高應(yīng)變率下導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部裝藥動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)及細(xì)觀損傷模式

蔡宣明，張 偉，范志強(qiáng)，高玉波

(1.中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院高速撞擊研究中心，黑龍江 哈爾濱 150080)

導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部裝藥具有高能低感特性，且力學(xué)性能較為穩(wěn)定，極易加工成所需要的結(jié)構(gòu)形式，因此，其在攻擊型武器戰(zhàn)斗部中的應(yīng)用尤為廣泛[1-3]。然而不論在何種武器戰(zhàn)斗部中，戰(zhàn)斗部裝藥為最薄弱部分，尤其在攻擊地下深層目標(biāo)過程當(dāng)中，常因其高過載作用而產(chǎn)生局部“熱點(diǎn)”損傷[4-6]，從而發(fā)生提前起爆現(xiàn)象，大大削減了對(duì)敵對(duì)目標(biāo)的毀傷作用，為解決這一系列連鎖反應(yīng)產(chǎn)生的最初源頭，對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥在高應(yīng)變率加載條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)及其細(xì)觀損傷模式展開研究顯得尤為迫切。

武器戰(zhàn)斗部裝藥在高應(yīng)變率加載條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)及其損傷形式是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)課題，相關(guān)研究學(xué)者對(duì)其研究成果進(jìn)行了報(bào)道。盧芳云等[7]通過對(duì)B炸藥、PBX炸藥和CSP固體推進(jìn)劑3種含能材料在不同高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行了研究，分析了與霍普金森壓桿(SHPB)相接處的試件端面摩擦系數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，并對(duì)其細(xì)觀損傷形式進(jìn)行掃描分析，研究結(jié)果表明，該3種含能材料均具有應(yīng)變率效應(yīng)，而在細(xì)觀損傷方面，其中PBX和CSP兩種含能材料發(fā)生了破碎現(xiàn)象，B炸藥含能材料細(xì)觀損傷主要表現(xiàn)為顆粒分離。韓小平等[8]應(yīng)用自行研制的變溫靜態(tài)壓縮裝置對(duì)單質(zhì)炸藥TNT和Comp.B復(fù)合炸藥在準(zhǔn)靜態(tài)下的力學(xué)行為進(jìn)行了研究，并應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究測(cè)試其壓縮楊氏模量以及強(qiáng)度，討論分析溫度對(duì)其力學(xué)行為的影響，探索SHPB桿件橫向彌散效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，研究結(jié)果表明，在低溫環(huán)境下單質(zhì)炸藥TNT和Comp.B復(fù)合炸藥應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)均較為明顯，而Comp.B復(fù)合炸藥溫度效應(yīng)較TNT更為敏感。FENG Bin等[9]對(duì)AL-PTFE含能材料在低應(yīng)變率下的力學(xué)性能及細(xì)觀損傷形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要考慮在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下的屈服強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度，研究結(jié)果表明，AL-PTFE含能材料表現(xiàn)為脆性特性，顆粒脫粘為主要細(xì)觀損傷形式。綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，研究成果主要報(bào)道含能材料在低應(yīng)變率下的力學(xué)行為以及損傷形式，而對(duì)含能材料在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及細(xì)觀損傷模式，以及兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系機(jī)制的研究亟少。

筆者應(yīng)用改進(jìn)的SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)確保其滿足一維應(yīng)力波和均勻性假設(shè)，實(shí)現(xiàn)常應(yīng)變率加載條件，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，進(jìn)而對(duì)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部裝藥在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探索應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)其動(dòng)力學(xué)行為的影響，并結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)細(xì)觀分析，揭示其細(xì)觀損傷模式及影響機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究中的導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部裝藥主要成分為RDX晶體顆粒、鋁粉以及丁二烯聚合物，其所占相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為40%、24%和36%.該戰(zhàn)斗部裝藥具有高能低感特性，力學(xué)性能較為穩(wěn)定，其由模具澆注而成，密度為1.65 g/cm3.圖1為該戰(zhàn)斗部裝藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)形貌，由圖可知，其端面光滑有光澤，無初始損傷(包含微裂紋和脫粘現(xiàn)象)，RDX晶體顆粒尺寸各有差異，其直徑尺寸主要在50～300 μm之間，不規(guī)則離散分布于聚合物當(dāng)中，呈層狀結(jié)構(gòu)，且與聚合物無縫緊密連接。

