含預(yù)制缺陷PBX炸藥裂紋擴(kuò)展過程的試驗研究

陳科全，藍(lán)林鋼，路中華，聶少云，胡榕希

(中國工程物理研究院 a.化工材料研究所； b.安全彈藥研發(fā)中心，四川 綿陽 621900)

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

含預(yù)制缺陷PBX炸藥裂紋擴(kuò)展過程的試驗研究

陳科全a,b，藍(lán)林鋼a，路中華a,b，聶少云a,b，胡榕希a,b

(中國工程物理研究院 a.化工材料研究所； b.安全彈藥研發(fā)中心，四川 綿陽 621900)

以典型HMX基PBX炸藥為研究對象，采用圓弧巴西試驗和數(shù)字散斑方法，通過預(yù)制缺陷的方式研究了不同缺陷條件下炸藥裂紋的擴(kuò)展過程。研究表明，不同缺陷下炸藥裂紋擴(kuò)展過程的差異較大，當(dāng)缺陷位于加載軸向時，主裂紋完整貫穿試樣中心，而當(dāng)缺陷與加載方向存在夾角時，主裂紋從缺陷兩端附近向加載面擴(kuò)展，且不再通過試樣中心。

高聚物粘結(jié)炸藥；巴西試驗；數(shù)字散斑方法；預(yù)制缺陷；裂紋擴(kuò)展

炸藥是武器殺傷、破壞的重要組成部分，其安全可靠性直接關(guān)系到整個武器系統(tǒng)的優(yōu)劣。高聚物粘接炸藥(PBX)是由炸藥顆粒和粘彈性粘結(jié)劑構(gòu)成的聚合物基含能材料，通常經(jīng)過炸藥造粒、結(jié)晶和冷熱合成等工藝制作而成，炸藥顆粒內(nèi)部以及與基體之間不可避免地存在微缺陷[1,2]。在炸藥加工成形、運(yùn)輸、貯存和使用過程中，受力、熱及其耦合荷載的作用，微缺陷可能逐漸發(fā)展為宏觀裂紋，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展不僅影響炸藥裝藥的爆轟特性和安全可靠性， 甚至導(dǎo)致炸藥裝藥失效，因此是炸藥裝藥安全性研究的重要內(nèi)容之一。炸藥宏觀裂紋擴(kuò)展過程研究可豐富對炸藥裝藥失效機(jī)理的認(rèn)識，為各種荷載下炸藥裝藥力學(xué)失效的抑制、防護(hù)設(shè)計研究等提供參考。

國內(nèi)外在炸藥微缺陷形成、演化對其性能的影響方面開展了大量研究，取得了系列研究成果[3-7]。受炸藥力學(xué)強(qiáng)度低、試驗試樣制備困難等限制，一般對其進(jìn)行壓縮試驗或間接拉伸試驗(也稱巴西試驗)，如周忠彬等[8]采用半圓盤彎曲實(shí)驗和數(shù)字散斑相關(guān)方法，定量分析了試樣損傷局部化特征，證明了數(shù)字散斑方法用于炸藥變形破壞研究的有效性。本文作者則利用巴西試驗，研究了裂紋缺陷對PBX炸藥力學(xué)性能和破壞形式的影響[9]。值得一提的是，相關(guān)研究主要集中微缺陷形成演化及其對力學(xué)性能影響等方面，對含宏觀缺陷炸藥裂紋的擴(kuò)展過程研究相對較少。

本研究以某典型HMX基PBX炸藥為對象，通過預(yù)制宏觀裂紋缺陷的方式，借助成熟的巴西試驗技術(shù)和數(shù)字散斑方法，研究了不同缺陷條件下炸藥裂紋的擴(kuò)展過程，分析了試樣全場的變形特征。研究結(jié)果可加深對PBX炸藥性能的認(rèn)識，為武器裝藥安全可靠性數(shù)值模擬研究提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗原理及方法

1.1 巴西試驗原理

巴西試驗也稱劈裂試驗，最早主要用于陶瓷、混凝土、巖石和玻璃等脆性材料拉伸強(qiáng)度的測試，具有試樣制備簡單、試驗成本低等特點(diǎn)。巴西試驗方法如圖1所示，通過對圓形試樣進(jìn)行徑向壓縮，在受壓直徑上產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)試樣拉應(yīng)力大于其拉伸強(qiáng)度極限時發(fā)生破壞。在滿足平面應(yīng)力狀態(tài)和試樣中心起裂的前提下，拉伸強(qiáng)度為

