A-IX-II壓裝炸藥失效模式分析

張冬梅，常 海，鄭朝民，張林軍，賈 林，王海民

（西安近代化學研究所 分析測試中心，陜西 西安，710065）

任何武器裝備壽命期內(nèi)的儲存、運輸和使用均會受到各種氣候、力學等環(huán)境因素的作用，這些因素必然會使武器裝備的材料和結(jié)構受到破壞，導致部件和裝備性能劣化和功能失常，降低作戰(zhàn)效能，嚴重影響軍事行動，因此，研究材料、彈藥、部件和裝備在其運用環(huán)境中的失效模式及失效規(guī)律是十分必要的[1-2]。

A-IX-II炸藥是20世紀50年代后前蘇聯(lián)開發(fā)使用的含鋁壓裝炸藥，用于航炮彈、半穿甲彈及高拋榴彈裝藥，也是我國20世紀50年代后主要研制和發(fā)展的含鋁壓裝炸藥。目前俄羅斯采用分步壓裝工藝裝填大、中口徑炮彈時，所用的炸藥基本上都是 A-IX-II炸藥，國內(nèi)壓裝炸藥中A-IX-II也是應用較為廣泛的配方之一。壓裝工藝是重要的提高裝藥質(zhì)量消除裝藥疵病的工藝，但該裝藥方式形成的裝藥在環(huán)境應力作用下的失效分析研究還未見報道。

1 實驗設計

國標GB 3187-82中定義“失效是指產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。”失效分析是以逐個失效產(chǎn)品（或?qū)⒁У漠a(chǎn)品）及其相關的失效過程為分析對象，確定失效模式，以查找產(chǎn)品失效的機理和原因為主要目標，研究失效機理，判定失效原因，并提出預防措施，包括設計改進。彈藥失效是指彈藥產(chǎn)品在規(guī)定的環(huán)境條件和使用條件下，在其儲存時間、作用時間內(nèi)喪失或不能達到其規(guī)定的戰(zhàn)術技術要求[3-5]。

A-IX-II含鋁炸藥主要采用壓裝方式裝藥，壓裝工藝主要是裝藥在一定壓力下散粒體成型，是在較小的壓力增量下產(chǎn)生較大的密度變化。藥柱都存在一定的強度，但藥柱同時也存在內(nèi)應力，尤其是壓裝工藝產(chǎn)生的藥柱內(nèi)部殘存應力更大，只有在強度大于內(nèi)應力時才能夠保證藥柱結(jié)構穩(wěn)定性。當存在外部環(huán)境的應力作用，使內(nèi)外應力的共同作用超過裝藥的強度時，裝藥的結(jié)構穩(wěn)定性將受到破壞，即認為該裝藥失效。試驗證明裝藥密度或裝藥尺寸越大的情況下內(nèi)應力也越大。本文擬選擇低、中和高3種裝藥密度試樣來考察高低溫循環(huán)老化試驗對裝藥結(jié)構穩(wěn)定性的影響。在裝備的環(huán)境適應性要求中，氣溫和濕度是需要考慮的最基本要求，由于戰(zhàn)斗部裝藥處于密封狀態(tài)，與外界濕度環(huán)境相對隔離，所以只考慮溫度應力的作用，又由于實際的環(huán)境溫度是高低溫循環(huán)變化的，故選擇高低溫循環(huán)試驗進行溫度應力作用的老化試驗。

2 實驗

2.1 樣品

A-IX-II壓裝藥柱，兩種尺寸分別為Φ60 mm×60 mm 和 Φ40mm×40mm，3種裝藥密度分別為 1.65 g/cm3（低密度）、1.70g/cm3（中等密度）和1.75g/cm3（高密度）。

2.2 實驗條件

高低溫循環(huán)老化試驗：高溫71℃，低溫-54℃，升降溫速率不大于1/min℃，循環(huán)程序如圖1所示。1個循環(huán)老化試驗的時間為 24h；掃描電鏡：電壓20.00kV，放大倍數(shù)×100；工業(yè)CT：電壓180kV，電流4.5mA。

3 結(jié)果與討論

3.1 未老化裝藥藥柱的外觀

未老化A-Ⅸ-Ⅱ藥柱外表可明顯看到交替出現(xiàn)的明帶和暗帶分層，見圖2。明帶暗帶分別取樣的掃描電鏡形貌照片見圖3，可以看出顏色明亮部分主要是金屬鋁粉，顏色灰暗部分主要是非金屬，可見明帶鋁粉分布較多，非金屬分布較少，相反暗帶鋁粉分布較少，而非金屬分布較多。圖4為工業(yè)CT照片，可以看出藥柱內(nèi)部結(jié)構也同外部一樣呈現(xiàn)明帶暗帶之分，金屬與非金屬含量分布不均勻而呈現(xiàn)出密度不均勻的條帶。

