TATB基PBX的單軸主特征破壞參數(shù)識別研究

唐 維, 顏熹琳, 李 明, 溫茂萍, 劉 彤, 章定國

(1. 南京理工大學理學院， 江蘇 南京 210094; 2. 中國工程物理研究院化工材料研究所， 四川 綿陽 621900; 3. 西南科技大學, 四川 綿陽 621010; 4. 中國工程物理研究院研究生部， 四川 綿陽 621999)

1 引 言

炸藥材料除了是能量材料外，使用過程中還需作為結(jié)構(gòu)材料承受裝配、服役環(huán)境變化等產(chǎn)生的力學載荷。美國Los Alamos的研究[1]表明炸藥構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性，不僅關(guān)乎武器系統(tǒng)的戰(zhàn)場表現(xiàn)，對于服役過程的安全性也至關(guān)重要。高聚物粘結(jié)炸藥(Polymer Bonded Explosive， PBX)模量低(不超過12 GPa)，強度低[2](單軸拉伸強度不超過8 MPa)，常溫下便可體現(xiàn)出明顯的粘彈性[3-4]，載荷作用下存在直接破壞/蠕變破壞[5-6]等風險。龐海燕等[7-8]對比分析了某PBX直接拉伸破壞和巴西圓盤間接拉伸破壞的異同，并獲取了基于應(yīng)力描述的強度數(shù)據(jù)；涂小珍等[9]在20～70 ℃的較寬溫度范圍內(nèi)研究了TATB基PBX的拉伸/壓縮破壞應(yīng)力等力學性能；林聰妹等[10]則對TATB基PBX拉伸/壓縮/三點彎曲時的蠕變及破壞進行了研究。上述研究中均采用破壞應(yīng)力作為主特征破壞參數(shù)，實際上目前的研究工作在論及破壞時幾乎都慣性地采用破壞應(yīng)力(強度)，而沒有系統(tǒng)討論過破壞應(yīng)變作為主特征參數(shù)的適應(yīng)性；現(xiàn)已知PBX炸藥的破壞應(yīng)力與載荷作用時間及環(huán)境溫度密切相關(guān)，如文獻[9]中描述的TATB基PBX的單軸壓縮破壞即可描述為20 ℃時的27.61 MPa(達到即破壞)、55 ℃時的17.56 MPa(達到即破壞)以及65 ℃時的13.57 MPa(達到即破壞)，又可描述為60 ℃時的12 MPa(作用約10 min)，還可描述為70 ℃時的10 MPa(作用約12 min)，因此嚴格意義上講，采用破壞應(yīng)力描述炸藥材料的破壞，需同時給出載荷作用時間和環(huán)境溫度。破壞應(yīng)變作為主特征參數(shù)，或許可以忽略環(huán)境溫度、初始應(yīng)力水平等載荷歷程因素而只看結(jié)果，認為當達到臨界應(yīng)變材料即破壞；同時在實驗力學領(lǐng)域應(yīng)力屬于不可直接測試量，往往需通過應(yīng)變測試來間接獲得。本研究通過設(shè)計開展不同溫度下的單軸拉伸/壓縮直接破壞、不同初始應(yīng)力水平的蠕變后破壞試驗，研究環(huán)境溫度、蠕變初始應(yīng)力水平對破壞參數(shù)的具體影響，識別破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變各自作為破壞主特征參數(shù)的優(yōu)劣，為后期建立PBX強度準則和評估結(jié)構(gòu)強度奠定基礎(chǔ)。

2 試 驗

2.1 試驗原料與儀器

研究對象為某TATB基PBX炸藥，試驗在Instron5582型材料試驗機上進行，試驗分為單軸拉伸和單軸壓縮兩大類別，拉伸試樣為直徑15 mm長度65 mm的啞鈴，壓縮試樣為Φ20 mm×20 mm的圓柱，樣品滿足GJB772A-1997要求。

2.2 試驗方法

考慮20、35 ℃和50 ℃三個溫度點，分別開展直接破壞試驗和蠕變后破壞試驗，共計拉伸試驗36發(fā)，壓縮試驗36發(fā)，試驗方法滿足GJB772A-1997要求。首先開展各溫度下的直接破壞試驗，然后依據(jù)獲得的破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變設(shè)計蠕變后破壞試驗的初始應(yīng)力水平，其中拉伸蠕變試驗按30%、50%和70%的直接破壞應(yīng)力，壓縮蠕變試驗按40%、60%和80%的直接破壞應(yīng)力，結(jié)合直接破壞數(shù)據(jù)，蠕變后破壞的試驗方案如表1，試驗過程為先加載至預(yù)設(shè)初始應(yīng)力，然后保持應(yīng)力不變使樣品蠕變2 h，最后加載直至樣品破壞，試驗時的載荷-時間示意曲線如圖1所示。

