溫度對粒狀發(fā)射藥動態(tài)力學(xué)性能的影響

張鄒鄒，周　敬，楊麗俠，趙寶明，劉來東

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

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溫度對粒狀發(fā)射藥動態(tài)力學(xué)性能的影響

張鄒鄒，周敬，楊麗俠，趙寶明，劉來東

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

摘要：為了解不同溫度條件下粒狀發(fā)射藥動態(tài)力學(xué)性能的變化，用落錘撞擊試驗研究了粒狀發(fā)射藥在-60～50℃下的撞擊損傷狀態(tài)及應(yīng)力曲線的變化。結(jié)果表明，在不同溫度條件下粒狀發(fā)射藥的落錘撞擊損傷狀態(tài)和應(yīng)力曲線的變化很大，溫度低于-20℃時，發(fā)射藥可能發(fā)生破碎，應(yīng)力峰值高、作用時間短，溫度高于0℃時，發(fā)射藥發(fā)生塑性形變、峰值低、作用時間長。 認為隨著溫度的逐漸升高，粒狀發(fā)射藥由脆性斷裂逐漸改為塑性變形，藥粒不易破碎，而低溫下的冷脆斷裂對發(fā)射藥在極端低溫下的應(yīng)用不利。

關(guān)鍵詞：材料科學(xué)；粒狀發(fā)射藥；落錘撞擊；動態(tài)力學(xué)性能；脆性斷裂；塑性變形

引言

隨著高膛壓、高初速、高裝填密度等高性能現(xiàn)代火炮的發(fā)展，粒狀發(fā)射藥在火炮中得到大量應(yīng)用。由于藥粒的過早破碎可能引起膛壓上升，在操作中產(chǎn)生嚴重的安全隱患[1]，因此，研究粒狀發(fā)射藥的力學(xué)性能十分重要。目前, 國內(nèi)外專家一致認為由發(fā)射裝藥引起膛內(nèi)壓力異常甚至膛炸事故的根本原因是發(fā)射藥床的擠壓破碎，發(fā)射藥粒在膛內(nèi)破碎的內(nèi)因是藥粒的低溫脆性等藥粒本身的力學(xué)性能, 外因是藥粒著火前受到的擠壓等力學(xué)作用。Horst等[2]認為在絕大多數(shù)情況下, 超高的最大膛壓不能通過其壓力波的劇烈程度來預(yù)測,導(dǎo)致膛炸的原因可能是由于發(fā)射藥破碎或瞬態(tài)燃燒。另外，發(fā)射藥的力學(xué)性能對其易損性也有很大影響，易破碎的發(fā)射藥粒在遭受空心裝藥射流刺激(SCJ)時反應(yīng)要比強度高不易破碎的藥粒大得多[3]。

研究發(fā)射藥單顆粒的力學(xué)性能可以揭示顆粒材料的力學(xué)本質(zhì)，建立發(fā)射藥粒的黏彈性本構(gòu)方程。在單顆粒發(fā)射藥抗壓強度研究中，大多是在規(guī)定的試驗溫度和加載速度下，對規(guī)定尺寸的定量試樣在縱軸方向施加單軸靜態(tài)壓縮載荷，以測得抗壓強度。張玉令[4]、陳言坤等[5]采用從垂直于縱軸方向施加單向靜態(tài)壓縮載荷的方式，對發(fā)射藥藥粒側(cè)面受壓力作用時的力學(xué)性能進行試驗研究，得出抗壓強度隨壓痕尺寸的變化規(guī)律。周敬等[6-7]研究了RDX基高能發(fā)射藥配方變化對其抗撞擊損傷性能影響，提出采用單位臨界撞擊能和極限抗沖應(yīng)力來表征發(fā)射藥的動態(tài)力學(xué)強度。

本實驗研究了粒狀發(fā)射藥在不同溫度甚至極端溫度條件下動態(tài)力學(xué)性能的變化情況，揭示了在沖擊載荷作用下溫度影響粒狀發(fā)射藥力學(xué)損傷的本質(zhì)，為研究粒狀發(fā)射藥的破碎問題提供參考。

