傳爆藥靜態(tài)壓縮力學(xué)性能及損傷特性研究*

肖向東，肖有才，洪志雄，熊言義，趙慧平，王澤宇，王志軍

（1. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

含能材料的力學(xué)性能及損傷機(jī)理研究是武器戰(zhàn)斗部安全評估的一個重要環(huán)節(jié)。JH-14C 作為引信傳爆序列中的一種傳統(tǒng)裝藥，在運輸、貯存等過程中會因意外刺激而產(chǎn)生損傷。這些損傷將成為潛在的熱點，影響引信傳感序列安全性，因此，其力學(xué)性能及損傷機(jī)理研究對引信傳爆序列安全評估具有重要意義。

目前，對鈍感裝藥靜態(tài)、動態(tài)力學(xué)性能已開展了大量研究工作。鄧瓊等利用Hopkinson 壓桿實驗裝置，對含能材料力學(xué)行為相關(guān)問題進(jìn)行了研究，給出了沖擊片雷管的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性。Rae 等利用改進(jìn)的光學(xué)顯微鏡，對PBX9501 進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗，并對回收試樣進(jìn)行了細(xì)觀形貌觀測，發(fā)現(xiàn)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，PBX9501 主要有黏結(jié)劑與含能顆粒脫黏，同時伴隨含能顆粒原始微裂紋開裂。Heider 等利用準(zhǔn)靜態(tài)和SHPB 壓縮實驗，研究了PBX KS32 的力學(xué)行為，給出了一種確定材料黏彈性松弛函數(shù)的方法，并運用該方法構(gòu)造了描述PBX KS32 動態(tài)力學(xué)性能的本構(gòu)關(guān)系。Dinens 等給出了包括裂紋開裂、剪切、擴(kuò)張和聚合的統(tǒng)計裂紋力學(xué)模型，基于此，Bennett 等建立了黏彈性統(tǒng)計微裂紋損傷模型。

JH-14C 是戰(zhàn)斗部常用傳爆藥，對JH-14C 的物理化學(xué)性質(zhì)和爆炸特性已有了詳細(xì)研究，但對其力學(xué)性能尤其在不同加載條件下的力學(xué)性能的報道不多。張子敏等采用分離式Hopkinson 壓桿，對JH-14C 傳爆藥在不同沖擊載荷下的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并利用掃描電鏡（SEM）對回收試樣的細(xì)觀形貌進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)JH-14C 呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，在外界載荷下JH-14C 的主要損傷模式為黏結(jié)劑與含能顆粒的脫黏，但研究僅針對動態(tài)載荷，并沒有涉及靜態(tài)載荷下JH-14C 傳爆藥的力學(xué)性能。

本文中，研究JH-14C 傳爆藥準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能及損傷特性：利用靜態(tài)壓縮實驗，獲得不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；采用修正的Ramberg-Osgood 關(guān)系，描述JH-14C 在低應(yīng)變率下的力學(xué)行為；結(jié)合掃描電子顯微鏡，研究JH-14C 靜態(tài)壓縮損傷模式。

1 實 驗

1.1 材料

JH-14C 試樣由西安近代化學(xué)研究所提供，密度約為1.70 g/cm，其成分RDX、黏結(jié)劑和石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為96.5%、3.0%和0.5%。圖1 為JH-14C 的細(xì)觀形貌，可見其內(nèi)部含能顆粒端面清晰不規(guī)則散布于聚合物黏結(jié)劑中，直徑主要在50～200 μm。

圖1 JH-14C 的細(xì)觀形貌Fig. 1 Micrographs of JH-14C

1.2 單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗

采用配備環(huán)境箱的INSTRON 試驗機(jī)進(jìn)行單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗，根據(jù)GJB 770B–2005《火藥試驗方法》，設(shè)計JH-14C 試樣尺寸為 ? 12.5 mm×12.5 mm。在室溫（25 ℃）下，共進(jìn)行5 次實驗，壓縮速率分別為0.012 5、 0.062 5、0.125、0.625 和1.25 mm/s，應(yīng)變率分別為 0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 s。

1.3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能

圖2 為JH-14C 傳爆藥在應(yīng)變率0.01 s下的變形過程，其中點、、、對應(yīng)不同時刻試件的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗中，JH-14C 傳爆藥試件變形過程呈均勻變化，隨著壓縮應(yīng)變增大，試件表面裂紋逐漸增多：當(dāng)?shù)竭_(dá)點（7 s）后應(yīng)力開始減小，這是因試件產(chǎn)生宏觀裂紋，導(dǎo)致承載能力降低；當(dāng)?shù)竭_(dá)點（11 s）后，JH-14C 傳爆藥發(fā)生明顯斷裂，表面裂紋貫穿上下表面，試件破壞。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和試件變形過程Fig. 2 Stress-strain relationship and the corresponding specimen deformation process