1.2 實(shí)驗(yàn)試件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

該戰(zhàn)斗部裝藥為低阻抗材料，其實(shí)驗(yàn)試件為圓柱體形狀，而其長(zhǎng)度及直徑尺寸設(shè)計(jì)將直接影響到實(shí)驗(yàn)有效參數(shù)的獲得。在SHPB動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)力波在長(zhǎng)圓柱體實(shí)驗(yàn)試件傳播過程中大幅衰減，因此，應(yīng)用長(zhǎng)圓柱體試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究不可能準(zhǔn)確獲取其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。初始實(shí)驗(yàn)試件直徑設(shè)計(jì)需以其在SHPB動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)中的最大應(yīng)變量為依據(jù)，假設(shè)其在動(dòng)態(tài)壓縮過程當(dāng)中軸向應(yīng)變?yōu)椴豢蓧嚎s，則其徑向截面將超越SHPB加載桿件截面尺寸，整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究將失去意義。

實(shí)驗(yàn)試件變形過程當(dāng)中，由其不可壓縮性假設(shè)，則其在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中體積恒定，即：

(1)

式中：d0、l0分別為初始試件的直徑和長(zhǎng)度；d1、l1分別為實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中試件的直徑和長(zhǎng)度。

由SHPB動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)可知，試件軸向工程應(yīng)變與其長(zhǎng)度關(guān)系為

(2)

式中,εE為工程應(yīng)變，假設(shè)壓縮時(shí)其值為正。

為確保實(shí)驗(yàn)試件在SHPB動(dòng)態(tài)加載桿件當(dāng)中，其在加載變形過程中所允許的最大直徑為SHPB動(dòng)態(tài)加載桿件直徑，對(duì)于給定的SHPB動(dòng)態(tài)加載桿直徑尺寸以及對(duì)實(shí)驗(yàn)試件最大應(yīng)變的期望值，則實(shí)驗(yàn)試件原始直徑尺寸可通過如下關(guān)系式計(jì)算：

(3)

式中,dbar為SHPB動(dòng)態(tài)加載桿件直徑尺寸。

例如，對(duì)于 20 mm的SHPB加載桿件直徑尺寸，若實(shí)驗(yàn)試件原始尺寸為16 mm，則由式(3)可計(jì)算出其所允許的最大有效軸向應(yīng)變?yōu)?6%.在本實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)中，SHPB動(dòng)態(tài)加載桿件直徑尺寸為φ20 mm，實(shí)驗(yàn)試件尺寸為φ16 mm×4 mm.

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

本研究基于哈爾濱工業(yè)大學(xué)一級(jí)輕氣炮以及改進(jìn)的SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖2為該實(shí)驗(yàn)研究的裝置示意圖，其子彈(φ20 mm×100 mm)、入射桿(φ20 mm×2 000 mm)、透射桿(φ20 mm×2 000 mm)以及緩沖桿(φ20 mm×1 500 mm)材料均為2A12鋁，通過調(diào)整高壓倉(cāng)中的N2氣壓進(jìn)而控制子彈的撞擊速度；應(yīng)用脈沖整形器改變?cè)芯匦稳肷涿}沖，使其變成應(yīng)力峰值增加較為緩慢的正弦脈沖，從而使得實(shí)驗(yàn)試件在初期較小應(yīng)力脈沖作用下其內(nèi)部應(yīng)力已達(dá)到均勻狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)常應(yīng)變率加載條件。采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)自行研制的激光測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)戰(zhàn)斗部裝藥試件在加載過程的應(yīng)變狀態(tài)，高速相機(jī)拍攝整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中試件變形過程。由于該戰(zhàn)斗部裝藥為低阻抗材料，因此實(shí)驗(yàn)中的SHPB動(dòng)態(tài)加載桿件采用與其阻抗匹配較好的2A12鋁，然而該戰(zhàn)斗部裝藥透射信號(hào)仍較為薄弱，故采用信噪比較好的半導(dǎo)體應(yīng)變片采集實(shí)驗(yàn)信號(hào)，經(jīng)由超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變信號(hào)，并由TDS5054B示波器存儲(chǔ)應(yīng)變信號(hào)，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)誤差值約為1%.

SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠較好應(yīng)用于動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試是基于兩個(gè)基本假設(shè)，即應(yīng)力均勻性假設(shè)與一維應(yīng)力波假設(shè)。結(jié)合半導(dǎo)體應(yīng)變片采集到的應(yīng)變信號(hào)，實(shí)驗(yàn)試件的工程應(yīng)力、平均加載應(yīng)變率、工程應(yīng)變以及真實(shí)應(yīng)力可由如下關(guān)系式計(jì)算得到[10]：

(4)

(5)

(6)

σT=σE(1+εE),

(7)

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于改進(jìn)的SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)使得原有應(yīng)力峰值增加較為陡峭的矩形脈沖波形變?yōu)閼?yīng)力峰值增加較為緩慢的正弦脈沖，從而保證實(shí)驗(yàn)試件在SHPB動(dòng)態(tài)加載初期其內(nèi)部應(yīng)力已達(dá)到均勻狀態(tài)，試件兩端應(yīng)力平衡，進(jìn)而使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)試件變形過程均在常應(yīng)變率下進(jìn)行。

圖3為戰(zhàn)斗部裝藥在1 380 s-1平均加載應(yīng)變率作用下的應(yīng)變率與軸向工程應(yīng)變之間的聯(lián)系規(guī)律，由圖可知，實(shí)驗(yàn)試件從開始加載至其軸向工程應(yīng)變?yōu)?.03時(shí)，加載應(yīng)變率已達(dá)到1 350 s-1，之后趨于一個(gè)平臺(tái)值(1 350～1 400 s-1之間)，而該平臺(tái)平均值為1 380 s-1.整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程該試件軸向工程應(yīng)變約為0.27，在加載應(yīng)變率未達(dá)到1 350 s-1時(shí)其應(yīng)變僅為實(shí)驗(yàn)試件工程應(yīng)變的11%，平臺(tái)應(yīng)變占總應(yīng)變的82%，因此，可認(rèn)為該戰(zhàn)斗部裝藥試件變形是在常應(yīng)變率下進(jìn)行。

圖4為戰(zhàn)斗部裝藥在1 380 s-1平均加載應(yīng)變率作用下，實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中試件變形形式在真實(shí)應(yīng)力工程應(yīng)變曲線中相對(duì)應(yīng)的位置，1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的為試件在50 μs加載時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，2、3、4時(shí)刻對(duì)應(yīng)的分別為100、150、200 μs.由圖可知，在SHPB動(dòng)態(tài)加載過程當(dāng)中實(shí)驗(yàn)試件均勻變形，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。

圖5為實(shí)驗(yàn)試件在1 380 s-1加載應(yīng)變率下半導(dǎo)體應(yīng)變片與激光測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變時(shí)間歷時(shí)關(guān)系。由圖5可知，在加載初期應(yīng)變?cè)黾虞^為緩慢，呈下凸趨勢(shì)，與實(shí)驗(yàn)研究中獲得的在加載初期實(shí)驗(yàn)試件內(nèi)部應(yīng)力已達(dá)到均勻狀態(tài)相吻合；激光測(cè)量系統(tǒng)軸向工程應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果與半導(dǎo)體應(yīng)變片采集結(jié)果基本一致，因此，激光測(cè)量系統(tǒng)可用于SHPB(微秒級(jí)別)動(dòng)態(tài)測(cè)試當(dāng)中。

2.2 應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的影響

圖6為戰(zhàn)斗部裝藥試件在不同高應(yīng)變率下的軸向工程應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)力曲線。

由圖6可知，該戰(zhàn)斗部裝藥在不同高應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈高度非線性關(guān)系，具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。當(dāng)軸向工程應(yīng)變超越0.05時(shí)，應(yīng)變率效應(yīng)顯著增強(qiáng)；當(dāng)加載應(yīng)變率在470～1 380 s-1區(qū)間時(shí)，戰(zhàn)斗部裝藥呈上凸趨勢(shì)，應(yīng)變硬化效應(yīng)逐漸減弱，主要原因?yàn)槌霈F(xiàn)軟化現(xiàn)象，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生與SHPB實(shí)驗(yàn)中的絕熱溫升效應(yīng)緊密相連，溫度上升，致使戰(zhàn)斗部裝藥模量等相關(guān)力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致其表現(xiàn)出材料軟化現(xiàn)象；戰(zhàn)斗部裝藥在1 380～2 300 s-1加載區(qū)間段時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變硬化效應(yīng)顯著增強(qiáng)，由上凸形式變?yōu)榫€性硬化。

