论文标题：The Anti-Penetration Performance and Mechanism of Metal Materials: A Review

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.03.023

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中国工程院院刊《Engineering》发表了一篇题为“The Anti-Penetration Performance and Mechanism of Metal Materials: A Review”（金属材料抗侵彻性能及机理研究综述）的论文，系统地总结了金属材料在抗侵彻冲击领域的最新研究成果。该研究由陈嘉琳、李述涛、刘引等研究人员共同完成，涵盖了从宏观破坏模式到微观失效特征的全面分析，为金属材料的抗侵彻性能优化提供了重要的理论支持。

论文指出，随着工业化进程的加速，抗侵彻冲击问题不仅在军事领域受到关注，也在核工业、汽车业和航空航天等民用领域日益重要。金属材料因其高强度、高延展性和优异的能量吸收性能，成为抗侵彻领域的首选材料。研究者们通过分析金属靶板在弹体侵彻下的变形过程及力学机理，深入探讨了金属材料的抗侵彻性能及其优化策略。

在宏观层面，论文归纳了金属材料的九种常见侵彻失效模式，包括初始应力波断裂、径向断裂、层裂、冲塞、鼓包、韧性扩孔、靶后及靶前花瓣型瓣裂和脆性破碎等。这些失效模式与金属靶板的强韧性、厚度及侵彻状态密切相关。例如，脆且厚的金属靶板易出现初始应力波断裂和破碎现象，而韧且厚的金属靶板则易形成韧性扩孔和鼓包。此外，论文还详细分析了侵彻过程中的开坑、压缩剪切、侵彻及冲塞等阶段，揭示了各阶段的变形模式和吸能机理。

图1 钝头弹延性扩孔侵彻过程机理示意图。（a）开坑阶段；（b）压缩剪切阶段；（c）侵彻及冲塞阶段；（d）侵彻结束。

在微观层面，文章深入探讨了不同晶体结构金属中绝热剪切带（ASB）的形成原因及其对材料性能的影响。研究表明，ASB的形成与材料的微观结构密切相关，其内部的等轴晶粒尺寸通常在10~500纳米之间。文章还讨论了ASB中的相变现象，如在β Ti–5Al–5Mo–5V–1Cr–1Fe合金中观察到的α马氏体和α相晶粒的共存，以及在β型钛合金中发生的从β-Ti到α正交相的相变。这些微观结构的变化直接影响材料的力学性能和抗侵彻能力。

文章还对冲击侵彻领域的本构模型理论计算和数值模拟进行了系统综述。通过比较分析不同本构模型和模拟方法的优势与局限性，文章为金属材料在高速侵彻中的应用提供了重要的理论依据。例如，Johnson-Cook（J-C）本构模型因其综合考虑了应变、应变率和温度的影响，被广泛应用于工程领域。而Steinberg模型则在超高应变率条件下表现出色，适用于高速冲击载荷的研究。

图2 文章脉络。

此外，文章提出了当前金属抗侵彻研究中存在的问题，并对未来的发展方向进行了展望。文章指出，尽管在宏观失效模式与微观机理之间的关系方面已经做了大量的研究工作，但仍缺乏这些关系的定量描述和显式表达。未来的研究需要进一步探索材料微观结构与宏观性能之间的具体定量关系，以设计出抗侵彻性能更优越的金属材料。

论文信息：

Jialin Chen, Shutao Li, Shang Ma, Yeqing Chen, Yin Liu, Quanwei Tian, Xiting Zhong, Jiaxing Song. The Anti-Penetration Performance and Mechanism of Metal Materials: A Review. Engineering, 2024, 40(9): 131–157

开放获取：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.03.023

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