陳科全，藍(lán)林鋼，路中華，胡榕希

(1. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽(yáng)621900；2. 中國(guó)工程物理研究院

安全彈藥研發(fā)中心，四川綿陽(yáng)621900)

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含預(yù)制缺陷PBX炸藥的力學(xué)性能及破壞形式

陳科全1,2，藍(lán)林鋼1，路中華1,2，胡榕希1,2

(1. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽(yáng)621900；2. 中國(guó)工程物理研究院

安全彈藥研發(fā)中心，四川綿陽(yáng)621900)

摘要：為探索裂紋缺陷對(duì)炸藥力學(xué)性能和破壞形式的影響，以壓裝HMX基PBX炸藥為對(duì)象，采用改進(jìn)后的圓弧巴西試驗(yàn)，研究了不同預(yù)制缺陷條件下炸藥的破壞過程，并與無(wú)缺陷炸藥的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，在所研究的范圍內(nèi)，壓裝PBX炸藥的力學(xué)強(qiáng)度隨缺陷的空間位置變化顯著，最高降幅達(dá)75.3%；不同缺陷下炸藥的破壞形式差異較大，缺陷與加載方向存在夾角時(shí)，炸藥存在二次承載的現(xiàn)象，且裂紋從缺陷端部向炸藥加載面擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：材料科學(xué)；PBX炸藥；巴西試驗(yàn)；拉伸強(qiáng)度；預(yù)制缺陷；斷裂破壞

引言

PBX炸藥是一種晶體顆粒高度填充的含能材料，由于造粒、結(jié)晶和合成工藝技術(shù)的限制，裝藥中不可避免地存在孔穴、氣泡等初始缺陷，在加工、運(yùn)輸和貯存等過程中受到力熱荷載作用時(shí)，可能萌生宏觀裂紋缺陷，這不僅導(dǎo)致炸藥中的“熱點(diǎn)”增加、感度升高，還會(huì)影響爆轟反應(yīng)特性，繼而對(duì)其安全性評(píng)估產(chǎn)生影響。因此，開展含宏觀缺陷炸藥力學(xué)性能和破壞形式的研究，可為武器裝藥安全性數(shù)值分析提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是炸藥安全性研究的重要內(nèi)容之一。

巴西試驗(yàn)已廣泛用于炸藥力學(xué)性能及損傷機(jī)理的研究[1-3]。Johnson[4-5]最早利用巴西試驗(yàn)研究了炸藥的拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變等，并與直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，建立了兩種試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。Palmer等[6]采用巴西試驗(yàn)分析了PBX炸藥材料組分對(duì)其力學(xué)性能及損傷特性的影響。國(guó)內(nèi)宋華杰[7]、陳鵬萬(wàn)[8]、龐海燕[9]等采用巴西試驗(yàn)評(píng)價(jià)了典型PBX炸藥的拉伸性能。近年來(lái)，為提高巴西試驗(yàn)與直接拉伸試驗(yàn)的相關(guān)性，Cheng Liu[10]、龐海燕[9，11]、溫茂萍[12]等對(duì)傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)研究，發(fā)展了圓弧壓頭巴西試驗(yàn)和橡膠墊巴西試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，當(dāng)試樣半徑與圓弧壓頭半徑之比為1∶1.35時(shí)，PBX炸藥巴西試驗(yàn)與直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

前述試驗(yàn)研究對(duì)象均為密實(shí)的PBX炸藥樣品，本研究以某典型HMX基PBX炸藥為對(duì)象，采用預(yù)制裂紋缺陷的方式，利用圓弧巴西試驗(yàn)研究了宏觀裂紋對(duì)PBX炸藥力學(xué)性能和破壞形式的影響，并對(duì)不同缺陷條件下的差異性進(jìn)行比較分析，以期為PBX炸藥的安全性及其控制技術(shù)提供借鑒。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的圓弧巴西試驗(yàn)裝置如圖1所示。采用差動(dòng)變壓器式引伸計(jì)(LVDT)測(cè)試試樣徑向變形，量程0.5mm，精度0.5%。豎向加載設(shè)備為INSTRAN 5582材料試驗(yàn)機(jī)，量程5kN，精度0.5%，測(cè)試環(huán)境溫度(20±2)℃。根據(jù)文獻(xiàn)[12]研究結(jié)果，圓弧壓頭采用1.35倍試樣半徑。

