用改進(jìn)巴西試驗(yàn)評(píng)價(jià)粒狀發(fā)射藥的抗拉強(qiáng)度

陳言坤，羅興柏，甄建偉，李金明

（軍械工程學(xué)院彈藥工程系，河北石家莊050003）

引 言

巴西試驗(yàn)（Brazilian test）也稱間接拉伸試驗(yàn)，起初用于測試巖石、水泥等脆性材料，被國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)列為測試巖石抗拉強(qiáng)度的推薦方法之一［1－4］。近年來，該方法在測量炸藥等含能材料的力學(xué)性能方面也得到了廣泛應(yīng)用［5－6］。Wang Q Z等［5］采用帶有平臺(tái)的圓盤試樣研究了巖石的抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性，試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算表明，圓盤試樣的平臺(tái)能夠改善加載區(qū)域的應(yīng)力集中，確保裂紋從試樣中心起裂。龐海燕等［6］研究了不同加載方式巴西試驗(yàn)結(jié)果與直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。CHEN P W 等［7］采用巴西圓盤試驗(yàn)研究了生產(chǎn)工藝對(duì)PBX炸藥力學(xué)性能的影響。研究表明［8－11］，在發(fā)射藥的發(fā)射過程中，由于膛內(nèi)高速、高壓火藥氣體作用，發(fā)射藥會(huì)受到相互擠壓以及撞擊彈底或膛壁等強(qiáng)烈沖擊載荷作用，當(dāng)發(fā)射藥的力學(xué)性能不能滿足膛內(nèi)強(qiáng)烈沖擊載荷作用而發(fā)生大量破碎時(shí)，就會(huì)引起發(fā)射藥燃面的急增，從而導(dǎo)致彈道起始段膛壓驟增，產(chǎn)生膛炸。由于發(fā)射藥的尺寸特點(diǎn)，使得采用軸向拉伸的方法直接測量其抗拉強(qiáng)度變得十分困難。

本研究通過在平面壓頭和試樣之間放置高彈性橡膠墊對(duì)傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，采用傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)和改進(jìn)巴西試驗(yàn)間接測量了粒狀發(fā)射藥的抗拉強(qiáng)度，分析了兩種加載方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，為準(zhǔn)確測量發(fā)射藥的抗拉強(qiáng)度提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1．1 材料與儀器

粒 狀11／7 單 基 發(fā) 射 藥，直 徑5．6mm，長15．1mm。

壓力測試儀（見圖1），自制，該設(shè)備使用螺旋加載，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥的徑向靜態(tài)壓縮；受壓平臺(tái)下方為NH－5K 型推拉力計(jì)（常州市藍(lán)光電子有限公司），用于記錄發(fā)射藥破碎時(shí)的最大壓力。

圖1 壓力測試儀Fig．1 Compression strength tester

1．2 試驗(yàn)方法

采用傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)和改進(jìn)巴西試驗(yàn)兩種方法測量發(fā)射藥的抗拉強(qiáng)度。傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)原理如圖2所示，通過平面壓頭在圓柱體側(cè)面沿徑向施加兩集中載荷，在圓柱體內(nèi)垂直于加載面的方向上產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)發(fā)射藥樣品中心的拉應(yīng)力達(dá)到材料的拉伸破壞強(qiáng)度時(shí)，發(fā)射藥樣品發(fā)生破壞。

圖2 傳統(tǒng)巴西實(shí)驗(yàn)原理圖Fig．2 Principle diagram of traditional Brazilian test

利用彈性力學(xué)平面問題的解析解和Griffith強(qiáng)度準(zhǔn)則可得到抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式：

式中：p 為試樣劈裂時(shí)的作用力；D 為圓柱形發(fā)射藥樣品的直徑；δ 為圓柱形發(fā)射藥樣品的長度。該表達(dá)式適用的前提條件為平面應(yīng)力狀態(tài)和中心起裂。

改進(jìn)巴西試驗(yàn)原理如圖3所示，在平面壓頭與發(fā)射藥之間放置一塊高彈性橡膠墊，加載后橡膠墊發(fā)生變形，與發(fā)射藥樣品之間形成了一定的弧度，以式（1）計(jì)算抗拉強(qiáng)度。

圖3 改進(jìn)巴西試驗(yàn)原理圖Fig．3 Principle diagrams of improved Brazilian test

2 結(jié)果與討論

2．1 兩種方法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

采用傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)和改進(jìn)巴西試驗(yàn)測試粒狀11／7單基發(fā)射藥的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。

表1 傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)和改進(jìn)巴西試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果Table 1 Results of tensile strength obtained by traditional Brazilian test and improved Brazilian test

