含預制缺陷PBX炸藥的力學性能及破壞形式

陳科全，藍林鋼，路中華，胡榕希

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

安全彈藥研發中心，四川綿陽621900)

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含預制缺陷PBX炸藥的力學性能及破壞形式

陳科全1,2，藍林鋼1，路中華1,2，胡榕希1,2

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

安全彈藥研發中心，四川綿陽621900)

摘要：為探索裂紋缺陷對炸藥力學性能和破壞形式的影響，以壓裝HMX基PBX炸藥為對象，采用改進后的圓弧巴西試驗，研究了不同預制缺陷條件下炸藥的破壞過程，并與無缺陷炸藥的試驗結果進行對比。結果表明，在所研究的范圍內，壓裝PBX炸藥的力學強度隨缺陷的空間位置變化顯著，最高降幅達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，炸藥存在二次承載的現象，且裂紋從缺陷端部向炸藥加載面擴展。

關鍵詞：材料科學；PBX炸藥；巴西試驗；拉伸強度；預制缺陷；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、結晶和合成工藝技術的限制，裝藥中不可避免地存在孔穴、氣泡等初始缺陷，在加工、運輸和貯存等過程中受到力熱荷載作用時，可能萌生宏觀裂紋缺陷，這不僅導致炸藥中的“熱點”增加、感度升高，還會影響爆轟反應特性，繼而對其安全性評估產生影響。因此，開展含宏觀缺陷炸藥力學性能和破壞形式的研究，可為武器裝藥安全性數值分析提供基礎試驗數據，是炸藥安全性研究的重要內容之一。

巴西試驗已廣泛用于炸藥力學性能及損傷機理的研究[1-3]。Johnson[4-5]最早利用巴西試驗研究了炸藥的拉伸強度和應變等，并與直接拉伸試驗結果進行對比，建立了兩種試驗結果的相關性。Palmer等[6]采用巴西試驗分析了PBX炸藥材料組分對其力學性能及損傷特性的影響。國內宋華杰[7]、陳鵬萬[8]、龐海燕[9]等采用巴西試驗評價了典型PBX炸藥的拉伸性能。近年來，為提高巴西試驗與直接拉伸試驗的相關性，Cheng Liu[10]、龐海燕[9，11]、溫茂萍[12]等對傳統巴西試驗裝置進行了改進研究，發展了圓弧壓頭巴西試驗和橡膠墊巴西試驗，研究結果表明，當試樣半徑與圓弧壓頭半徑之比為1∶1.35時，PBX炸藥巴西試驗與直接拉伸試驗結果吻合較好。

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

1實驗

1.1試驗裝置

改進后的圓弧巴西試驗裝置如圖1所示。采用差動變壓器式引伸計(LVDT)測試試樣徑向變形，量程0.5mm，精度0.5%。豎向加載設備為INSTRAN 5582材料試驗機，量程5kN，精度0.5%，測試環境溫度(20±2)℃。根據文獻[12]研究結果，圓弧壓頭采用1.35倍試樣半徑。

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

1.2試樣及加載方式

試驗對象為某典型壓裝PBX炸藥，配方(質量分數)為：HMX87%，TATB7%，其他6%。用同一壓機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量、形式和分布等千差萬別，要真實地研究相關裂紋對炸藥力學性能和破壞形式的影響，從試樣制備、裂紋表征和試驗觀測等方面難度均較大。本實驗在現有炸藥機加工藝保證的前提下，通過精加工預制了4種不同形式的貫穿缺陷(圖2(b)～(e)所示)，并與密實樣品進行對比，以研究宏觀缺陷空間位置以及與加載方向夾角對PBX炸藥力學性能等的影響。其中，預制缺陷大小一致，試驗為準靜態加載，加載速度均為0.1mm/min。

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

2結果與分析

2.1缺陷對壓裝PBX炸藥拉伸強度的影響

試驗測得壓裝PBX炸藥的位移—應力曲線(L-σ)如圖3所示，主要力學性能測試結果如表1所示。

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

樣品編號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為拉伸強度；εm為最大應變。

由圖3中無缺陷PBX炸藥(樣品1)的位移—應力曲線可以發現，其應力開始時近似線彈性增長，達到最大值pmax時樣品中心開始起裂，之后沿加載方向迅速穩定擴展，直至形成貫通裂紋、樣品失去承載能力為止，其變化趨勢與文獻[11，13]等報道基本一致，滿足巴西試驗要求。

對比圖3及表1中不同缺陷下的測試結果發現，PBX炸藥的拉伸強度不僅與缺陷空間位置相關，受缺陷和加載方向夾角的影響更加明顯。當預制缺陷位于加載軸向時，拉伸強度測試結果相對無缺陷(樣品1)測試值的最高降幅達75.3%，這與樣品加載時軸向間接受拉應力有關。預制缺陷與加載方向存在夾角時，位移—應力試驗測試結果表明，樣品存在二次承載的情況，即炸藥應力開始時近似線彈性增長，達到彈性極限時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的過程，而且正是炸藥的局部破壞引起應變測試結果顯著增加。

2.2不同缺陷下壓裝PBX炸藥的破壞形式

準靜態壓縮下，不同缺陷PBX炸藥的破壞形式如圖4所示。

圖4　準靜態壓縮下含不同預制缺陷PBX炸藥的破壞形式對比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，滿足巴西試驗中心起裂的條件，但受圓弧加載面末端應力集中的影響，樣品產生兩條次裂紋，如圖4(a)所示。

當缺陷位于加載軸向時，樣品仍產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的對稱性，產生的裂紋基本一致，且受樣品強度降低的影響，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；對樣品3，雖然其在較短時間內也失去了承載能力，但缺陷的存在引起豎向受力不對稱，導致樣品下加載面的應力集中更加顯著，因此除主裂紋以外，同時產生兩條次裂紋，如圖4(c)。

當裂紋缺陷與樣品加載方向存在一定夾角時(圖4(d)～(e))，主裂紋不再通過炸藥中心。究其原因是，相關裂紋的存在引起樣品豎向、水平應力均不對稱，不再滿足傳統巴西試驗的起裂條件，同時試驗中發現，裂紋從缺陷端部開始起裂，這與缺陷附近應力集中有關，隨著裂紋長度的增加，樣品圓弧加載面附近的應力集中效應加劇，導致裂紋逐漸向加載面擴展，直至失去承載能力。

3結論

(1)不同缺陷下壓裝PBX炸藥的拉伸強度均降低，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象。

(3)不同缺陷下壓裝PBX炸藥的破壞形式存在差異，當缺陷位于加載軸向時，主裂紋通過炸藥中心，當缺陷與加載軸向存在夾角時，從缺陷附近開始起裂，并迅速向加載面擴展，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，從事彈藥工程與數值模擬研究。

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

基金項目:中物院青年人才培養基金(QNRC-201312);中物院學科發展基金(2012B0201019)

收稿日期:2015-07-13；修回日期:2015-09-12

中圖分類號：TJ55; O34

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)05-0051-03

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.05.010