圖1　圓弧巴西試驗(yàn)裝置圖Fig.1　Sketch of arc Brazilian test

1.2試樣及加載方式

試驗(yàn)對(duì)象為某典型壓裝PBX炸藥，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：HMX87%，TATB7%，其他6%。用同一壓機(jī)在相同工藝條件下壓制成Φ20mm×6mm的藥片，密度為1.844～1.856g/cm3。

炸藥中宏觀裂紋缺陷的數(shù)量、形式和分布等千差萬(wàn)別，要真實(shí)地研究相關(guān)裂紋對(duì)炸藥力學(xué)性能和破壞形式的影響，從試樣制備、裂紋表征和試驗(yàn)觀測(cè)等方面難度均較大。本實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)有炸藥機(jī)加工藝保證的前提下，通過精加工預(yù)制了4種不同形式的貫穿缺陷(圖2(b)～(e)所示)，并與密實(shí)樣品進(jìn)行對(duì)比，以研究宏觀缺陷空間位置以及與加載方向夾角對(duì)PBX炸藥力學(xué)性能等的影響。其中，預(yù)制缺陷大小一致，試驗(yàn)為準(zhǔn)靜態(tài)加載，加載速度均為0.1mm/min。

圖2　樣品編號(hào)及加載方式Fig.2　Number of test sample and loading mode

2結(jié)果與分析

2.1缺陷對(duì)壓裝PBX炸藥拉伸強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)測(cè)得壓裝PBX炸藥的位移—應(yīng)力曲線(L-σ)如圖3所示，主要力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖3　不同缺陷條件下PBX炸藥加載后的位移-應(yīng)力曲線Fig.3　Load-displacement curves of PBX after loadingunder the conditions of different defects

樣品編號(hào)Fm/Nσb/MPaεm1984.305.220.0552335.161.780.0193242.361.290.0274474.302.520.2655602.813.200.433

注：Fm為最大載荷；σb為拉伸強(qiáng)度；εm為最大應(yīng)變。

由圖3中無(wú)缺陷PBX炸藥(樣品1)的位移—應(yīng)力曲線可以發(fā)現(xiàn)，其應(yīng)力開始時(shí)近似線彈性增長(zhǎng)，達(dá)到最大值pmax時(shí)樣品中心開始起裂，之后沿加載方向迅速穩(wěn)定擴(kuò)展，直至形成貫通裂紋、樣品失去承載能力為止，其變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[11，13]等報(bào)道基本一致，滿足巴西試驗(yàn)要求。

對(duì)比圖3及表1中不同缺陷下的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PBX炸藥的拉伸強(qiáng)度不僅與缺陷空間位置相關(guān)，受缺陷和加載方向夾角的影響更加明顯。當(dāng)預(yù)制缺陷位于加載軸向時(shí)，拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果相對(duì)無(wú)缺陷(樣品1)測(cè)試值的最高降幅達(dá)75.3%，這與樣品加載時(shí)軸向間接受拉應(yīng)力有關(guān)。預(yù)制缺陷與加載方向存在夾角時(shí)，位移—應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，樣品存在二次承載的情況，即炸藥應(yīng)力開始時(shí)近似線彈性增長(zhǎng)，達(dá)到彈性極限時(shí)缺陷的存在引起炸藥局部破壞，炸藥承載能力存在先小幅下降后增長(zhǎng)的過程，而且正是炸藥的局部破壞引起應(yīng)變測(cè)試結(jié)果顯著增加。

2.2不同缺陷下壓裝PBX炸藥的破壞形式

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，不同缺陷PBX炸藥的破壞形式如圖4所示。

圖4　準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下含不同預(yù)制缺陷PBX炸藥的破壞形式對(duì)比Fig.4　Comparison of the failure modes of PBX withdifferent prefabricated defects under quasi-static compression

