RDX 基PBX炸藥在被動圍壓下的力學性能

屈可朋，沈 飛，肖 瑋，蘇健軍

（西安近代化學研究所，陜西西安710065）

引 言

炸藥在不同應力狀態下的動態力學響應和損傷發展直接影響其起爆性能和爆轟性能，進而影響武器裝備的安全性和可靠性［1］。因此，炸藥材料動態力學響應的研究越來越受到重視。

目前，國內外主要采用一維應力下的SHPB 實驗技術研究炸藥的動態力學響應［2－4］。然而，在實際應用中，炸藥往往處于復雜的應力狀態，如作為戰斗部裝藥，其發射及擊中目標的過程就是一個圍壓下的動載過程。不同的應力狀態對材料力學性能具有重要的影響，傳統一維應力實驗的結果并不能真實反映炸藥在復雜應力狀態下的響應機制。一些學者針對炸藥在高應變率復雜應力狀態下的動態響應開展了研究。J．Pinto［5］等研究了TNT 和B炸藥在三軸壓縮下的動態和靜態力學性能，討論了不同加載條件下材料的失效判據；陳榮［6］、藍林鋼［7］等采用被動圍壓SHPB 加載技術研究了含能材料的動態力學性能，并對軸壓－圍壓間的關系進行了分析。然而，關于被動圍壓下材料力學性能參數研究較少。

本研究以RDX 基PBX炸藥為對象，研究了其在被動圍壓下的沖擊響應，探討了軸壓－圍壓之間的關系，結合理論分析獲取了材料在不同應變率下的動態力學性能參量，以期為其可靠應用提供參考。

1 實 驗

1．1 材料與儀器

RDX基PBX炸藥由西安近代化學研究所提供，配方（質量分數）為：65%RDX、30%鋁粉和5%黏結劑，試樣采用模具壓制成型，密度約為1．80g／cm3。

被動圍壓實驗采用西安近代化學研究所研制的分離式霍普金森壓桿（SHPB）；應變測試采用北戴河實用電子技術研究所SDY2107A 型超動態應變儀；瞬態波形存儲采用Tektronix公司DPO4104型示波器。

1．2 實驗原理

被動圍壓動態沖擊實驗在分離式霍普金森壓桿上進行，實驗裝置如圖1所示。將試樣裝入套筒內，樣品外徑、套筒內徑和導桿直徑均相等。利用應變片記錄壓桿上的入射、反射和透射波形及套筒外壁環向應變波形。

圖1 被動圍壓SHPB實驗裝置示意圖Fig．1 Schematic diagram of SHPB under passive confined pressure

根據一維應力波理論和均勻性假設，可得到試樣的軸向應力—應變曲線，由套筒外壁環向應變片記錄的脈沖波形，結合厚壁圓筒彈性理論［8］，可算出圓筒內壁處的壓力p，即試樣所受圍壓：

式中：a、b分別為厚壁圓筒的內、外半徑；E1為厚壁圓筒材料的楊氏模量；εθ為套筒外壁環向應變。

1．3 實驗方法

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1 200mm。被動圍壓套筒采用LY12 硬鋁，其內、外徑分別為16mm和36mm，高度為20mm。試樣為Ф16mm×6mm的圓柱狀，并保持端面平整，用應變儀及示波器記錄實驗波形。

試樣裝配時，在試樣外圓表面涂覆潤滑油油膜，可避免套筒內圓和試樣外圓的粗糙度和不圓度對徑向圍壓的影響，同時能夠減小試樣與套筒內壁間的摩擦力。

在入射桿子彈碰撞端用真空脂粘貼Ф10mm×2mm 的銅質波形整形器，以實現試樣的常應變率加載［9］。通過改變子彈的撞擊速度，以獲得不同的應變率，每個應變率進行3次重復實驗，取重復率較好的曲線作為最終實驗結果。

2 結果與討論

2．1 實驗結果

實驗采集的典型原始波形如圖2所示。由圖2可知，套筒外壁環向應變的脈沖波形起跳點比軸向應力波形起跳點（以入射波起跳點到反射波起跳點間隔時間的二分之一計算）遲12～13μs，此時間與應力波在RDX 基PBX炸藥中傳播的平衡時間相當（徑向應力波在套筒徑向傳播的時間與此相比可忽略不計），這說明油膜能夠有效傳遞徑向應力。

圖2 被動圍壓SHPB實驗典型原始波形Fig．2 Typical original wave－forms of the SHPB test under passive confined pressure

用SHPB測試被動圍壓下RDX 基PBX炸藥在不同應變率下的軸向應力－應變曲線，結果見圖3（a）。由圖3（a）可見，隨著應變率的增加，動態彈性模量變化較小，而曲線峰值點處的應力和應變均明顯增大（應力－應變曲線中的峰值點并不代表試樣的破壞，而是由于加載結束造成的）。為進行對比，給出了文獻［10］中無圍壓狀態下的應力—應變曲線，見圖3（b）。由圖3（b）可知，圍壓狀態下承受的壓力遠高于無圍壓狀態。

