Page 75 - 《爆炸与冲击》2026年第4期

第 46 卷 李千一，等： 新型TWIP钢/陶瓷复合结构的抗冲击性能 第 4 期

impact velocities and to evaluate the influence of different steel properties on composite performance. Experimental results
demonstrate that the composite exhibits 22.76% and 7.09% enhancements in spall strength and strain rate sensitivity,
respectively, compared to monolithic TWIP steel. Microstructural analysis reveals that both materials undergo ductile fracture
characterized by microvoid coalescence; however, the composite shows significantly weaker spall damage, confirming its
superior impact resistance. The numerical model achieves excellent agreement with experimental data, validating its predictive
accuracy. Stress distribution analysis during the impact process identifies a critical crack-initiation velocity of approximately
225 m/s. Furthermore, the influence of steel properties on the anti-impact performance of the composite structure was analyzed,
demonstrating that the novel TWIP steel exhibits superior performance.
Keywords: impact loading; light gas gun; novel TWIP steel; failure mechanism; spall strength

在装甲防护工程中，提高装甲结构的抗冲击性能是一项十分重要的研究。对于装甲而言，判断其性
能的关键指标是其弹道性能，即抗冲击、抗侵彻与抗爆能力。研究材料应对超高应变率这样的极端条件
的力学性能，对于探索材料在冲击、爆炸载荷等条件下的破坏模式和变形机理，从而提高材料的防护能
力至关重要 [1-2] 。陶瓷与金属结合构成复合装甲的设计，目的在于发挥金属与陶瓷各自的优点，即高硬
度、高弹性模量的陶瓷作为面板提供抗侵彻能力，高韧性、高延展性的钢作为背板提供抗崩落能力，以
达到更好的抗冲击效果 。
[3]
新型孪生诱导塑性（twinning-induced plasticity, TWIP）钢具有较高的抗拉强度（1 000 MPa）、塑性
（80%）和优异的冲击吸能能力，对冲击碎片具有很好的拦截能力，可广泛应用于航空航天、车辆制造、军
事防护等重要领域 [4-8] 。文献 [4, 9] 中对该类新型 TWIP 钢开展了动态力学性能及其变形机理的研究，研
究了其在霍普金森杆加载下的高应变率下的力学性能及其变形机理。研究结果显示其在不同应变率下
−1
的变形行为不同，当应变率大于 3 000 s 时，位错滑移所需的临界剪切应力大于孪生所需的临界剪应力，
会产生大量形变孪晶，TWIP 效应成为主要的变形机制。然而，对于此类新型 TWIP 钢及其复合材料在应
3
−1
变率大于 10 s 等更高冲击速度下的力学行为与变形机制尚有待研究。
在受到高速冲击加载时，材料内部两个卸载稀疏波相互作用，一旦材料中局部应力达到材料的动态
强度极限就会发生断裂 [10] 。层裂是材料动态破坏的一种特殊形式，研究材料的层裂现象与层裂强度是
研究材料在超高拉伸应变率下力学行为的重要依据，对研究新型 TWIP 钢在更高冲击速度下的力学行为
与变形机制有着重要作用。目前对于层裂行为的研究大多通过轻气炮试验或数值模拟开展：如陈荣等 [11]
对 TiZrNbV 难熔高熵合金在不同轻气炮冲击速度下的层裂行为和有限元模拟本构参数进行了研究，得
到了其不同加载下的层裂规律；初建鹏等 [12] 进行了轻气炮平板撞击试验，得到了 G50 和 30CrMnSiNi2A
钢试件的自由面速度-时间曲线，分析了材料的层裂强度、层裂片厚度及各自的应变率，并用 LS-DYNA
结合 Johnson-Cook 本构模型和最大拉应力断裂准则，较好地模拟了平板撞击层裂现象；林超等 [5] 对传统
Fe-Mn-Si-Al 系 TWIP 钢在轻气炮冲击载荷作用下的组织形貌和屈服强度进行了探究。
综上，目前的研究多针对单一材料的抗冲击性能开展，新型 TWIP 钢与陶瓷复合结构在轻气炮平板
撞击作用下的层裂性能研究尚未见开展。本文选用 TWIP 钢 [4, 9] 与性能较好的碳化硅陶瓷进行复合，开
展复合结构抗冲击性能研究：通过制作新型 TWIP 钢与陶瓷的复合构件（飞片与样品），开展一级轻气炮
平板冲击实验，对其在高速加载下的层裂行为进行探究，并利用扫描电镜（scanning electron microscopy,
SEM）和电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）对回收试样进行表征，基于微观组织结构
研究其变形断裂机制；采用 ANSYS/LS-DYNA 有限元模拟对不同速度下的应力分布、层裂行为以及裂纹
发展进行分析，为进一步研究新型 TWIP 钢复合结构的抗冲击、抗侵彻和防爆性能提供依据。

1 材料与实验

1.1 材料
复合材料中选用新型 TWIP 钢作为背板，其基本力学性能如表 1 所示，相比于传统 TWIP 钢，新型

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