由圖4可見，缺陷的存在引起炸藥的破壞形式存在較大差異。無(wú)缺陷PBX炸藥的主裂紋是從其中心開始完整貫穿試樣的直徑，滿足巴西試驗(yàn)中心起裂的條件，但受圓弧加載面末端應(yīng)力集中的影響，樣品產(chǎn)生兩條次裂紋，如圖4(a)所示。

當(dāng)缺陷位于加載軸向時(shí)，樣品仍產(chǎn)生貫穿樣品直徑的主裂紋，見圖4(b)～(c)，不同的是，由于樣品2的對(duì)稱性，產(chǎn)生的裂紋基本一致，且受樣品強(qiáng)度降低的影響，該炸藥樣品較快失去承載能力，因此加載面附近未見明顯的次裂紋；對(duì)樣品3，雖然其在較短時(shí)間內(nèi)也失去了承載能力，但缺陷的存在引起豎向受力不對(duì)稱，導(dǎo)致樣品下加載面的應(yīng)力集中更加顯著，因此除主裂紋以外，同時(shí)產(chǎn)生兩條次裂紋，如圖4(c)。

當(dāng)裂紋缺陷與樣品加載方向存在一定夾角時(shí)(圖4(d)～(e))，主裂紋不再通過炸藥中心。究其原因是，相關(guān)裂紋的存在引起樣品豎向、水平應(yīng)力均不對(duì)稱，不再滿足傳統(tǒng)巴西試驗(yàn)的起裂條件，同時(shí)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，裂紋從缺陷端部開始起裂，這與缺陷附近應(yīng)力集中有關(guān)，隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，樣品圓弧加載面附近的應(yīng)力集中效應(yīng)加劇，導(dǎo)致裂紋逐漸向加載面擴(kuò)展，直至失去承載能力。

3結(jié)論

(1)不同缺陷下壓裝PBX炸藥的拉伸強(qiáng)度均降低，且受缺陷的空間位置影響顯著。

(2)受缺陷附近局部破壞的影響，壓裝PBX炸藥存在二次承載的現(xiàn)象。

(3)不同缺陷下壓裝PBX炸藥的破壞形式存在差異，當(dāng)缺陷位于加載軸向時(shí)，主裂紋通過炸藥中心，當(dāng)缺陷與加載軸向存在夾角時(shí)，從缺陷附近開始起裂，并迅速向加載面擴(kuò)展，裂紋未通過樣品中心。

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Mechanical Properties and Failure Modes of PBX Explosives with Different Prefabricated Defects

CHEN Ke-quan1,2, LAN Lin-gang1,2, LU Zhong-hua1,2, HU Rong-xi1,2

(1. Institute of Chemical Materials of CAEP, Mianyang Sichuan 621900, China;

2. Robust Munitions Center of CAEP, Mianyang Sichuan 621900, China)

Abstract:To explore the effects of crack defects on the mechanical properties and failure modes of explosives, using HMX based PBX pressed explosive as the object, the failure process of the explosive under the conditions of different prefabricated defects was studied by an improved arc Brazilian test, and the obtained test results were compared with those of explosives without defects. Results show that within the scope of the study, the mechanical strength of HMX based PBX pressed explosive is significantly changed by the spatial position of defects, and the highest decreasing range reaches up to 75.3%. The failure modes are obviously different under different defects and the phenomenon of second bearing exists when the defect exist angle with loading direction and the crack extends from the end of defect to the loading surface.

Keywords:material science; PBX explosive; Brazilian test; tensile strength; prefabricated defects; fracture failure

通訊作者:路中華(1977-)，男，博士，研究員，從事彈藥工程與數(shù)值模擬研究。

作者簡(jiǎn)介:陳科全(1983-)，男，博士，助理研究員，從事安全彈藥與數(shù)值模擬研究。

基金項(xiàng)目:中物院青年人才培養(yǎng)基金(QNRC-201312);中物院學(xué)科發(fā)展基金(2012B0201019)

收稿日期:2015-07-13；修回日期:2015-09-12

中圖分類號(hào)：TJ55; O34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2015)05-0051-03

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.05.010