2．2 動態力學性能參量的計算

為獲取被動圍壓下RDX 基PBX炸藥的動態力學性能參量，對圍壓—軸壓以及圍壓與套筒材料之間的關系進行理論分析。

當試樣與套筒之間的摩擦力可忽略不計時，由厚壁圓筒彈性理論［8］，對僅受內壓p1的厚壁圓筒，其在半徑a處的徑向位移u 為：

圖3 RDX 基PBX炸藥應力－應變曲線Fig．3 Stress－strain curves of RDX－based PBX explosive

式中：a、b為厚壁圓筒內、外半徑；E1、υ1為厚壁圓筒材料的楊氏模量和泊松比。對于僅受外壓p2的圓柱體試樣，其在外徑a處的徑向位移u＊為：

式中：a為試樣半徑；E2、υ2為試樣材料的楊氏模量和泊松比；σx為試樣受到的軸向應力。

而試樣外徑處與套筒內徑處應滿足牛頓第三定律（p1＝p2＝p）和徑向位移連續性條件（u＝u＊），則有：

式中：A＝（b2＋a2）／（b2－a2）＋υ1。

由廣義胡克定律可知：

將式（5）代入式（4），則有：

根據實測的圍壓—軸壓曲線以及應力—應變曲線，便可得到M 值和N 值，再由式（5）和（6）便可求得試樣材料的泊松比υ2和彈性模量E2。

由于RDX 基PBX炸藥屈服后為黏塑性，隨著軸向應力的增加，試樣從彈性狀態向黏塑性狀態轉化，如用隨應變率移動的屈服面來表征，在給定應變率條件下，采用Von－Mises屈服準則［11］：

可知，在試樣外徑處有：

式（8）表明，與試樣從彈性狀態向黏塑性狀態轉化相對應，試樣外徑處的徑向應力與軸向應力曲線σr｜r＝a－σx將有一轉折，動態屈服強度Y 即為該轉折處軸向應力與徑向應力的差值。

圖4為被動圍壓下RDX 基PBX炸藥典型的軸向應力及圍壓應力歷史曲線。由圖4可見，試樣所受的軸向應力及圍壓應力呈現出相似的變化規律。圖5為典型的圍壓—軸壓數據及其擬合結果，可以看出，該曲線存在明顯的轉折點，依據式（8）可得到RDX 基PBX炸藥在應變率為830、1 200、1 850s－1時的動態屈服強度分別為110、133、160MPa。

圖4 軸向應力及圍壓應力的歷史曲線Fig．4 History curves of axis stress and confined pressure stress under passive confined pressure state

圖5 RDX 基PBX炸藥典型圍壓－軸壓平面數據及擬合直線Fig．5 Typical data and fitted straight line of confined pressure－axis pressure RDX－based PBX explosive

根據實驗數據，首先由軸向應力—應變曲線初始段模量σx／εx求得N 值，再由實驗所測軸壓－圍壓曲線的彈性段斜率求得M 值，并將套筒材料參數a＝16mm，b＝36mm，E1＝71GPa，υ1＝0．33 代入式（5）和（6），便可求解出該RDX 基PBX炸藥的動態泊松比υ2和動態楊氏模量E2。計算結果如表1所示。

表1 RDX 基PBX炸藥的動態力學參量計算結果Table 1 Calculated results of dynamic mechanical parameters for RDX－based PBX explosive

由表1可知，被動圍壓下RDX 基PBX炸藥的動態屈服強度隨應變率（ε·）的增加而增加，動態泊松比和動態楊氏模量則基本保持不變。

2．3 圍壓對RDX 基PBX炸藥力學性能的影響

RDX 基PBX炸藥在單軸沖擊壓縮時，呈現脆性斷裂，主要表現為界面脫粘和晶粒破碎［11］。對于圍壓狀態，由于側向圍壓約束抑制了材料損傷演化所致的脆斷，使得材料表現出了一定的塑性變形特征，回收試樣仍具有一定的殘余強度。對于圍壓條件下試樣外周的摩擦力效應及其對材料動態力學性能的影響，有待進一步研究。

3 結 論

（1）在被動圍壓下，RDX 基PBX炸藥應力—應變曲線峰值點處的應力和應變均隨應變率的增加而增加，圍壓狀態下承受的壓力遠高于無圍壓狀態。

（2）通過對軸壓－圍壓關系的理論分析，獲得了該RDX 基PBX炸藥在被動圍壓下的動態泊松比、動態楊氏模量和動態屈服強度。結果表明，RDX 基PBX炸藥的動態屈服強度隨應變率增加而增加，動態泊松比和動態楊氏模量則基本保持不變。

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