0 引　言

随着舰船技术的快速发展，舰船对生命力和抗打击能力的要求日益增强。目前，众多学者通常采用结构优化设计的思路来提高舰船防护能力，如舷侧多舱防护^{[1 − 3]}、夹芯结构^{[4 − 6]}等，而提高材料自身的极限强度和能量吸收来增强防护结构的抗冲击性能同样具有一定现实意义。NPR新材料钢（以下简称NPR钢）为一种新型金属材料，具有高强、高韧、吸能等优点，在静态拉伸作用下表现出恒阻均匀拉伸变形，无明显的屈服平台等特性，已在岩土工程、航空航天、汽车防护和建筑等领域中具备较好应用。目前，关于NPR钢的静力学性能研究已较为充分，但动力学性能的研究相对较少。因此，本文主要开展NPR钢的动力学性能研究，并与舰船结构材料921A钢相关性能进行对比，分析2种材料的动力学性能差异，为拓宽NPR钢在舰船领域的应用提供借鉴。

陶志刚等^{[7 − 8]}开展了NPR锚杆钢和常规锚杆钢在静力拉伸和剪切作用下的力学响应，研究发现，NPR钢无明显的屈服平台，具有较高的屈服极限和优异的变形能力，且抗剪切强度远高于常规锚链钢。徐磊等^[9]利用万能试验机和霍普金森压杆装置研究了在火灾爆炸作用下921A钢的力学性能，结果表明921A钢是应变率敏感材料，并给出了921A钢在高温环境下力学性能退化公式和综合考虑温度软化和应变率强化的921A钢本构方程。王子豪等^[10]测定了93钨合金和921A钢在极高应变率下的动态屈服强度，并给出了2种材料在较大应变率范围屈服强度随应变率的变化规律。代华湘等^[11]利用分离式霍普金森拉杆和压杆研究了Ti-5553合金在高应变率下，动态响应和微结构的变化，给出了其显微组织和断口形貌，并结合定量金相分析方法进行相关计算。王彦莉等^[12]研究了7A52铝合金在静态和动态拉伸作用下的力学性能，并利用数字图像方法观测了时间动态破坏图像。

本文对NPR钢开展了准静态拉伸、动态拉伸和动态冲击试验，分析不同应变率下材料的变形机理、失效模式和应力-应变关系，为NPR钢在动力学领域的应用提供基本参数。

1 准静态拉伸试验 1.1 NPR钢化学成分

试验所用的NPR钢和921A钢为厚度10 mm的轧制板材，其化学成分含量如表1和表2所示。对比2种材料的化学成分可知，NPR钢的C和Mn含量高于921A钢，C增加会提高金属材料的抗拉强度，Mn对钢材具有很大强化作用，提高材料的强度、硬度和耐磨性，在高含量范围内，作为主要的奥氏体化元素，可提高钢材奥氏体稳定性。NPR钢中C和Mn含量较921A增加，在一定程度上提高了材料的韧性和极限强度等。但C含量增加容易导致材料的塑性和焊接性能变差，高Mn含量会引起钢材易开裂和抗氧化性能下降。

1.2 准静态拉伸试验

采用CMT4204电子万能试验机对NPR钢和921A钢开展了准静态拉伸试验，试验装置如图1所示，按照《金属材料室温拉伸试验方法（GB/T228.1-2010）》标准进行，利用电火花切割技术获得准静态拉伸材料试样，几何形状和尺寸如图2所示。准静态拉伸试验拉伸速度为3 mm/min，标距长度为75 mm，名义应变率为6.67×10⁻⁴ s⁻¹，试验温度为25℃，每组进行3次重复性试验，保证结果的有效性。为了便于描述试验工况，字母“J”和“D”分别代表静态和动态，“N”和“9”分别代表NPR和921A钢，“A”、“B”、“E”和“F”分别代表10000 s⁻¹、20000 s⁻¹、2000 s⁻¹和3000 s⁻¹应变率。

1.3 试验结果分析

图3为NPR钢和921A钢在准静态拉伸作用下的失效模式图，由图可看出NPR钢断口处横截面未出现明显变小，拉伸过程中表现出均匀的变形模式，921A钢断口处截面明显变小，表现出显著的颈缩效应。

图4所示为2种材料在准静态拉伸载荷作用下的应力-应变曲线，由图4（a）可知，NPR钢拉伸变形过程中主要表现出3个阶段：弹性阶段、恒阻拉伸阶段和失效破断阶段。与常规金属材料相比，NPR钢未表现明显的屈服平台；921A钢拉伸过程中出现与传统金属材料一致的变形模式。表3为准静态拉伸试验结果，由表可知，NPR钢的屈服强度低于921A钢，但极限强度和断后伸长率与921A钢相比分别提升了8.9 %和191.6 %。分析原因可知，材料优良的强韧结合力学性能与其微观结构有一定相关性，NPR钢具有纯奥氏体组织，微观结构中位错密度较高，层错能较低，变形过程中可产生大量共格孪晶结构，如图5所示。在拉伸过程中，晶内共格结构表现出连续变形，通过阻碍错位运动提高材料强度，并抵抗材料的不均匀变形，从而提高了材料的延伸率，表现出较好的强韧结合力学性能。