1實驗

1.1材料及儀器

19孔梅花形粒狀高能硝胺發(fā)射藥，西安近代化學(xué)研究所。

BCJ型落錘撞擊裝置，天津市建儀試驗機有限責(zé)任公司，落錘質(zhì)量5kg，標(biāo)尺量程0～100cm；高低溫試驗箱，泰安科技有限責(zé)任公司，溫度為(-60±2)～(100±2)℃；Kister9316B壓力傳感器，瑞士奇石樂公司，極限測力為60kN。采樣頻率為500kHz。

1.2落錘撞擊試驗

BCJ型落錘撞擊裝置對發(fā)射藥進行單軸壓縮試驗，錘體自由下落撞擊工裝活塞桿然后壓縮樣品，實驗前工裝活塞桿靜止平壓在樣品橫截面，為減少由于受力端面不平整造成受力時發(fā)射藥內(nèi)部應(yīng)力平均分布狀態(tài)不均勻，造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證落錘撞擊能夠均勻作用于被試發(fā)射藥顆粒的端面上，以確保試驗結(jié)果的精度和穩(wěn)定性，試驗前將被測試樣端面加工，使其平行度誤差小于±0.03mm，并且縱軸垂直度誤差小于±0.5°，同組試驗中每粒發(fā)射藥的高度保持一致。

試驗溫度分別為-60、-40、-30、-20、0、常溫(20℃)和高溫(50℃)；試驗撞擊能為12.6J/cm2，撞擊速度為2.66m/s；實驗前樣品保溫不少于2h。

2結(jié)果與討論

2.1溫度對粒狀發(fā)射藥撞擊損傷程度的影響

圖1為粒狀發(fā)射藥在不同溫度條件下的撞擊損傷圖片。

由圖1可以看出，在-60℃時，藥粒發(fā)生粉碎性破裂，已完全看不出藥粒形狀。-40℃時，藥粒經(jīng)受撞擊作用后，部分樣品依然完整，部分出現(xiàn)裂紋，其余則發(fā)生破碎。在-30和-20℃時，藥粒僅出現(xiàn)裂紋，無明顯破碎現(xiàn)象。0℃時，藥粒沒有裂紋，也沒有發(fā)生破碎，僅出現(xiàn)發(fā)白跡象，塑性形變也很小。常溫(20℃)與高溫(50℃)下，藥粒均出現(xiàn)發(fā)白跡象，未見裂紋和破碎，但是發(fā)射藥均發(fā)生明顯的塑性形變，長度變短，且藥粒藥的中間部位由于受到擠壓，中間凸起。高溫下(50℃)，塑性變形更為明顯。

圖1　粒狀發(fā)射藥在不同溫度下的落錘撞擊損傷狀態(tài)Fig.1　Photographs of the drop hammer impact fracturestate for granule gun propellant

經(jīng)計算得出0、20和50℃下粒狀發(fā)射藥的應(yīng)變率分別為2%、14%和25%，由應(yīng)變率值可以看出，隨溫度降低，其塑性特性減弱，在低于0℃以下時粒狀發(fā)射藥的塑性開始轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈浴?/p>

由響應(yīng)結(jié)果及應(yīng)變率可以看出，溫度對粒狀發(fā)射藥的動態(tài)力學(xué)強度有較大影響，隨溫度降低，粒狀發(fā)射藥由塑性形變逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，這是因為粒狀發(fā)射藥屬于高分子復(fù)合材料，隨溫度降低，其低溫冷脆特性加劇，更容易產(chǎn)生裂紋甚至發(fā)生破碎。

2.2不同溫度下粒狀發(fā)射藥的撞擊受力過程分析

圖2為不同溫度下粒狀發(fā)射藥的撞擊受力過程F-t曲線圖。表1為粒狀發(fā)射藥不同溫度下落錘撞擊試驗的應(yīng)力峰值以及應(yīng)力作用時間脈寬。

由圖2可以看出，在撞擊條件相同情況時，不同溫度下粒狀發(fā)射藥的撞擊響應(yīng)曲線差別明顯，隨著溫度的升高，尖銳的峰形逐漸平緩甚至在50℃時出現(xiàn)應(yīng)力值緩慢增長的趨勢。低于-20℃時，落錘撞擊作用的峰形尖銳，峰值較高，應(yīng)力作用時間短，-40℃時表現(xiàn)得更為明顯，而在0℃應(yīng)力曲線的峰形平緩，表明此時已經(jīng)表現(xiàn)出受到撞擊時吸收沖擊能量的特性，隨著溫度的升高，粒狀發(fā)射藥吸收沖擊能量更多、時間更長，表現(xiàn)為受到?jīng)_擊的應(yīng)力峰值下降，峰形更加平緩，應(yīng)力作用時間脈寬增加(見表1)。