圖1 溫度循環(huán)1個周期程序的示意圖Fig.1 One periodic process of high-low temperature cyclic test

圖2 A-IX-II未老化藥柱分層照片F(xiàn)ig.2 Layered photos of pressed charge A-IX-II before aging

圖3 A-IX-II未老化藥柱外觀形貌電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM photos of appearance of pressed charge A-IX-II before aging

圖4 A-IX-II未老化藥柱外觀與內(nèi)部結(jié)構的CT照片(1.65g/cm3,φ40mm×40mm)Fig.4 CT photos of internal structure of pressed charge A-IX-II before aging

3.2 老化裝藥藥柱的結(jié)構穩(wěn)定性

3.2.1 外觀裂紋及其產(chǎn)生規(guī)律

溫度循環(huán)試驗過程中高密度裝藥在 1個循環(huán)老化后，大尺寸（Φ60 mm×60 mm）和小尺寸（Φ40mm×40 mm）A-Ⅸ-Ⅱ藥柱均出現(xiàn)明顯裂紋；中密度裝藥2個循環(huán)老化后僅大尺寸藥柱出現(xiàn)裂紋，而小尺寸藥柱直至14個循環(huán)老化仍無裂紋出現(xiàn)；低密度裝藥的大小尺寸藥柱直至14個循環(huán)均無裂紋出現(xiàn)。大尺寸藥柱裂紋寬大，而小尺寸藥柱裂紋細小，見圖5～6。

圖5 A-IX-II（ Φ60 mm×60 mm） 裂紋觀測照片F(xiàn)ig.5 Photos of crack on aged A-IX-II （Φ60 mm×60 mm）

圖6 A-IX-II (Φ40 mm×40 mm） 裂紋觀測照片F(xiàn)ig.6 Photos of crack on aged A-IX-II (Φ40 mm×40 mm)

從上述觀測可以看出，就裂紋的產(chǎn)生而言，裝藥的密度越高藥柱內(nèi)應力越大，同樣的環(huán)境應力下密度越高越容易出現(xiàn)裂紋；同樣的裝藥密度下，尺寸越大藥柱內(nèi)應力聚集越嚴重，越容易出現(xiàn)裂紋，相反尺寸越小藥柱內(nèi)應力越小，不容易出現(xiàn)裂紋。壓裝藥柱內(nèi)應力產(chǎn)生的原因可做如下分析：混合炸藥的壓裝工藝是將造型粉散粒體不斷填入壓機中壓制而成，在壓裝成型過程中粘結(jié)材料與含能固態(tài)顆粒材料之間相互作用使藥柱具有一定的強度，保證裝藥的成型和結(jié)構穩(wěn)定性，同時在壓裝過程中既有顆粒的位移，又有炸藥顆粒的彈塑性變形，還有部分顆粒的脆性變形。顆粒的脆性變形能夠瞬間釋放出能量，而顆粒的彈塑性變形則會在藥柱內(nèi)貯存一部分能量，這就是形成了內(nèi)應力。從上述觀測老化結(jié)果，可以推斷藥柱密度越大，顆粒彈塑性變形和脆性變形承受的壓力越大，貯存的內(nèi)能越多；尺寸越大則承受形變的顆粒數(shù)量多，整體藥柱殘存應力越大，貯存的內(nèi)能也越多，在溫度循環(huán)過程中經(jīng)過溫度的上升和下降，致使藥柱這種殘存內(nèi)應力得到釋放，當內(nèi)外兩種應力的共同作用超過藥柱本身的強度時，藥柱就產(chǎn)生了裂紋。另一方面，高密度藥柱內(nèi)殘留的“自由體積”小，因高低溫循環(huán)熱脹冷縮產(chǎn)生形變的空間也小，因此藥柱產(chǎn)生裂紋的幾率增大；反之，低密度藥柱的“自由體積”較大，因形變產(chǎn)生裂紋的幾率下降。對于大尺寸藥柱，這種熱脹冷縮產(chǎn)生的形變量大，產(chǎn)生裂紋的幾率也大，反之，小尺寸藥柱因形變產(chǎn)生裂紋的幾率就小。

