Page 84 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 郑贺龄，等： (Ti 2 Zr) 1.5 NbVAl 0.5 高熵合金的动态响应与冲击释能机理 第 7 期

Direct ballistic experiments were conducted at impact velocities of 734, 950, and 1 375 m/s to analyze fragmentation behavior,
temperature evolution, and energy release within a quasi-confined chamber. A coupled finite element method-smoothed
particle hydrodynamics (FEM-SPH) numerical model was developed to simulate the penetration process, successfully
replicating experimental temperature rises and fragmentation patterns. The results showed that the alloy possesses an excellent
strength-plasticity synergy and remarkable strain-rate sensitivity, with yield strength increasing by 123% to 1 977.3 MPa at
−1
6 000 s . Ballistic tests demonstrated that increased impact velocity intensified fragmentation and energy release, achieving a
peak chamber temperature of 2 124.15 K and extending the release duration to 12 ms at 1 375 m/s. Microstructural analysis
revealed that the energy release mechanism is governed by dislocation dynamics within adiabatic shear bands (ASBs). At lower
impact velocities (e.g., 734 m/s), dynamic recrystallization in ASBs alleviates strain hardening. In contrast, at high velocities
(e.g., 1 375 m/s), suppressed cross-slip leads to dislocation saturation, local lattice instability, and ultimately severe
fragmentation coupled with exothermic oxidation. The study concludes that (Ti Zr) NbVAl high-entropy alloy exhibits
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outstanding dynamic properties and controllable impact-induced energy release, primarily driven by velocity-dependent
microstructural evolution in ASBs, demonstrating significant potential as a new-generation energetic structural material for
extreme dynamic loading applications.
Keywords: high-entropy alloy; mechanical property; impact energy release; adiabatic shearing

随着现代军事防护、航空航天及高速加工等领域对材料极端动态载荷耐受性需求的不断提高，传统
合金体系因成分设计局限性和动态性能瓶颈已难以满足日益严苛的服役要求。特别是在冲击侵彻、动
能毁伤等应用场景中，材料不仅需要承受剧烈的瞬时变形，更需在结构失效过程中高效地将动能转化为
热能或其他形式的能量释放。因此，开发兼具高强塑性、优异应变率硬化特性及可控能量释放能力的新
型冲击响应材料，成为提升防护与毁伤效能的研究热点之一。
高熵合金的概念于 2004 年被提出，作为一种突破传统合金设计理念的新材料，以其独特的多主元
协同效应、严重的晶格畸变和迟滞扩散效应 [1-3] ，展现出优异的强韧性组合 [4-7] 、显著的应变硬化能力 [8-10]
及强剪切自锐特性 [11-12] 。另外，高熵合金作为一种新型能量结构材料（energetic structural material，ESM），
在冲击载荷下各组分之间相互作用引发化学反应释放出大量的化学能 [13-14] ，能显著增强武器的毁伤能
力。Ren 等 [15] 研究了具有高理论燃烧热和较低混合密度的 TiZrNbV 高熵合金在不同应变率下的力学响
应及能量释放特性。残余产物的分析表明，高温剖面引发了剧烈的氧化反应，导致冲击载荷下化学能释
放。研究指出，绝热剪切带的形成与能量释放密切相关，且能量释放率随撞击速度的提高而提高。然
而，Zhang 等 [16] 研究发现，绝热剪切带的出现会导致材料在高速撞击后无法均匀破碎，从而降低能量释
放效率。随后，侯先苇等 [17] 针对 2 种典型高熵合金的冲击释能特性研究发现，在一定速度范围内，超压
峰值与撞击速度呈正相关。姬文苏等 [18] 研究了 Nb Zr Ti W 难熔高熵合金的冲击诱发能量释放特性，指
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出在高速冲击载荷下会产生类爆轰释能效应，这主要由锆（Zr）元素的氧化反应释放大量化学能所致；同
时，产生的碎片分布遵循幂次律规律，碎片尺寸与释能密切相关。随着研究的深入，部分学者开始采用
热成像技术和光学诊断手段量化反应性材料的能量释放特性 [19-21] 。Chen 等 [22] 对高熵合金 TiZrHfX
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（X=Cu, Al, Ni）进行了真空环境中的弹道冲击测试，除采用穿孔直径、侵彻深度和超压峰值评估能量释放
效率外，还引入了闪光辐射温度、火焰传播速度和腔壁温升等参数评估能量释放能力。结果表明，随着
冲击速度的提高，单位质量弹丸释放的能量呈现小幅增长趋势。
此外，部分学者还借助数值模拟软件，对反应性合金在冲击过程中的关键现象进行模拟研究，主要
包括材料的损伤与破碎、冲击温升效应及化学反应过程。例如，Kang 等 [23] 使用 LS-DYNA 软件模拟了
镁合金的变形和失效过程；Tian 等 [24] 使用 ABAQUS 验证了材料损伤和失效模型，并模拟了不同失效模
型对弹丸撞击目标过程的影响。Ren 等 [25] 和 Guo 等 [26] 将材料的力学行为与冲击过程中的温升效应相结
合，模拟了反应性复合材料中冲击能量释放涉及的力-热-化学转化过程。虽然针对高熵合金能量释放的
研究成果不断丰富，但宏观释能行为与微观变形机制之间的定量关联仍未建立。尤为突出的是，绝热剪

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