圖3 為準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗時JH-14C、X0242（HMX、Estane 和BDNPA/F 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為92%、4%和4%）和PBX9501（HMX、Estane和BDNPA/F 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.0%、2.5% 和2.5%）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可見：（1）PBX9501、JH-14C 和X0242 的壓縮強(qiáng)度都隨著應(yīng)變率升高而提高，3 種材料均符合材料應(yīng)變率效應(yīng)規(guī)律；（2）PBX9501 的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度顯著高于JH-14C和X0242 的，主要原因為PBX9501 的含能顆粒含量高于JH-14C 和X0242 的，通過對比JH-14 與PBX9501 的細(xì)觀掃描結(jié)果，發(fā)現(xiàn)PBX9501細(xì)觀結(jié)構(gòu)致密，因此細(xì)觀結(jié)構(gòu)對含能材料強(qiáng)度具有重要影響；（3）準(zhǔn)靜態(tài)實驗中，相同壓縮強(qiáng)度下PBX9501 的應(yīng)變比JH-14C 和X0242 的小，這是因內(nèi)部黏結(jié)劑含量及細(xì)觀結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致，雖然3 種材料都是脆性材料，但是PBX9501 強(qiáng)度更高、脆性效應(yīng)更明顯。以上分析，可為鈍感炸藥配方設(shè)計、裝藥等提供參考。

圖3 不同應(yīng)變率下JH-14C、PBX9501[14]、X0242[13]的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Quasi-static stress-strain curves of JH-14C,PBX9501[14], X0242[13] at different strain rates

2 理論模型與計算

2.1 Ramberg-Osgood 本構(gòu)關(guān)系

2.2 模型驗證

通過最小二乘法擬合得到修正的Ramberg-Osgood 本構(gòu)關(guān)系：

式中：σ 的單位為MPa，ε ˙的單位為s。

表1 模型擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients of the model fitting results

圖4 理論與實驗的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較Fig. 4 Comparisons between theory and experiment quasi-static stress-strain curves

3 JH-14C 靜態(tài)壓縮的損傷特性

圖5 為JH-14C 傳爆藥與PBX9501加載前的細(xì)觀形貌，、、、為炸藥中的含能顆粒。可見：JH-14C 與PBX9501 細(xì)觀結(jié)構(gòu)相似：（1）內(nèi)部都存在大量的孔洞及微裂紋等缺陷，含能顆粒呈現(xiàn)菱角形狀，且在大顆粒周圍環(huán)繞著許多體積較小的含能晶體；（2）含能顆粒上都存在大量微裂紋；（3）部分含能顆粒相互接觸，但他們間并不存在黏結(jié)劑。

圖5 試樣加載前細(xì)觀形貌Fig. 5 Micrographs of the specimens before loading

圖6 為PBX9501 細(xì)觀形貌，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮中PBX9501 的主要損傷模式為含能顆粒與黏結(jié)劑脫黏，同時伴隨著穿晶斷裂。

圖6 PBX9501 的細(xì)觀形貌[4]Fig. 6 Micrographs of PBX9501[4]

圖7 為JH-14C 在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗中的細(xì)觀形貌。當(dāng)=3 s 時，應(yīng)力約為1.8 MPa，JH-14C 傳爆藥內(nèi)部形成了很多微裂紋，這種應(yīng)力狀態(tài)下JH-14C 的主要損傷機(jī)制為黏結(jié)劑的脫黏。當(dāng)=7 s 時，應(yīng)力約為3.4 MPa，此時不僅有黏結(jié)劑脫黏形成的微裂紋（紅色虛線），同時內(nèi)部還形成了新的裂紋擴(kuò)展路徑。即原本存在于含能顆粒上的裂紋（黃色虛線），因外力導(dǎo)致含能顆粒裂紋附近應(yīng)力集中形成微裂紋區(qū)，這些微裂紋與黏結(jié)劑脫黏形成的微裂紋經(jīng)過匯聚、貫通等而形成宏觀裂縫，最終導(dǎo)致JH-14C 發(fā)生斷裂。通過對比JH-14C 和PBX9501 細(xì)觀損傷形貌，發(fā)現(xiàn)兩者類似：在外力作用下，首先產(chǎn)生脫濕，其次發(fā)生穿晶斷裂，最后失效破壞。

圖7 JH-14C 試樣加載時的細(xì)觀形貌Fig. 7 Micrographs of the JH-14C specimen at loading moments

圖8 為JH-14C 在壓縮實驗后試樣徑向截面的細(xì)觀形貌。由于石墨含量低，且分布不均勻，在制作過程中JH-14C 內(nèi)部含能顆粒形成團(tuán)簇，圖中白色位置無石墨。在壓縮作用下，團(tuán)簇體與整體界面處為主要損傷產(chǎn)生位置。

圖8 JH-14C 試樣的徑向截面細(xì)觀形貌Fig. 8 Micrographs of the radial cross-section of the JH-14C specimen

圖9 為JH-14C 試樣準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗后的宏觀斷裂形貌。在試樣表面裂紋的擴(kuò)展方向與徑向軸線方向成60°，試樣斷裂角度幾乎相同，這表明JH-14C 具有較好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常，采用與庫侖相關(guān)的破壞模式準(zhǔn)則，假設(shè)JH-14C 摩擦角為30°，滿足庫侖準(zhǔn)則的莫爾應(yīng)力圈有兩條對稱的直線作為其包絡(luò)線，則運用上述準(zhǔn)則計算得到破壞角為60°，這與實驗現(xiàn)象一致。

圖9 JH-14C 宏觀斷裂形貌Fig. 9 Macroscopic longitudinal fracture surface of JH-14C

4 結(jié) 論

（1）開展了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗，獲取了JH-14C 的強(qiáng)度、失效應(yīng)變和應(yīng)變率效應(yīng)。

（2）修正了Ramberg-Osgood 本構(gòu)模型，對照實驗結(jié)果驗證了模型的有效性。

（3）準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，JH-14C 的主要損傷模式為黏結(jié)劑脫黏，并伴隨穿晶斷裂，JH-14C 的裂紋拓展方向與徑向軸線成60°。