傳爆藥靜態壓縮力學性能及損傷特性研究*

肖向東，肖有才，洪志雄，熊言義，趙慧平，王澤宇，王志軍

（1. 中北大學機電工程學院，山西 太原 030051；2. 中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

含能材料的力學性能及損傷機理研究是武器戰斗部安全評估的一個重要環節。JH-14C 作為引信傳爆序列中的一種傳統裝藥，在運輸、貯存等過程中會因意外刺激而產生損傷。這些損傷將成為潛在的熱點，影響引信傳感序列安全性，因此，其力學性能及損傷機理研究對引信傳爆序列安全評估具有重要意義。

目前，對鈍感裝藥靜態、動態力學性能已開展了大量研究工作。鄧瓊等利用Hopkinson 壓桿實驗裝置，對含能材料力學行為相關問題進行了研究，給出了沖擊片雷管的動態力學響應特性。Rae 等利用改進的光學顯微鏡，對PBX9501 進行準靜態壓縮實驗，并對回收試樣進行了細觀形貌觀測，發現在準靜態壓縮下，PBX9501 主要有黏結劑與含能顆粒脫黏，同時伴隨含能顆粒原始微裂紋開裂。Heider 等利用準靜態和SHPB 壓縮實驗，研究了PBX KS32 的力學行為，給出了一種確定材料黏彈性松弛函數的方法，并運用該方法構造了描述PBX KS32 動態力學性能的本構關系。Dinens 等給出了包括裂紋開裂、剪切、擴張和聚合的統計裂紋力學模型，基于此，Bennett 等建立了黏彈性統計微裂紋損傷模型。

JH-14C 是戰斗部常用傳爆藥，對JH-14C 的物理化學性質和爆炸特性已有了詳細研究，但對其力學性能尤其在不同加載條件下的力學性能的報道不多。張子敏等采用分離式Hopkinson 壓桿，對JH-14C 傳爆藥在不同沖擊載荷下的動態力學性能進行了研究，并利用掃描電鏡（SEM）對回收試樣的細觀形貌進行了觀察，發現JH-14C 呈現明顯的應變率效應，在外界載荷下JH-14C 的主要損傷模式為黏結劑與含能顆粒的脫黏，但研究僅針對動態載荷，并沒有涉及靜態載荷下JH-14C 傳爆藥的力學性能。

本文中，研究JH-14C 傳爆藥準靜態力學性能及損傷特性：利用靜態壓縮實驗，獲得不同應變率下的應力-應變曲線；采用修正的Ramberg-Osgood 關系，描述JH-14C 在低應變率下的力學行為；結合掃描電子顯微鏡，研究JH-14C 靜態壓縮損傷模式。

1 實 驗

1.1 材料

JH-14C 試樣由西安近代化學研究所提供，密度約為1.70 g/cm，其成分RDX、黏結劑和石墨的質量分數分別為96.5%、3.0%和0.5%。圖1 為JH-14C 的細觀形貌，可見其內部含能顆粒端面清晰不規則散布于聚合物黏結劑中，直徑主要在50～200 μm。

圖1 JH-14C 的細觀形貌Fig. 1 Micrographs of JH-14C

1.2 單軸準靜態壓縮實驗

采用配備環境箱的INSTRON 試驗機進行單軸準靜態壓縮實驗，根據GJB 770B–2005《火藥試驗方法》，設計JH-14C 試樣尺寸為 ? 12.5 mm×12.5 mm。在室溫（25 ℃）下，共進行5 次實驗，壓縮速率分別為0.012 5、 0.062 5、0.125、0.625 和1.25 mm/s，應變率分別為 0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 s。

1.3 準靜態壓縮力學性能

圖2 為JH-14C 傳爆藥在應變率0.01 s下的變形過程，其中點、、、對應不同時刻試件的壓縮應力-應變狀態。在準靜態壓縮實驗中，JH-14C 傳爆藥試件變形過程呈均勻變化，隨著壓縮應變增大，試件表面裂紋逐漸增多：當到達點（7 s）后應力開始減小，這是因試件產生宏觀裂紋，導致承載能力降低；當到達點（11 s）后，JH-14C 傳爆藥發生明顯斷裂，表面裂紋貫穿上下表面，試件破壞。

圖2 應力-應變關系和試件變形過程Fig. 2 Stress-strain relationship and the corresponding specimen deformation process

