，结果如表４所示。强度较高的轧态钢板的背凸高度明显小于强度较低的高温回火态钢板。而冲击强度较高钢板的弹丸头部墩粗明显，呈蘑菇状，而冲击强度较低钢板的弹丸墩粗相对较小。测量的残余弹丸长度的值如表５所示。
２．３数值模拟结果弹丸和钢板的材料参数均参考了文献中的数据，最终确定的材料参数如表６和表７所示，Ａ、Ｂ、ｃ、ｎ、ｍ均为与材料有关的常数，Ａ代表屈服应力，Ｂ、ｎ代表应变强化的常数，ｃ代表应变速率常数，ｍ是关于热软化的参数，Ｄ１～Ｄ５为与失效应变相关的常数。５１Ｂ式弹丸的钢芯材质为普通低碳钢热轧圆盘条［１１］，参照国标ＧＢ７００—９１得到其基本力学性能，结合ＪＣ模型的参数特征［１３－１４］最终确定其参数。由于本文主要讨论不同强塑性钢板的抗弹性能，对弹丸的失效应变进行了简化，忽略应力、应变速率、温度等的影响，Ｄ２～Ｄ５值均取为０。钢板材料参数参照Ｔ．Ｂ?ｒｖｉｋ［６－８］和ＧｏｒｄｏｎＲ．Ｊｏｈｎｓｏｎ等人文献［１５－１６］确定，结合力学性能和拉伸过程的真应力－应变曲线进行了修正。为了简化参数的影响，数值模拟过程采用的两种强度钢板的ＪＣ模型参数仅对强度和塑性影响较大的Ａ、Ｂ、ｎ和Ｄ１值进行变化，其他参数全部一致。两种强度钢板临界合格情况下的数值模拟结果分别如图３和图４所示，两种强度钢板在５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹以５００ｍ／ｓ速度冲击时，均没有发生穿透，且弹丸的剩余速度均为０。数值模拟得到轧态钢板和高温回火态钢板的背凸高度分别为６．４７和８．２２ｍｍ，与表４中试验值的误差分别为０．５％和９．６％，吻合较好。残余弹丸长度分别为１０．２０和１０．３５ｍｍ，考虑到表５中测量得到的试验值包含了约２ｍｍ弹头壳厚度的影响［１１］，修正数值模拟值为１２．２０和１２．３５ｍｍ，分别较试验值偏小６．７％和１３．０％，引起误差的主要原因是弹头材料参数中忽略Ｄ２～Ｄ５影响后失效应变偏小，导致单元失效数目增加。在本文主要关注钢板抗弹性能的情况下，此种误差范围是可以接受的。为了进一步确认２．５ｍｍ钢板抗５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹的性能，模拟了弹速５２０、５５０ｍ／ｓ冲击两种强度钢板的过程，结果钢板全部发生穿透，其弹丸剩余速度如表８所示，５２０ｍ／ｓ弹速时即发生穿透且剩余速度较小，说明两种强度钢板的极限穿甲速度为５００～５２０ｍ／ｓ，与试验过程弹速范围吻合较好。而进一步提高弹速至５５０ｍ／ｓ时，高强度钢板对应的弹丸剩余速度低于低强度钢板８１ｍ／ｓ，可能原因是弹靶作用机制发生变化，高强度钢板对弹丸的破坏作用增加，而低强度钢板发生塑性变形吸收弹丸能量的时间缩短，从而高强度钢板抗弹性能较好。这与高强度钢板在大多数弹靶体系下具有较好抗弹性能的普遍规律吻合。也间接说明本文得到的高强度低塑性和低强度高塑性钢板抗弹性能相当的结论仅适用于特定的弹靶体系。
３讨论
强度是影响抗弹性能的主要因素。而本文中轧态钢板的抗拉强度高于高温回火态钢板达８３％，但两种钢板抗５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹的性能基本相当。结合钢板的强度和塑性，从弹丸和钢板消耗弹丸能量大小不同的角度探讨了两种钢板的抗弹性能。钢板抗５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹冲击的过程是钢板消耗弹丸能量的过程，钢板吸收的能量越多，抗弹性能越高［１７－１８］。