(1)

式中:σb為拉伸強(qiáng)度極限；P為集中載荷；d為試樣直徑；t為試樣厚度。

圖1 巴西試驗示意圖

1.2 數(shù)字散斑方法

數(shù)字散斑方法(DSCM)采用數(shù)學(xué)相關(guān)方法分析荷載作用下試樣表面的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，即通過數(shù)字圖像的灰度值精確測定材料變形[10]，其基本原理是跟蹤數(shù)字化散斑圖像上幾何點(diǎn)的運(yùn)動，從而獲得材料表面的變形信息。數(shù)字散斑法的基本作用過程是：用高速錄像機(jī)采集加載過程中試樣表面的散斑圖，再由數(shù)字化記錄儀記錄成數(shù)字圖像格式，通過對圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，以得到試樣表面的變形信息等。該方法在硬件配置上相比其他方法(如云紋干涉法)較為簡單，已獲得廣泛的應(yīng)用。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 試驗裝置及試樣制備

試驗采用改進(jìn)后的圓弧巴西試驗裝置，如圖2(a)所示。采用差動變壓器式引伸計(LVDT)測量試樣徑向變形，其量程為0.5 mm，精度為0.5%。加載設(shè)備為INSTRAN 5582材料試驗機(jī)，量程5 kN，精度0.5%，測試環(huán)境溫度為(20±2)℃。圓弧壓頭為1.35倍試樣半徑。

試驗對象為某典型HMX基PBX炸藥(87HMX/13其他)，試樣為φ20 mm×6 mm的藥片，由同一壓機(jī)在相同工藝條件下壓制而成。真實(shí)地模擬炸藥裝藥中宏觀裂紋缺陷的形狀、數(shù)量和分布等尚不成熟，為此本文在現(xiàn)有炸藥機(jī)加工藝保證的前提下，通過精加工形式預(yù)制了3種不同形式的宏觀裂紋，預(yù)制裂紋缺陷均完全貫穿試樣，其橫截面近似為4 mm×1.5 mm的矩形。3種不同裂紋缺陷的位置分別為：第一種缺陷中心與試樣中心重合，缺陷位于試樣直徑上；第二種缺陷也位于試樣直徑上，但其中心與試樣中心距離5 mm；第三種缺陷垂直于試樣直徑方向，其中心距離試樣中心也為5 mm。

為滿足數(shù)字散斑法跟蹤點(diǎn)的運(yùn)動，通過人工噴漆標(biāo)記斑點(diǎn)的方法制作了散斑場，如圖2(b)所示。試驗采用雙攝像頭進(jìn)行圖像采集，采集時間間隔為0.5 s，利用Correlated Solutions公司的Vic 3D軟件對采集的圖片進(jìn)行處理和分析，通過預(yù)計算和標(biāo)定校正等得到試樣應(yīng)變場圖像。

圖2 圓弧巴西試驗裝置

1.3.2 試驗加載方式

針對加工的預(yù)制缺陷試驗樣品，綜合考慮宏觀缺陷空間位置及其與加載方向夾角等對炸藥裂紋擴(kuò)展過程的影響，設(shè)計了5種典型試驗加載方式。試樣編號及加載方式如圖3所示，包括：預(yù)制缺陷位于加載方向，并考慮了兩種不同空間位置(圖3(b)～圖3(c))；預(yù)制缺陷與加載方向夾角45°，并包含預(yù)制缺陷垂直試樣直徑和位于直徑方向兩種情況(圖3(b)～圖3(c))。同時與傳統(tǒng)巴西試驗密實(shí)樣品試驗結(jié)果進(jìn)行對比(圖3(a))。試驗均為擬靜態(tài)加載，材料試驗機(jī)加載速度v為0.1 mm/min。