2.3 高應(yīng)變率與戰(zhàn)斗部裝藥細(xì)觀損傷的內(nèi)在關(guān)聯(lián)

戰(zhàn)斗部裝藥不具備導(dǎo)電性能，因此，對(duì)其進(jìn)行SEM細(xì)觀分析之前需完成前期處理工作，將實(shí)驗(yàn)后的試件端面進(jìn)行打磨和噴金工作，并采用SEM對(duì)其損傷形貌進(jìn)行細(xì)觀分析。

在高應(yīng)變率加載條件下產(chǎn)生應(yīng)力波，從回收到的實(shí)驗(yàn)試件細(xì)觀掃描分析可知，在470 s-1加載應(yīng)變率作用下，無顯著細(xì)觀損傷特征；當(dāng)加載應(yīng)變率在860 s-1和1 380 s-1時(shí)，應(yīng)力波能量顯著增加，充足的沖擊波能量迫使戰(zhàn)斗部裝藥產(chǎn)生細(xì)觀損傷特征，由SEM分析可知，在該加載應(yīng)變率作用下其出現(xiàn)一種較為顯著的細(xì)觀損傷形式，即戰(zhàn)斗部裝藥晶體顆粒表面與粘結(jié)劑剪切脫粘，如圖7所示，表明剪切脫落在較小應(yīng)力脈沖作用下已開始發(fā)生，其與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道中[11]出現(xiàn)的晶體顆粒表面與粘結(jié)劑之間剪切脫粘強(qiáng)度在0.3～0.6 MPa之間基本吻合。

當(dāng)加載應(yīng)變率在1 900 s-1和2 300 s-1時(shí)，急劇沖擊波能量迫使戰(zhàn)斗部裝藥晶體顆粒表面產(chǎn)生細(xì)觀損傷裂紋，充足的沖擊波能量進(jìn)一步加劇細(xì)觀損傷裂紋擴(kuò)展，使其沿應(yīng)力集中薄弱路徑不斷傳播，在傳播過程當(dāng)中又出現(xiàn)新的損傷微裂紋，新裂紋又以同樣方式擴(kuò)展和傳播，錯(cuò)綜復(fù)雜，進(jìn)而出現(xiàn)晶體顆粒破碎現(xiàn)象，如圖8所示。

3 結(jié)論

1)改進(jìn)的SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)滿足一維應(yīng)力波和均勻性假設(shè)，確保戰(zhàn)斗部裝藥實(shí)驗(yàn)試件在常應(yīng)變率加載條件下進(jìn)行，保證了SHPB動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。激光測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的試件軸向應(yīng)變與半導(dǎo)體應(yīng)變片采集結(jié)果基本吻合，表明其可較好應(yīng)用于微秒級(jí)動(dòng)態(tài)測(cè)試當(dāng)中。

2)當(dāng)軸向工程應(yīng)變超越0.05時(shí)，該戰(zhàn)斗部裝藥應(yīng)變率效應(yīng)顯著增強(qiáng)，具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，當(dāng)加載應(yīng)變率在470～1 380 s-1區(qū)間時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變硬化效應(yīng)明顯，呈上凸趨勢(shì)；當(dāng)加載應(yīng)變率在1 380～2 300 s-1區(qū)間時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變硬化效應(yīng)顯著增強(qiáng)，由上凸形式變?yōu)榫€性硬化。

3)由SEM細(xì)觀分析可知，在860～1 380 s-1加載應(yīng)變率下，戰(zhàn)斗部裝藥細(xì)觀損傷主要形式為顆粒表面與粘結(jié)劑剪切脫粘；當(dāng)加載應(yīng)變率在1380～2 300 s-1區(qū)間時(shí)，充足的沖擊波能量迫使晶體顆粒發(fā)生斷裂破壞，并不斷向應(yīng)力集中薄弱路徑傳播，裂紋擴(kuò)展過程又產(chǎn)生新的損傷裂紋，以同樣方式傳播，錯(cuò)綜復(fù)雜，進(jìn)而使晶體顆粒產(chǎn)生破碎。