弹丸的能量主要转化为靶板的变形、弹丸的变形、弹丸和靶板的残余动能等。本试验中枪击后弹丸未穿过靶板，因此弹丸的剩余速度可以看成是０，而枪击试验过程中钢板四周固定，靶板的动能也可以假设为０，弹丸的动能全部由弹丸和靶板的变形消耗［１９］。高温回火态钢板枪击后的背凸高度大于轧态钢板２９％，说明其通过钢板本身变形吸收的弹丸能量要高。而其残余弹丸长度同时也要大于轧态钢板８％左右，说明其通过弹丸变形消耗的能量要小。弹丸变形和钢板本身变形消耗能量的不同作用，使两种强度钢板枪击过程中消耗的总能量趋于接近，从而两种强度钢板抗弹性能相当。弹丸和靶板冲击过程中内能的变化可以近似表征变形过程吸收的能量。数值模拟方法可以得到弹丸和钢板抗弹过程中内能的变化曲线，从消耗弹丸能量的角度定量地对两种钢板的抗弹性能进行分析。５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹冲击两种强度钢板过程中弹丸和钢板内能的变化如图５所示，空心的圆和三角形标记的曲线分别是高温回火态９２５ＭＰａ钢板抗弹过程中钢板和弹丸的内能变化，实心的圆和三角形分别代表轧态１６９０ＭＰａ钢板抗弹过程中钢板和弹丸的内能变化，实心和空心的五角星分别代表了轧态１６９０ＭＰａ钢板和高温回火态９２５ＭＰａ钢板抗弹过程中，弹丸和钢板内能的总和。由图５可知，弹丸冲击两种钢板条件下，钢板内能的变化都大于弹丸内能，钢板本身变形是消耗弹丸动能的最主要方式。高温回火态钢板的内能大于轧态钢板的内能，即通过本身变形消耗的弹丸能量要多。对应高温回火态钢板的弹丸内能小于轧态钢板时弹丸内能，即通过使弹丸变形消耗的能量要小。然而，两种钢板抗弹过程中，弹丸和钢板增加的内能之和却几乎相等，说明两种钢板抗弹性能相当，从而数值模拟过程得到的定量关系与试验过程的定性分析吻合较好。两种钢板抗弹过程消耗弹丸能量形式的不同反映了材料性能上的差异，轧态钢板高的强度使弹丸更容易变形，从而在抗弹过程中通过使弹丸变形消耗的能量要大，而高温回火态钢板的断后伸长率高达３５％，良好的塑性保证了钢板在抗弹过程能够通过塑性变形吸收更多的能量而钢板不发生穿透，从而提高抗弹性能。两种钢板强度和塑性差异很大，对抗弹性能具有不同形式的贡献，保证最终抗弹性能相当的结果，为防护５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹薄钢板的发展提供了高塑性钢板的新思路，有利于指导防护５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹薄钢板的生产和使用。
４结论
１）尽管两种钢板抗拉强度和断后伸长率差异非常大，但其抗５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹性能基本相当。较高强度钢板使弹丸变形消耗的能量要大于较低强度钢板，塑性较好钢板本身变形消耗的能量大于较低塑性钢板。２）试验和数值模拟过程的钢板破坏形貌、背凸高度、残余弹丸长度等宏观形貌吻合较好，说明数值模拟过程真实可信，可以正确地显示５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹冲击钢板的过程。３）两种钢板抗弹过程消耗弹丸能量形式的不同反映了材料性能上的差异，强度和塑性对抗弹性能贡献的不同形式，为防护５１Ｂ式７．６２ｍｍ手枪弹薄钢板的发展提供了高塑性钢板的新思路。
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