由表1可知，兩種測試方法的結(jié)果存在一定的差別，改進(jìn)巴西試驗(yàn)測得的抗拉強(qiáng)度比傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)高11．50%。圖4為傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)中發(fā)射藥的破碎情況，圖5為改進(jìn)巴西試驗(yàn)中發(fā)射藥初始裂紋的出現(xiàn)及其擴(kuò)展情況。

圖4 傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)后破碎發(fā)射藥照片F(xiàn)ig．4 Photographs of the break gun propellant after traditional Brazilian test

由圖4 可知，加載點(diǎn)附近的兩條裂紋是初始裂紋，這兩條初始裂紋向發(fā)射藥內(nèi)部擴(kuò)展并相遇，在發(fā)射藥的上部形成一個(gè)三角形區(qū)域，該三角形區(qū)域在外加載荷的作用下向圓心移動(dòng)并擠壓其余區(qū)域，此作用相當(dāng)于一個(gè)受拉型裂紋，三角形區(qū)域的頂點(diǎn)為裂尖，當(dāng)外加載荷達(dá)到一定值后，裂紋失穩(wěn)并向中心擴(kuò)展形成貫穿裂紋，該貫穿型裂紋通過發(fā)射藥軸線并與加載方向重合。在傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)中，發(fā)射藥為圓柱形，試驗(yàn)初期發(fā)射藥與平面壓頭之間基本上為線接觸，隨著外加載荷的增加，線接觸逐漸變?yōu)槊娼佑|，接觸區(qū)域的非均勻變形導(dǎo)致高度的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致在此區(qū)域首先出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而向內(nèi)部擴(kuò)展并貫穿整個(gè)發(fā)射藥。初始裂紋發(fā)生在發(fā)射藥與壓頭接觸的應(yīng)力集中區(qū)域，而不在端面的中心，這也可以解釋所測得的抗拉強(qiáng)度偏小的原因。

圖5 改進(jìn)巴西試驗(yàn)后破碎發(fā)射藥的照片F(xiàn)ig．5 Photographs of the break gun propellant after improved Brazilian test

從圖5中可以看出，改進(jìn)巴西試驗(yàn)中，初始裂紋發(fā)生在發(fā)射藥端面的中心，并沿加載方向向外擴(kuò)展，符合巴西試驗(yàn)的兩個(gè)前提條件。

2．2 力學(xué)原理分析

依據(jù)彈性力學(xué)平面問題的相關(guān)理論，當(dāng)圓盤受到一對(duì)集中徑向作用力時(shí)，圓盤內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)力可表示為：

式中各個(gè)變量的含義見圖6。

圖6 巴西圓盤試驗(yàn)中的變量Fig．6 The variables of Brazilian disc test

由以上三式可知，在y 軸上則有：

設(shè)發(fā)射藥的破壞遵循Griffith強(qiáng)度準(zhǔn)則，即：

當(dāng)3σ1＋σ3≥0，σG＝σ1；

式中：σ1和σ3分別表示最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力（以拉應(yīng)力為正值）；σG表示等效應(yīng)力。當(dāng)σG＝σt時(shí)，發(fā)射藥開始損壞，其中σt表示發(fā)射藥的抗拉強(qiáng)度。

在y 軸上，僅有原點(diǎn)滿足3σ1＋σ3＝0，則σ1＝σG＝σt，除 原 點(diǎn) 以 外 的 其 他 地 方，，則

由此可以看出，隨著y 絕對(duì)值的增大，σG不斷增大，并在y 絕對(duì)值等于R處，即加載點(diǎn)，σG趨近無窮大。由此可知，當(dāng)發(fā)射藥側(cè)面受到集中線載荷時(shí)，發(fā)射藥側(cè)面的加載區(qū)附近會(huì)首先出現(xiàn)裂紋，而不是從中心起裂。

3 結(jié) 論

（1）用傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)測量粒狀11／7單基發(fā)射藥的抗拉強(qiáng)度為15．48MPa，由于在加載區(qū)附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，初始裂紋發(fā)生在加載區(qū)附近，不在發(fā)射藥的中心，導(dǎo)致測量結(jié)果偏低。

（2）用改進(jìn)巴西試驗(yàn)測量粒狀11／7單基發(fā)射藥的抗拉強(qiáng)度為17．26MPa。改進(jìn)巴西試驗(yàn)有效解決了平面壓頭與發(fā)射藥接觸區(qū)域的應(yīng)力集中問題，保證了中心起裂，滿足巴西試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式的前提條件。測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于直接評(píng)價(jià)發(fā)射藥的抗拉強(qiáng)度也更有說服力。

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