2 結(jié)果與分析

試驗加載過程中，利用高速錄像機(jī)記錄試樣表面全場區(qū)域，計算機(jī)同步記錄圖像和荷載，通過相關(guān)數(shù)學(xué)算法計算出試樣從受壓直到裂紋擴(kuò)展、破壞的全過程。不同缺陷條件下，PBX炸藥裂紋擴(kuò)展過程典型時刻變形測試結(jié)果如圖4所示?？梢?，無缺陷PBX炸藥試驗結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報道結(jié)果一致，即主裂紋從樣品中心完整貫穿試樣直徑，同時受加載面應(yīng)力集中的影響，加載面附近產(chǎn)生兩條次裂紋[見4(a)]。不同缺陷條件下炸藥裂紋擴(kuò)展過程差異較大。當(dāng)缺陷位于加載方向(軸向)時，試樣在較短時間內(nèi)即失去承載能力，且主裂紋仍然完整貫穿試樣中心，如圖4(b)～圖4(c)所示。需要說明的是： 2#樣品受力分布基本對稱，缺陷兩端產(chǎn)生的裂紋也一致，這與試樣結(jié)構(gòu)和受力對稱有關(guān)；3#樣品由于軸向受力不對稱，因此與預(yù)制裂紋較近的下加載面應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，除主裂紋以外加載面附近也形成兩條次裂紋，如圖4(c)所示。

圖3 樣品編號及加載方式

當(dāng)預(yù)制缺陷與加載方向存在一定夾角時如圖4(d)～圖4(e)，受預(yù)制缺陷附近應(yīng)力集中的影響，裂紋從缺陷兩端附近開始起裂，且隨著裂紋長度的增加，裂紋逐漸向加載面擴(kuò)展，直至失去承載能力，此時主裂紋未通過樣品中心。分析其原因是，試樣預(yù)制缺陷與加載方向(軸向)的夾角引起炸藥試樣水平、軸向應(yīng)力非對稱，不在滿足經(jīng)典巴西試驗起裂條件。此外，同樣受試樣加載面應(yīng)力集中的影響，主裂紋擴(kuò)展過程中加載端附近試樣逐步被壓潰，同樣形成了次裂紋，如何改善巴西試驗加載面附近試樣的受力特性尚需進(jìn)一步研究。

圖4 擬靜態(tài)壓縮下含不同預(yù)制缺陷PBX炸藥的破壞過程

3 結(jié)論

針對典型HMX基PBX炸藥，通過預(yù)制宏觀裂紋缺陷的方式，試驗研究了不同加載條件下裂紋的擴(kuò)展過程，研究表明：不同缺陷下炸藥裂紋擴(kuò)展過程的差異較大，尤其是預(yù)制缺陷與加載方向存在夾角時，主裂紋從缺陷兩端開始起裂，且不再通過試樣中心。研究結(jié)果可為炸藥裝藥裂紋擴(kuò)展的抑制防護(hù)設(shè)計提供參考。

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(責(zé)任編輯唐定國)

Experimental Study on the Crack Growth of Polymer Bonded Explosives with Prefabricated Defects

CHEN Ke-quana,b, LAN Lin-ganga, LU Zhong-huaa,b, NIE Shao-yuna,b, HU Rong-xia,b

(a.Institute of Chemical Materials; b.Robust Munitions Center,China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

The crack growth of polymer bonded explosives with different prefabricated defects were studied by improved arc Brazilian test and digital speckle correlation method, using HMX based PBX explosive as the object, and the whole strain field and displacement vector plot were obtained. Research shows that the explosive crack propagation process under different defects are quite different, and when the defect is located in axial loading, the main crack complete throughout the center of the specimen, and when the defect is at loading direction when there is an angle between the crack defects, from near the ends to the loading surface, and the main crack is no longer pass the specimen center.

polymer bonded explosive; Brazilian test; digital speckle correlation method; prefabricated defects; crack growth

2016-08-22；

2016-09-30

國家自然科學(xué)基金(11372293)；中物院化材所青年人才培養(yǎng)基金(QNRC-201312)

陳科全(1983—)，男，博士，助理研究員，主要從事安全彈藥與數(shù)值模擬研究。

10.11809/scbgxb2017.01.031

陳科全，藍(lán)林鋼，路中華，等.含預(yù)制缺陷PBX炸藥裂紋擴(kuò)展過程的試驗研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(1):134-136.

format:CHEN Ke-quan, LAN Lin-gang, LU Zhong-hua,et al.Experimental Study on the Crack Growth of Polymer Bonded Explosives with Prefabricated Defects[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):134-136.

TJ55；O34

A