圖1蠕變后破壞試驗的載荷-時間曲線示意

Fig.1Load-time curve of failure tests after creep

表1蠕變后破壞試驗方案

Table1Plan of failure tests after creep

temperature/℃creeptime/mintensionstress/MPacompressionstress/MPa201203．50-11．00201205．25-16．50201207．00-22．00351202．39-8．94351203．98-13．41351205．56-17．88501202．03-7．03501203．39-10．55501204．75-14．06

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗結(jié)果

表2為20、35 ℃和50 ℃時的直接破壞應(yīng)力和直接破壞應(yīng)變，包括單軸拉伸和單軸壓縮兩個加載方式。依據(jù)上述直接破壞數(shù)據(jù)，按30%、50%和70%破壞應(yīng)力的梯度設(shè)計了不同初始應(yīng)力水平的拉伸蠕變后破壞試驗，九種工況下的破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變?nèi)绫?所示；同理，按40%、60%和80%破壞應(yīng)力的梯度設(shè)計了不同初始應(yīng)力水平的單軸壓縮蠕變后破壞試驗，表4是獲得的蠕變后破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變，表中星號數(shù)據(jù)代表試樣在蠕變過程中破壞。

3.2 分析討論

圖2圖3是不同載荷歷程下的單軸拉伸破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變的比較情況，由圖可知： 不論是直接破壞，還是蠕變后破壞，破壞應(yīng)力隨環(huán)境溫度的升高均體現(xiàn)出下降趨勢(圖2中同組數(shù)據(jù)比較)，破壞應(yīng)變隨環(huán)境溫度的升高則逐漸增大(圖3中同組數(shù)據(jù)比較)； 在相同的環(huán)境溫度下，初始應(yīng)力水平的增加，會導致破壞應(yīng)力的逐漸降低(圖2中同色數(shù)據(jù)比較)和破壞應(yīng)變的逐漸增大(圖3中同色數(shù)據(jù)比較)，且直接破壞應(yīng)變可作為該溫度點的臨界破壞應(yīng)變。

表2不同溫度下單軸直接破壞的應(yīng)力與應(yīng)變

Table2Failure stresses and failure strains of direct failure tests at different temperature

specimenNo．temperature/℃uniaxialtensionfailurestress/MPauniaxialtensionfailurestrain/%uniaxialcompressionfailurestress/MPauniaxialcompressionfailurestrain/%1#208．8460．1305-27．635-1．44492#208．8060．1347-27．717-1．37483#208．5400．1339-27．396-1．4423average-8．7310．1330-27．583-1．42061#358．0440．1464-22．110-1．40542#357．7340．1436-22．403-1．43133#358．0860．1454-22．550-1．4110average-7．9550．1452-22．354-1．41591#506．8120．1586-17．558-1．18032#506．7100．1794-17．698-1．16413#506．8110．1645-17．493-1．1749average-6．7780．1675-17．583-1．1731

表3單軸拉伸蠕變后破壞的破壞應(yīng)力與破壞應(yīng)變

Table3Stresses and strains of uniaxial tension failure tests after creep

specimenNo．temperature/℃initialstress/MPafailurestress/MPafailurestrain/%initialstress/MPafailurestress/MPafailurestrain/%initialstress/MPafailurestress/MPafailurestrain/%1#203．508．6960．13115．258．5240．13887．008．5240．14232#203．508．9330．14535．258．2390．12807．008．6770．14513#203．508．4790．12965．258．7870．15187．008．2780．1395average--8．7030．1353-8．5170．1395-8．4930．14231#352．397．7040．14493．987．6850．15915．567．4250．15922#352．398．0510．15983．987．7290．14785．567．4930．14313#352．397．6860．13913．987．8420．15935．567．9400．1705average--7．8130．1479-7．7520．1554-7．6190．15761#502．036．2240．16643．396．7510．16584．756．3020．16872#502．036．7600．17553．396．3250．17324．756．4740．17543#502．036．7660．17083．396．4730．17564．756．6790．1838average--6．5830．1709-6．5170．1715-6．4850．1760