圖3 為準靜態壓縮實驗時JH-14C、X0242（HMX、Estane 和BDNPA/F 的質量分數分別為92%、4%和4%）和PBX9501（HMX、Estane和BDNPA/F 的質量分數為95.0%、2.5% 和2.5%）的應力-應變曲線。可見：（1）PBX9501、JH-14C 和X0242 的壓縮強度都隨著應變率升高而提高，3 種材料均符合材料應變率效應規律；（2）PBX9501 的準靜態壓縮強度顯著高于JH-14C和X0242 的，主要原因為PBX9501 的含能顆粒含量高于JH-14C 和X0242 的，通過對比JH-14 與PBX9501 的細觀掃描結果，發現PBX9501細觀結構致密，因此細觀結構對含能材料強度具有重要影響；（3）準靜態實驗中，相同壓縮強度下PBX9501 的應變比JH-14C 和X0242 的小，這是因內部黏結劑含量及細觀結構差異導致，雖然3 種材料都是脆性材料，但是PBX9501 強度更高、脆性效應更明顯。以上分析，可為鈍感炸藥配方設計、裝藥等提供參考。

圖3 不同應變率下JH-14C、PBX9501[14]、X0242[13]的準靜態應力-應變曲線Fig. 3 Quasi-static stress-strain curves of JH-14C,PBX9501[14], X0242[13] at different strain rates

2 理論模型與計算

2.1 Ramberg-Osgood 本構關系

2.2 模型驗證

通過最小二乘法擬合得到修正的Ramberg-Osgood 本構關系：

式中：σ 的單位為MPa，ε ˙的單位為s。

表1 模型擬合結果的相關系數Table 1 Correlation coefficients of the model fitting results

圖4 理論與實驗的準靜態壓縮應力-應變曲線比較Fig. 4 Comparisons between theory and experiment quasi-static stress-strain curves

3 JH-14C 靜態壓縮的損傷特性

圖5 為JH-14C 傳爆藥與PBX9501加載前的細觀形貌，、、、為炸藥中的含能顆粒。可見：JH-14C 與PBX9501 細觀結構相似：（1）內部都存在大量的孔洞及微裂紋等缺陷，含能顆粒呈現菱角形狀，且在大顆粒周圍環繞著許多體積較小的含能晶體；（2）含能顆粒上都存在大量微裂紋；（3）部分含能顆粒相互接觸，但他們間并不存在黏結劑。

圖5 試樣加載前細觀形貌Fig. 5 Micrographs of the specimens before loading

圖6 為PBX9501 細觀形貌，準靜態壓縮中PBX9501 的主要損傷模式為含能顆粒與黏結劑脫黏，同時伴隨著穿晶斷裂。

圖6 PBX9501 的細觀形貌[4]Fig. 6 Micrographs of PBX9501[4]

圖7 為JH-14C 在準靜態壓縮實驗中的細觀形貌。當=3 s 時，應力約為1.8 MPa，JH-14C 傳爆藥內部形成了很多微裂紋，這種應力狀態下JH-14C 的主要損傷機制為黏結劑的脫黏。當=7 s 時，應力約為3.4 MPa，此時不僅有黏結劑脫黏形成的微裂紋（紅色虛線），同時內部還形成了新的裂紋擴展路徑。即原本存在于含能顆粒上的裂紋（黃色虛線），因外力導致含能顆粒裂紋附近應力集中形成微裂紋區，這些微裂紋與黏結劑脫黏形成的微裂紋經過匯聚、貫通等而形成宏觀裂縫，最終導致JH-14C 發生斷裂。通過對比JH-14C 和PBX9501 細觀損傷形貌，發現兩者類似：在外力作用下，首先產生脫濕，其次發生穿晶斷裂，最后失效破壞。

圖7 JH-14C 試樣加載時的細觀形貌Fig. 7 Micrographs of the JH-14C specimen at loading moments

圖8 為JH-14C 在壓縮實驗后試樣徑向截面的細觀形貌。由于石墨含量低，且分布不均勻，在制作過程中JH-14C 內部含能顆粒形成團簇，圖中白色位置無石墨。在壓縮作用下，團簇體與整體界面處為主要損傷產生位置。

圖8 JH-14C 試樣的徑向截面細觀形貌Fig. 8 Micrographs of the radial cross-section of the JH-14C specimen

圖9 為JH-14C 試樣準靜態壓縮實驗后的宏觀斷裂形貌。在試樣表面裂紋的擴展方向與徑向軸線方向成60°，試樣斷裂角度幾乎相同，這表明JH-14C 具有較好的內部結構。通常，采用與庫侖相關的破壞模式準則，假設JH-14C 摩擦角為30°，滿足庫侖準則的莫爾應力圈有兩條對稱的直線作為其包絡線，則運用上述準則計算得到破壞角為60°，這與實驗現象一致。

圖9 JH-14C 宏觀斷裂形貌Fig. 9 Macroscopic longitudinal fracture surface of JH-14C

4 結 論

（1）開展了準靜態壓縮實驗，獲取了JH-14C 的強度、失效應變和應變率效應。

（2）修正了Ramberg-Osgood 本構模型，對照實驗結果驗證了模型的有效性。

（3）準靜態壓縮下，JH-14C 的主要損傷模式為黏結劑脫黏，并伴隨穿晶斷裂，JH-14C 的裂紋拓展方向與徑向軸線成60°。