2 动态冲击试验 2.1 霍普金森杆装置及其原理

动态冲击试验采用分离式霍普金森杆试验系统进行不同应变率下的拉伸和压缩试验，该系统可提供1×10³~2×10⁴ s⁻¹的应变率范围加载，试验装置如图6所示。霍普金森杆系统由子弹、入射杆、透射杆和吸收杆组成，杆直径均为5 mm，入射杆、透射杆长度分别为400 mm，材料为钢材，弹性模量为2.12 GPa，弹性波速为5 116 m/s，每组试验至少进行2次相近应变率测试，试验温度为25℃。试验时，试件放在入射杆和透射杆间，如图6（c）所示，开启气泵对子弹加载，在高压气体的作用下以一定的初速度撞击入射杆，在入射杆中形成入射信号，当入射杆中的入射信号到达试件表面时，一部分反射回入射杆，形成反射信号，另一部分经试件到达透射杆形成透射信号。调节气泵气压可改变加载的应变率；时间间隔仪测定子弹撞击速度；应变片记录应力波传播过程中的入射、反射和透射电压信号，经超动态应变仪放大后输入示波器，示波器记录动态冲击试验典型波形如图7所示。入射、反射和透射信号一致性吻合较好，证明了试验结果的有效性；利用测量的入射、反射和透射信号并结合二波法式（1）~式 （3），即可得到材料在不同应变率下的应力-应变曲线。

$ \varepsilon(t)=\frac{2C_0}{l_0}\int_{0}^{t}\varepsilon_r(t)\mathrm{d}t，$

(1)

$ \sigma (t) = \frac{{AE}}{{{A_0}}}{\varepsilon _t}(t)，$

(2)

$ \dot \varepsilon (t) = \frac{{2{C_0}}}{{{l_0}}}{\varepsilon _r}(t) 。$

(3)

式中：t为时间；C₀为杆中的弹性波速；ε_r(t)、ε_t(t)分别为反射波、透射波的应变信号；A为杆的横截面积；E为杆的弹性模量；A₀为试件的横截面积；l₀为试件的长度。

2.2 试验结果分析

利用霍普金森杆试验得到了NPR钢和921A钢在不同应变率下的破坏模式和应力-应变曲线。图8所示为NPR钢在高应变率压缩下的宏观形貌，由图可知，试样在冲击载荷作用后横截面积变大、厚度缩短，在压缩端面出现与其余部分颜色不同的圆环，冲击后试样保持完整，未出现宏观裂纹，未发生剪切破坏，表明NPR钢在高应变率载荷作用下仍具有较好韧性。

图9和图10为NPR钢和921A钢在冲击载荷下的应力-应变曲线，根据材料力学定义，对于屈服现象不明显的金属材料，规定以0.2 %塑性应变标定出不同应变下的动屈服强度。由表4和表5可知，当应变率由2000 s⁻¹增加到3000 s⁻¹时，NPR钢的屈服强度和极限强度分别提高了15 MPa和108 MPa，921A钢的屈服强度和极限强度分别提高31 MPa和96 MPa，均未表现出明显增大，应变率强化效应相对较弱；当应变率由10000 s⁻¹增加到20000 s⁻¹时，NPR钢的屈服强度和极限强度分别提高了80 MPa和189 MPa，921A钢屈服强度和极限强度分别提高41 MPa和54 MPa，NPR钢的应变率强化效应进一步增强。

2.3 不同应变率下材料性能对比分析

NPR钢和921A钢在不同应变率下的应力-应变曲线如图11所示。可知，在低应变率的情况下，NPR钢的屈服强度低于921A钢，但极限强度和断裂应变表现则优于921A钢。随着应变率的增加，2种材料的极限强度和屈服强度均相应增大，表现出应变率强化效应，而NPR钢的应变率效应更显著。综上分析可知，NPR钢在准静态载荷作用下，具有较大极限强度和断裂应变，在动态冲击载荷作用下，表现出明显的应变率强化效应和较高的极限强度，具有较好的静、动态综合力学性能。

3 结　语

本文对NPR钢开展了准静态拉伸和霍普金森杆冲击试验，研究了材料在不同应变率作用下，变形机理、失效模式和应力-应变关系，主要结论如下：

1）NPR钢受载过程中，其奥氏体组织产生共格孪晶结构，宏观特性表现出较好的延伸率和极限强度，无明显颈缩现象，具有良好的强韧性结合力学性能。

2）在动态冲击载荷作用下，NPR钢动态屈服应力和极限强度随应变率的增大而增加，表现出应变率强化效应。随着载荷应变率的提高，应变率强化效应更显著。

3）NPR钢在冲击载荷作用下，具有较大拉伸变形和较高极限强度，表现出良好的缓冲、吸能特性，在舰船抗爆、抗冲击领域具有较好应用前景。