表4單軸壓縮蠕變后破壞的破壞應(yīng)力與破壞應(yīng)變

Table4Stresses and strains of uniaxial compression failure tests after creep

specimenNo．temperature/℃initialstress/MPafailurestress/MPafailurestrain/%initialstress/MPafailurestress/MPafailurestrain/%initialstress/MPafailurestress/MPafailurestrain/%1#20-11．00-27．405-1．4179-16．50-27．655-1．4804-22．00-26．900-1．51862#20-11．00-27．778-1．4493-16．50-27．420-1．5002-22．00-26．820-1．53323#20-11．00-27．513-1．4761-16．50-27．314-1．4883-22．00-26．675-1．4954average---27．565-1．4477--27．463-1．4896--26．798-1．51571#35-8．94-22．207-1．4432-13．41-22．375-1．5311-17．88?-17．881-1．50932#35-8．94-22．058-1．4309-13．41-21．921-1．4309-17．88?-17．887-1．51553#35-8．94-22．600-1．4415-13．41-22．224-1．4629-17．88?-17．882-1．4978average---22．288-1．4385--22．173-1．4750--17．883-1．50751#50-7．03-17．556-1．1741-10．55-17．581-1．2330-14．06?-14．062-1．19432#50-7．03-17．418-1．1810-10．55-16．568-1．1880-14．06?-14．065-1．23433#50-7．03-17．277-1．1945-10．55-17．566-1．1781-14．06?-14．061-1．2479average---17．417-1．1832--17．238-1．1997--14．063-1．2255

圖2不同載荷歷程的單軸拉伸破壞應(yīng)力比較

Fig.2Comparison of uniaxial tension failure stresses under different loading histories

圖3不同載荷歷程的單軸拉伸破壞應(yīng)變比較

Fig.3Comparison of uniaxial tension failure strains under different loading histories

具體來講，20 ℃的直接破壞應(yīng)力為8.731 MPa，不同初始應(yīng)力水平的蠕變后破壞應(yīng)力分別為8.703 MPa、8.517 MPa和8.493 MPa，最大降幅2.73%； 35 ℃的直接破壞應(yīng)力為7.955 MPa，對應(yīng)蠕變后的破壞應(yīng)力為7.813 MPa、7.752 MPa和7.619 MPa，最大降幅4.22%； 50 ℃的直接破壞應(yīng)力為6.778 MPa，對應(yīng)的蠕變后破壞應(yīng)力為6.583 MPa、6.517 MPa和6.485 MPa，最大降幅4.32%，降幅隨環(huán)境溫度升高逐漸增大。

與破壞應(yīng)力的變化規(guī)律相反，20 ℃的直接破壞應(yīng)變?yōu)?.1330%，不同初始應(yīng)力水平的蠕變后破壞應(yīng)變分別為0.1353%、0.1395%和0.1423%，最大升幅6.99%； 35 ℃的直接破壞應(yīng)變?yōu)?.1452%，對應(yīng)蠕變后的破壞應(yīng)變?yōu)?.1479%、0.1554%和0.1576%，最大升幅6.56%； 50 ℃的直接破壞應(yīng)變?yōu)?.1675%，對應(yīng)的蠕變后破壞應(yīng)力為0.1709%、0.1715%和0.1760%，最大升幅5.07%，升幅隨環(huán)境溫度升高逐漸減小。

圖4不同載荷歷程的單軸壓縮破壞應(yīng)力比較

Fig.4Comparison of uniaxial compression failure stresses under different loading histories

上述是對拉伸破壞數(shù)據(jù)的分析，壓縮破壞應(yīng)力方面，不論是直接破壞還是蠕變后破壞，破壞應(yīng)力隨環(huán)境溫度的升高數(shù)值降低(圖4中同組數(shù)據(jù)比較，負號表示壓縮，討論僅針對數(shù)值)。具體體現(xiàn)為： 直接破壞的壓縮破壞應(yīng)力由20 ℃的27.583 MPa下降到50 ℃的17.583 MPa，最大降幅36.3%； 40%梯度初始應(yīng)力水平的蠕變后破壞應(yīng)力從27.565 MPa下降到17.417 MPa，最大降幅36.8%，60%和80%梯度初始應(yīng)力水平的蠕變后破壞應(yīng)力的最大降幅分別為37.2%和47.5%。相同的環(huán)境溫度下，隨著初始應(yīng)力水平的增加，破壞應(yīng)力數(shù)值也逐漸下降(圖4中同色數(shù)據(jù)比較)。

