RDX 基PBX 炸藥的力學(xué)行為和損傷模式

屈可朋，肖 瑋，韓天一，蘇健軍，馮海云

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引 言

炸藥在生產(chǎn)、加工、運輸、貯存和使用過程中，會受到各種載荷的作用，尤其在使用過程中要承受加載速率較高的動態(tài)載荷作用。在這些載荷的作用下，炸藥會產(chǎn)生各種微孔洞、微裂紋等損傷，從而使炸藥的力學(xué)性能劣化，同時還會對炸藥的可靠應(yīng)用產(chǎn)生影響［1］。因此，需要研究炸藥在高應(yīng)變率動態(tài)加載下的力學(xué)性能及其損傷模式。

國內(nèi)外對PBX 類炸藥的力學(xué)性能、損傷模式及本構(gòu)關(guān)系等開展了一系列的研究。Tasker等人［2］對PBXW-128炸藥在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)性能進行了研究，給出了103～104s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的拉伸動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；Williamson等人［3］研究了EDC37炸藥在不同應(yīng)變率和不同溫度下的壓縮性能，羅景潤［4］從損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)、斷裂動力學(xué)、材料動態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系等方面研究了PBX炸藥的力學(xué)行為；盧芳云等人［5-6］對某種PBX 炸藥進行了不同應(yīng)變率下的壓縮實驗，分析了材料的細觀結(jié)構(gòu)和高應(yīng)變率加載下的響應(yīng)機制，建立了相應(yīng)的本構(gòu)方程。

本研究以RDX 基PBX 為對象，對其進行了準靜態(tài)和沖擊壓縮實驗，得到不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，用掃描電子顯微鏡（SEM）分析了RDX基PBX 炸藥的微觀損傷模式，以期為其可靠應(yīng)用提供參考。

1 實 驗

1.1 樣品的制備

RDX 基PBX 炸藥由西安近代化學(xué)研究所提供，其主要成分為RDX、鋁粉和高分子黏結(jié)劑。試樣為模具壓制成型，壓藥密度約為1.80g／cm3。

1.2 準靜態(tài)壓縮實驗

采用MST5504 微機控制電子萬能試驗機進行準靜態(tài)壓縮實驗，加載速度為10mm／min，試樣尺寸為Ф20mm×20mm。

1.3 動態(tài)沖擊實驗

利用西安近代化學(xué)研究所自制的分離式霍普金森壓桿（SHPB）進行動態(tài)沖擊壓縮實驗，通過改變子彈的撞擊速度和試樣尺寸，獲得不同的應(yīng)變率。試樣為Ф12mm×6mm 和Ф12mm×8mm 的圓柱狀，并保持端面平整。

SHPB由子彈、輸入桿和輸出桿等組成，如圖1所示。實驗時，當(dāng)壓縮氣體驅(qū)動子彈以一定速度撞擊輸入桿時，產(chǎn)生入射脈沖載荷，試樣在其加載作用下高速變形，與此同時，分別向輸入桿和輸出桿傳播反射脈沖和透射脈沖，通過貼在壓桿上的應(yīng)變片采集脈沖信號，根據(jù)一維應(yīng)力波假定和均勻性假設(shè)，即可得出試樣在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 分離式霍普金森壓桿裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of split Hopkinson pressure bar

實驗桿均為直徑16mm 的LY12鋁桿，子彈長400mm，輸入桿和輸出桿長均為1200mm。應(yīng)變測試采用北戴河實用電子技術(shù)研究所SDY2107A 型超動態(tài)應(yīng)變儀，瞬態(tài)波形存儲采用Tektronix公司DPO4104型示波器。

每個應(yīng)變率進行3次重復(fù)實驗，取重復(fù)率較好的曲線作為最終實驗結(jié)果。此外，采用入射波整形技術(shù)［7］，在入射桿與子彈的碰撞端用真空脂粘貼銅質(zhì)整形器，以過濾加載波中的高頻分量，并使加載波變寬，上升沿變緩，從而在加載波的上升過程中試件達到應(yīng)力平衡，實現(xiàn)常應(yīng)變率加載。

圖2是RDX 基PBX 炸藥的SHPB實驗典型原始波形，其中通道1記錄入射波和反射波，通道2記錄透射波。

圖2 SHPB實驗原始波形Fig.2 Original wave-forms of the SHPB test

2 結(jié)果與討論

2.1 RDX 基PBX 炸藥的力學(xué)性能

RDX 基PBX炸藥在不同應(yīng)變率（10-3～103s-1）下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 RDX 基PBX 炸藥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of RDX-based PBX explosive