圖2　不同溫度下粒狀發(fā)射藥的F-t曲線Fig. 2　F-t curves of the granule gun propellant atdifferent temperatures

T/℃Fm/kNΔt/ms-6012.55.2-4025.01.6-3019.61.8-2015.82.109.82.6206.93.6505.05.1

此外，在-60℃時粒狀發(fā)射藥的撞擊應(yīng)力曲線出現(xiàn)第一尖銳峰形，經(jīng)過兩次小的尖銳峰形后開始長而緩慢的應(yīng)力增長過程，這是由于在極低溫度下粒狀發(fā)射藥變得極脆，藥粒在落錘撞擊時的應(yīng)力上升過程中破裂，應(yīng)力急劇下降，由于慣性，落錘繼續(xù)下落并作用在破裂的藥粒上使得藥粒受到兩次撞擊變得粉碎。在極端高溫(50℃)條件下，由于藥粒塑性增大，藥粒受到的應(yīng)力值緩慢增長。

粒狀發(fā)射藥在不同溫度下表現(xiàn)出的這種沖擊應(yīng)力特性與其本身是一種高分子復(fù)合材料有關(guān)，其破壞過程也是一種松弛過程。當(dāng)溫度較低時，分子運動能量低，松弛時間大大超過落錘沖擊試樣的作用時間，發(fā)射藥表現(xiàn)為剛性固體，在低溫條件下受到落錘沖擊作用會發(fā)生脆性斷裂，在極低溫度下甚至發(fā)生粉碎性斷裂；隨著溫度的升高，高彈性增加，在受到?jīng)_擊作用時鏈段運動的松弛時間與應(yīng)力作用時間相適應(yīng)，在斷裂前發(fā)生屈服，出現(xiàn)強迫高彈性。同時，發(fā)射藥也是一種共混物，分散于連續(xù)相中的微小顆粒在發(fā)射受到?jīng)_擊力時可以引發(fā)大量的微裂紋，從而吸收大量的沖擊能量。

3結(jié)論

(1)溫度低于-20℃時，粒狀發(fā)射藥可能發(fā)生破碎，應(yīng)力峰值高，作用時間短。

(2)溫度高于0℃時，受到落錘撞擊時粒狀發(fā)射藥能夠吸收沖擊能量，藥粒發(fā)生塑性形變，應(yīng)力峰值降低，應(yīng)力作用時間長，即隨溫度的升高，粒狀發(fā)射藥受到落錘撞擊時由脆性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫儭?/p>

(3)在極低溫度(-60℃)下，粒狀發(fā)射藥極脆，受到?jīng)_擊時藥粒破損嚴重，這對發(fā)射藥在極低環(huán)境溫度下的應(yīng)用非常不利。

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Effects of Temperature on the Dynamic Mechanical Properties of Granular Gun Propellant

ZHANG Zou-zou, ZHOU Jing, YANG Li-xia, ZHAO Bao-ming, LIU Lai-dong

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065,China)

Abstract:To understand the change of dynamic mechanical properties of granular gun propellant under different temperatures, the impact damage state and change in stress curve of gun propellant under temperature of -60-50℃ were studied by a drop hammer impact test. Results show that the impact damage state and change in stress curve of gun propellant under different temperatures are very different. When the temperature is lower than -20℃, gun propellant may be broken with high stress peak value and short stress action time. When the temperature is higher than 0℃, the propellant occurs plastic deformation, the stress peak value is low and the stress action time is long. Considering that with the increase of temperature, granular gun propellant gradually changes from brittle fracture to plastic deformation and is not easy to be broken, whereas the cold friable fracture at lower temperature is adverse for the application of gun propellant under the extreme environments.

Keywords:material science; granular gun propellant; drop-weight impact; dynamic mechanical property; brittle fracture; plastic deformation

作者簡介:張鄒鄒(1979-)，女，助理研究員，從事發(fā)射藥性能表征與評估研究。

收稿日期:2014-08-30；修回日期:2014-12-20

中圖分類號：TJ55; TQ562

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)02-0086-03

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.019