壓縮破壞應(yīng)變方面，不論直接破壞還是蠕變后破壞，35 ℃與20 ℃的數(shù)據(jù)基本相當，略有下降，50 ℃的破壞應(yīng)變遠低于20 ℃的數(shù)據(jù)，直接破壞的降幅為17.4%，40%、60%和80%梯度初始應(yīng)力水平的數(shù)據(jù)降幅分別為18.3%、19.5%和19.1%(圖5同組數(shù)據(jù)比較)，分析認為粘結(jié)劑熱物理性能隨溫度的變化是造成50 ℃時破壞應(yīng)變明顯下降的主要原因，本研究中PBX粘結(jié)劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為53.2 ℃[11]，試驗溫度接近該溫度。相同的環(huán)境溫度下，破壞應(yīng)變隨著蠕變時初始應(yīng)力的增加逐漸增大(圖5同色數(shù)據(jù)比較)，直接破壞時的應(yīng)變可作為該溫度的臨界破壞應(yīng)變。

圖5不同載荷歷程的單軸壓縮破壞應(yīng)變比較

Fig.5Comparison of uniaxial compression failure strains under different loading histories

綜上，在20～50 ℃的試驗溫度范圍內(nèi)，不論是拉伸還是壓縮，隨環(huán)境溫度和初始應(yīng)力水平的變化，破壞應(yīng)力的變化幅度遠大于破壞應(yīng)變，試驗獲得了相同溫度下破壞應(yīng)力最大20%的降幅(35 ℃下17.88 MPa的蠕變破壞較之于直接破壞)，不同溫度下破壞應(yīng)力的最大降幅為47.5%(50 ℃下14.06 MPa的蠕變破壞較之于20 ℃下22 MPa的蠕變后破壞)，而此時的破壞應(yīng)變變化幅度為6.47%和19.1%； 從變化的方向來看，破壞應(yīng)力隨初始應(yīng)力水平的升高和加載時間的累積而逐漸降低，破壞應(yīng)變則逐漸增大，這導致了相同溫度下破壞應(yīng)力沒有臨界值可供選擇，而可選擇直接破壞應(yīng)變作為判斷破壞的臨界值([ε])，不論該應(yīng)變是載荷直接引起的(εload)還是時溫誘發(fā)蠕變引起的(εcreep)，如式(1)式(2)所示。

[ε]=εload+εcreep

(1)

εcreep=f(T,t,σ0)

(2)

較之于破壞應(yīng)力，采用破壞應(yīng)變作為主特征破壞參數(shù)的最大優(yōu)勢在于不僅可以考慮載荷的直接影響，還可以考慮時溫誘導蠕變產(chǎn)生的應(yīng)變，當總應(yīng)變達到許用應(yīng)變，即可判定破壞，這是破壞應(yīng)力描述中無法實現(xiàn)的； 單軸強度是復雜應(yīng)力下強度研究的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)該認識有助于建立PBX的粘彈多軸強度準則，只是直接應(yīng)用單軸蠕變數(shù)據(jù)于復雜應(yīng)力狀態(tài)存在局限性，需予以驗證和優(yōu)化。

4 結(jié) 論

20～50 ℃，不論是單軸拉伸還是單軸壓縮，也不論是直接破壞還是蠕變后破壞，破壞應(yīng)力均隨環(huán)境溫度的升高而降低，破壞應(yīng)變則在拉伸時的增大和壓縮時減??； 相同的環(huán)境溫度下，蠕變初始應(yīng)力水平的增加會導致破壞應(yīng)力的降低和破壞應(yīng)變的增大。

不論是拉伸還是壓縮，隨環(huán)境溫度和蠕變初始應(yīng)力水平的變化，破壞應(yīng)力的變化幅度遠大于破壞應(yīng)變； 從變化的方向來看，破壞應(yīng)力較之于直接破壞應(yīng)力逐漸降低，破壞應(yīng)變則逐漸增大，致使破壞應(yīng)力沒有臨界值，而選破壞應(yīng)變?yōu)橹魈卣髌茐膮?shù)，則可選直接破壞應(yīng)變?yōu)榕R界值，認為當一點應(yīng)變達到臨界即破壞，而不論該應(yīng)變是載荷直接引起的還是時溫誘發(fā)蠕變引起的，這是破壞應(yīng)力作為主特征破壞參數(shù)在描述中無法實現(xiàn)的。

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