由圖3可以看出，RDX 基PBX 炸藥的應(yīng)力應(yīng)變對應(yīng)變率都比較敏感，具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。失效應(yīng)力和失效應(yīng)變均隨著應(yīng)變率的增加而增加，其中，失效應(yīng)力由準靜態(tài)時的5.8MPa 增加到55.5MPa，失效應(yīng)變則由0.035增加到0.105。

壓裝成型的RDX 基PBX 炸藥是一種損傷材料，在不同外載荷作用下，將使得初始損傷加劇，材料最終表現(xiàn)出不同的力學(xué)響應(yīng)［1］。由圖3 可以看出，RDX 基PBX 炸藥準靜態(tài)壓縮的力學(xué)性能遠低于動態(tài)沖擊力學(xué)性能，表明RDX 基PBX 炸藥的損傷亦具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。

2.2 RDX 基PBX 炸藥的宏觀損傷模式

圖4為準靜態(tài)和沖擊壓縮（2 100s-1）后回收的RDX 基PBX 試樣?？梢钥闯觯瑴熟o態(tài)壓縮后試樣破壞是沿軸線方向開裂，出現(xiàn)貫穿性的宏觀裂紋，表現(xiàn)出脆性斷裂的特征；而沖擊壓縮后，試樣保持了原有的塊狀結(jié)構(gòu)，這是由于RDX 基PBX 炸藥中黏結(jié)劑的黏結(jié)作用所致。

圖4 RDX 基PBX 試樣壓縮后的回收宏觀形貌Fig.4 The macro-photo of RDX-based PBX samples after quasi-static and impact compression

2.3 RDX 基PBX 炸藥的微觀損傷模式

為了確定RDX 基PBX 炸藥在不同應(yīng)變率下的損傷模式，采用JSM5800 掃描電子顯微鏡（SEM）對其進行了微觀形貌的觀察，結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出，原始試樣由于顆粒含量很高，在壓裝成型過程中，顆粒間相互擠壓，使得有些顆粒已經(jīng)出現(xiàn)了初始微裂紋；由于成型過程中，黏結(jié)劑發(fā)生很大的黏性流動以及降溫過程中黏結(jié)劑基體和RDX 顆粒熱膨脹系數(shù)的差異，引起界面脫粘（圖5（a））。準靜態(tài)壓縮時，可以觀察到突出的炸藥顆粒和顆粒拔出后留下的凹坑，裂紋和破碎主要發(fā)生在顆粒周圍邊緣地帶，以沿晶斷裂為主，穿晶斷裂則較少發(fā)生（圖5（b））；而高速沖擊壓縮時，不但顆粒晶體與黏結(jié)劑發(fā)生了脫離，而且出現(xiàn)明顯的穿晶斷裂，使得顆粒細化（圖5（c）、（d））。這是由于在高速沖擊作用下，試樣內(nèi)部的應(yīng)力增加，引起試樣內(nèi)部初始微裂紋的擴展、匯集及貫通而形成宏觀裂紋，同時宏觀裂紋的端部又因應(yīng)力集中而出現(xiàn)新的微裂紋，甚至微裂紋區(qū)，如此反復(fù)，使得材料發(fā)生碎裂，而此時由于黏結(jié)劑的黏結(jié)作用使得試樣保持了原有的塊狀結(jié)構(gòu)。

綜合以上分析，認為該RDX 基PBX 炸藥在準靜態(tài)壓縮時，以界面脫粘為主要的損傷模式；而沖擊壓縮時，界面脫粘和晶粒破碎兩種損傷模式并存，應(yīng)變率越高，晶粒破碎的作用越明顯。

圖5 不同條件下的PBX 炸藥的SEM 照片（×1000）Fig.5 SEM photos under different conditions for RDX-based PBX explosive（×1000）

3 結(jié) 論

（1）RDX 基PBX炸藥的力學(xué)性能具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，失效應(yīng)力和失效應(yīng)變均隨著應(yīng)變率的增加而增加。失效應(yīng)力由準靜態(tài)時的5.8MPa增加到55.5MPa，失效應(yīng)變則由準靜態(tài)時的0.035增加到0.105。

（2）RDX 基PBX 炸藥在準靜態(tài)壓縮時，沿軸線方向開裂，以界面脫粘為主要的損傷模式；沖擊壓縮時，保持了原有的塊狀結(jié)構(gòu)，界面脫粘和晶粒破碎兩種損傷模式并存，應(yīng)變率越高，晶粒破碎的作用越明顯。

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