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本文以提高穿甲弹侵彻性能为目的,通过设计钨合金弹芯成分,控制烧结工艺,模拟弹、靶相互作用,靶试弹芯穿甲性能,分析残余弹体及弹坑显微组织,测试弹芯材料静、动态力学性能等手段,成功研制出一种新型细晶钨合金穿甲弹芯,并对其“自锐”行为及穿甲深度的提高进行了系统的分析和讨论,主要研究结果和结论如下:(1)用雾化干燥法制备纳米粉末并结合两步烧结技术研制出了细晶钨合金弹芯材料。通过对多种化学成分的筛选和工艺优化,最终获得的细晶钨合金弹芯材料化学成分为95W-3.75Ni-1.25Fe-0.1X;两步烧结工艺第一次为 125℃,2h,第二次为 1485℃,40min;钨晶粒尺寸为10～20μm;密度为17.92g/cm3;静态拉伸强度为775MPa,延伸率为5%。研制的细晶钨合金弹芯材料,已在某军工厂型号产品研制中得到应用。(2)靶场实弹射击表明,同等条件下细晶钨合金弹侵彻威力优于传统制式弹。用30mm次口径尾翼稳定杆式穿甲弹,以约1200～1250m/s的速度垂直侵彻100mm厚30CrMnMo靶,三种细晶钨合金弹芯平均穿深分别为76.48mm,74.79mm,75.47mm,较传统钨合金弹芯分别提高12.0%,9.5%和10.5%;三种细晶弹芯在靶板正面形成的弹孔呈圆形,孔径大多为13～14mm;而传统钨合金呈椭圆形,孔径长轴约20mm。细晶钨合金弹芯的“自锐”行为是其穿深提高的主要原因。(3)用分离式Hopkinson压杆对细晶钨合金和传统钨合金进行动态力学性能分析。应变率为2000s-1时,细晶95W抗压强度为21 00MPa,较传统95W的1600 MPa提高31%;失效应变为0.12,较传统95W的0.20低40%。应变率为3900 s-1时,细晶95W抗拉强度为2520MPa,较传统95W的2000MPa提高约25%;失效应变为0.39,较传统95W的0.43低10%。对力学性能数据进行无量纲数值分析,并拟合了细晶95W和传统95W的J-C本构模型部分参数。(4)残余弹芯和弹坑的宏、微观分析表明细晶95W发生了“自锐”行为。剖面显示,细晶95W弹坑通道直,弹坑底部和回收的残余弹芯头部呈尖锐形状。传统95W弹坑底部呈球形,回收的残余弹芯头部呈蘑菇头状。SEM观测表明细晶95W残余弹芯头部两侧沿侵彻方向45°出现较多微裂纹,且细小的弹芯碎块沿该方向从头部剥离。传统95W残余弹芯蘑菇头最前端和侵彻45°方向钨晶粒被压扁成纤维状,变形程度远高于细晶95W。细晶95W弹芯产生“自锐”的原因:一是其在动态载荷下,具有较低的失效应变;二是细晶95W较传统95W易形成绝热剪切带;三是细晶95W裂纹失稳扩展阻力小。(5)通过研究传统钨合金弹坑表面熔化快凝层(MRSL)的特征及形成原因,坑底裂纹的特征及形成原因,提出了“熔穿”是弹靶作用的主要机制之一。SEM观测和EDS分析表明除了凹凸不平,厚薄不均,成分各异外,MRSL内存在较大和超细两种钨晶粒,较大的钨晶粒呈压扁的纤维状或破碎状,几到几十个μm;而超细的钨晶粒呈球状弥散分布在粘结相内,粒径约100～400nm。微观分析结果表明MSRL形成过程中瞬时温度达到钨合金粘结相液相温度以上,约1500℃。坑底裂纹呈冠状分布,沿侵彻方向交替出现。“熔穿”即弹孔表面的熔化快凝层形成及坑底裂纹的交替出现,使得弹坑深度延伸。(6)用LS_DYNA模拟了细晶钨合金弹芯和传统钨合金弹芯的侵彻过程。模拟表明侵彻过程中弹、靶接触处拉压应力不断演变,在坑底1-2mm处出现拉应力区,与坑底裂纹位置吻合。模拟表明细晶95W因具有较低的失效应变,侵彻过程中残余弹芯头部尖锐,传统95W残余弹芯呈蘑菇头。模拟表明弹、靶接触区域瞬间温度能达到1680℃,高于钨合金粘结相液相温度。MCA模拟钨合金弹芯头部的变形、失效和破坏过程是速度涡流变形协调和损伤局部化扩展的结果。