高低溫循環(huán)后藥柱上主要裂紋出現(xiàn)位置多分布在外觀分層的暗帶，見圖7。外觀明帶部分主要是鋁粉堆積較多而形成的，這一部分密度較大，密度分布連續(xù)性較好，暗帶主要為非金屬部分堆積，這一部分密度較小成為藥柱中密度不連續(xù)處，所以在藥柱內(nèi)部應力釋放時缺陷即裂紋容易出現(xiàn)在暗帶，這也說明非金屬堆積的暗帶產(chǎn)生了更大的熱脹冷縮形變量。

圖7 A-IX-II裂紋產(chǎn)生位置照片F(xiàn)ig.7 Photos of crack location on aged A-IX-II

3.2.2 外觀裂紋與內(nèi)部結(jié)構比較

藥柱經(jīng)-54～71℃溫度循環(huán)老化后，采用工業(yè)CT掃描內(nèi)部結(jié)構，發(fā)現(xiàn)A-IX-II老化炸藥裝藥內(nèi)部裂紋的部位與表面觀測到的是一致的，外觀照片與CT照片比較見圖8。

圖8 A-IX-II老化藥柱裂紋外觀照片與CT照片比較Fig.8 Comparison photos of crack appearance and internal structure of aged A-IX-II

溫度循環(huán)后藥柱雖有徑向裂紋但未貫穿整個藥柱，即藥柱沒有斷裂。從CT照片可以觀察到裂紋出現(xiàn)位置主要在徑向邊緣地帶，這與壓裝裝藥密度分布為軸向高而周邊較低相吻合，說明應力釋放和形變導致的裂紋出現(xiàn)在藥柱密度較低的薄弱處。

3.3 質(zhì)量變化和滲油性

溫度循環(huán)老化14d過程中A-IX-II一直在“滲油”，即低熔點組分的“趨表性”遷移，見圖9。A-Ⅸ-Ⅱ的低熔點組分主要是鈍感劑石蠟和硬脂酸。老化藥柱的質(zhì)量跟蹤測定表明，藥柱質(zhì)量逐漸減小，這是因為遷移到藥柱表面的鈍感劑揮發(fā)。兩種尺寸 A-Ⅸ-Ⅱ藥柱的質(zhì)量損失隨溫度循環(huán)老化時間的變化見表 1和圖10。

圖9 A-Ⅸ-Ⅱ滲油性比較Fig.9 Comparison of A-IX-II exudation before and after aging

表1 A-Ⅸ-Ⅱ裝藥溫度循環(huán)14d質(zhì)量損失率測試數(shù)據(jù) (%)Tab.1 Data of mass loss rate of A-IX-II after high-low temperature cyclic test (%)

圖10 A-IX-II質(zhì)量損失變化曲線Fig.10 The curve of mass loss of A-IX-II

從表1和圖10的結(jié)果可以看出，這種遷移和揮發(fā)過程與鈍感劑的含量有關，老化初期因藥柱中鈍感劑的含量高，藥柱質(zhì)量損失的速率快，而后期因鈍感劑的含量降低，質(zhì)量損失的速率下降。這種遷移和揮發(fā)過程還與藥柱密度和尺寸有關。密度大“自由體積”小，鈍感劑分子的自由運動空間小、阻力大不易遷移。反之，密度小則阻力小有利于鈍感劑的遷移。藥柱尺寸大，“比表面”小，藥柱單位質(zhì)量的遷移和揮發(fā)量也就少，即相對質(zhì)量損失率小，反之，小藥柱“比表面”大，相對質(zhì)量損失率也大。

4 結(jié)論

高低溫循環(huán)老化試驗表明， A-IX-II壓裝裝藥老化過程中裂紋的產(chǎn)生概率與藥柱的裝藥密度和藥柱尺寸有關，高密度和大尺寸的藥柱由于內(nèi)應力大，熱脹冷縮形變明顯，藥柱易產(chǎn)生裂紋。因此提高A-IX-II炸藥的強度是減少老化藥柱裂紋產(chǎn)生幾率的主要途徑之一。老化A-IX-II藥柱發(fā)生的低熔點組分的遷移，即所謂“滲油性”，以及該組分向非封閉環(huán)境的揮發(fā)，造成質(zhì)量損失，它們也都與裝藥密度和藥柱尺寸有關。這種低熔點組分的部分遷移和揮發(fā)達到何種程度會導致裝藥失效，還有待于進一步研究。A-IX-II壓裝炸藥的主要失效模式是藥柱產(chǎn)生裂紋。

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