全文速递 - 先进材料多尺度力学

      近日，西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队在国防知名期刊《Defence Technology》发表了题为《Hypervelocity impact response and protection for the track steels of rocket sled system via light-gas gun experiments》的研究论文。本文采用轻气炮实验与有限元模拟相结合的方法，研究了火箭橇轨道钢的高超声速冲击损伤机理，揭示了不同钢材的损伤模式差异与防护涂层的作用机制，并建立了冲击损伤尺寸的定量预测关系。

内容概述

       高超声速火箭橇系统作为能够模拟极端飞行环境的关键测试平台，在评估超高速飞行器性能、推动先进军事技术发展方面扮演着至关重要的角色。然而，当火箭橇以超过5马赫的速度运行时，橇体与轨道间不可避免的碰撞会导致轨道表面产生被称为“凿削”的严重损伤，这种损伤显著影响系统的可靠性与性能，甚至可能引发灾难性故障。此外，凿削现象不仅涉及极端应力与瞬时高温下的复杂热力耦合效应，其损伤模式还与轨道所采用的新型高强度钢材（U71Mn钢和贝氏体钢）的内在属性密切相关，但目前对这些新材料的损伤机理研究尚不充分。因此，深入探究不同轨道钢在高超声速冲击下的损伤机理及有效防护策略，对于提升高超声速火箭橇测试平台的安全性和服役寿命具有至关重要的科学意义与工程价值。

       该研究采用二级轻气炮开展了高超声速小角度冲击实验，分析了U71Mn钢和贝氏体钢的凿削损伤行为。宏观图像表明，U71Mn钢的损伤为脆性断裂，而贝氏体钢则通过延性变形吸收能量，表现出更优的抗冲击性能（图1）。然而，当引入富锌环氧底漆涂层后，在特定速度范围内，U71Mn钢的破坏模式由严重的材料剥落转变为以塑性刮擦为主的损伤，显著提升了其表观韧性（图2）。微观表征及有限元仿真结果说明，涂层通过有效缓解基体的应力集中和抑制冲击过程中的温升，阻止了绝热剪切带等微观损伤的形成，这成为涂层提升材料抗冲击性能的根本原因（图3和图4）。同时，基于量纲分析，将弹丸质量、速度与材料抗压强度等关键参数引入损伤准则中，建立了能够预测凿坑几何尺寸的普适性定量关系（图5）。该损伤准则还揭示了涂层的保护作用存在一个速度阈值（约2.4 km/s），超过该阈值后涂层失效，损伤程度回归到无涂层状态的预测，为评估涂层防护效果与失效边界提供了理论依据。该研究为火箭橇轨道系统稳定性设计及推进新一代高超声速测试技术提供了宝贵指导。

图1. 高超声速冲击损伤形貌：(a) T-1 (U71Mn, 1.51km/s), (b) T-3 (U71Mn, 2.09km/s), (c) T-4 (bainitic steel, 1.52km/s), (d) T-6 (bainitic steel, 2.03km/s)。

图2. 涂层防护效果：(a) T-3 (无涂层U71Mn, 1.82km/s), (b) T-5 (无涂层bainitic steel, 1.82km/s), (c) T-8 (涂层U71Mn, 1.84km/s), (d) T-12 (涂层bainitic steel, 1.84km/s), (e) T-10 (涂层U71Mn, 2.57km/s) and (f) T-14 (涂层bainitic steel, 2.61km/s)。

图3. 涂层防护下凿削的微观表征。光学显微镜: (a) U71Mn, 2.11 km/s, (b) U71Mn, 2.57 km/s, (c) bainitic steel, 2.61 km/s; SEM图像: (d) U71Mn, 2.11 km/s, (e) U71Mn, 2.57 km/s, (f) bainitic steel, 2.61 km/s; EBSD图像: (g) U71Mn, 2.11 km/s, (h) U71Mn, 2.57 km/s, (i) bainitic steel, 2.61 km/s。

图4. Von mises应力分布对比。 (a) 无涂层U71Mn, (b) 无涂层bainitic steel, (c) 涂层U71Mn, (d) 涂层bainitic steel。

图5. 凿削尺寸的预测。

       论文第一作者为课题组博士研究生赵思伟，通讯作者为西安交通大学航天航空学院刘益伦教授和陈炎助理教授。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、陕西省科学技术协会青年人才计划和陕西省科学研究计划等项目的资助。