高應變率下導彈戰斗部裝藥動態力學響應及細觀損傷模式

蔡宣明，張 偉，范志強，高玉波

(1.中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，山西 太原 030051；2.哈爾濱工業大學 航天學院高速撞擊研究中心，黑龍江 哈爾濱 150080)

導彈戰斗部裝藥具有高能低感特性，且力學性能較為穩定，極易加工成所需要的結構形式，因此，其在攻擊型武器戰斗部中的應用尤為廣泛[1-3]。然而不論在何種武器戰斗部中，戰斗部裝藥為最薄弱部分，尤其在攻擊地下深層目標過程當中，常因其高過載作用而產生局部“熱點”損傷[4-6]，從而發生提前起爆現象，大大削減了對敵對目標的毀傷作用，為解決這一系列連鎖反應產生的最初源頭，對戰斗部裝藥在高應變率加載條件下的動態力學響應及其細觀損傷模式展開研究顯得尤為迫切。

武器戰斗部裝藥在高應變率加載條件下的動態力學響應及其損傷形式是當前國內外研究的熱點和難點課題，相關研究學者對其研究成果進行了報道。盧芳云等[7]通過對B炸藥、PBX炸藥和CSP固體推進劑3種含能材料在不同高應變率下的動態力學行為進行了研究，分析了與霍普金森壓桿(SHPB)相接處的試件端面摩擦系數對實驗結果的影響，并對其細觀損傷形式進行掃描分析，研究結果表明，該3種含能材料均具有應變率效應，而在細觀損傷方面，其中PBX和CSP兩種含能材料發生了破碎現象，B炸藥含能材料細觀損傷主要表現為顆粒分離。韓小平等[8]應用自行研制的變溫靜態壓縮裝置對單質炸藥TNT和Comp.B復合炸藥在準靜態下的力學行為進行了研究，并應用實驗研究測試其壓縮楊氏模量以及強度，討論分析溫度對其力學行為的影響，探索SHPB桿件橫向彌散效應對實驗結果的影響，研究結果表明，在低溫環境下單質炸藥TNT和Comp.B復合炸藥應變率效應和溫度效應均較為明顯，而Comp.B復合炸藥溫度效應較TNT更為敏感。FENG Bin等[9]對AL-PTFE含能材料在低應變率下的力學性能及細觀損傷形式進行了實驗研究，主要考慮在準靜態加載條件下的屈服強度及壓縮強度，研究結果表明，AL-PTFE含能材料表現為脆性特性，顆粒脫粘為主要細觀損傷形式。綜合國內外研究現狀分析，研究成果主要報道含能材料在低應變率下的力學行為以及損傷形式，而對含能材料在高應變率下的動態力學性能及細觀損傷模式，以及兩者之間的內在聯系機制的研究亟少。

筆者應用改進的SHPB實驗技術確保其滿足一維應力波和均勻性假設，實現常應變率加載條件，保證實驗數據的可靠性，進而對導彈戰斗部裝藥在高應變率下的動態力學行為進行實驗研究，探索應變率效應對其動力學行為的影響，并結合掃描電子顯微鏡(SEM)細觀分析，揭示其細觀損傷模式及影響機制。

1 實驗

1.1 實驗材料

本研究中的導彈戰斗部裝藥主要成分為RDX晶體顆粒、鋁粉以及丁二烯聚合物，其所占相對應的質量百分數分別為40%、24%和36%.該戰斗部裝藥具有高能低感特性，力學性能較為穩定，其由模具澆注而成，密度為1.65 g/cm3.圖1為該戰斗部裝藥細觀結構形貌，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，不規則離散分布于聚合物當中，呈層狀結構，且與聚合物無縫緊密連接。

1.2 實驗試件設計準則

該戰斗部裝藥為低阻抗材料，其實驗試件為圓柱體形狀，而其長度及直徑尺寸設計將直接影響到實驗有效參數的獲得。在SHPB動態加載實驗中，應力波在長圓柱體實驗試件傳播過程中大幅衰減，因此，應用長圓柱體試件進行實驗研究不可能準確獲取其動態力學性能參數。初始實驗試件直徑設計需以其在SHPB動態加載實驗中的最大應變量為依據，假設其在動態壓縮過程當中軸向應變為不可壓縮，則其徑向截面將超越SHPB加載桿件截面尺寸，整個實驗研究將失去意義。

實驗試件變形過程當中，由其不可壓縮性假設，則其在整個實驗過程當中體積恒定，即：

(1)

式中：d0、l0分別為初始試件的直徑和長度；d1、l1分別為實驗過程當中試件的直徑和長度。

由SHPB動態壓縮實驗可知，試件軸向工程應變與其長度關系為

(2)

式中,εE為工程應變，假設壓縮時其值為正。

為確保實驗試件在SHPB動態加載桿件當中，其在加載變形過程中所允許的最大直徑為SHPB動態加載桿件直徑，對于給定的SHPB動態加載桿直徑尺寸以及對實驗試件最大應變的期望值，則實驗試件原始直徑尺寸可通過如下關系式計算：

(3)

式中,dbar為SHPB動態加載桿件直徑尺寸。

例如，對于 20 mm的SHPB加載桿件直徑尺寸，若實驗試件原始尺寸為16 mm，則由式(3)可計算出其所允許的最大有效軸向應變為36%.在本實驗研究當中，SHPB動態加載桿件直徑尺寸為φ20 mm，實驗試件尺寸為φ16 mm×4 mm.

1.3 實驗裝置及原理

本研究基于哈爾濱工業大學一級輕氣炮以及改進的SHPB實驗技術，對戰斗部裝藥在高應變率下的動態力學響應進行實驗研究。圖2為該實驗研究的裝置示意圖，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，通過調整高壓倉中的N2氣壓進而控制子彈的撞擊速度；應用脈沖整形器改變原有矩形入射脈沖，使其變成應力峰值增加較為緩慢的正弦脈沖，從而使得實驗試件在初期較小應力脈沖作用下其內部應力已達到均勻狀態，進而實現常應變率加載條件。采用哈爾濱工業大學自行研制的激光測量系統監測戰斗部裝藥試件在加載過程的應變狀態，高速相機拍攝整個實驗過程當中試件變形過程。由于該戰斗部裝藥為低阻抗材料，因此實驗中的SHPB動態加載桿件采用與其阻抗匹配較好的2A12鋁，然而該戰斗部裝藥透射信號仍較為薄弱，故采用信噪比較好的半導體應變片采集實驗信號，經由超動態應變儀將采集到的電壓信號轉變為應變信號，并由TDS5054B示波器存儲應變信號，整個測試系統誤差值約為1%.

SHPB實驗技術能夠較好應用于動態力學性能測試是基于兩個基本假設，即應力均勻性假設與一維應力波假設。結合半導體應變片采集到的應變信號，實驗試件的工程應力、平均加載應變率、工程應變以及真實應力可由如下關系式計算得到[10]：

(4)

(5)

(6)

σT=σE(1+εE),

(7)

2 結果與討論

2.1 實驗結果

基于改進的SHPB實驗技術使得原有應力峰值增加較為陡峭的矩形脈沖波形變為應力峰值增加較為緩慢的正弦脈沖，從而保證實驗試件在SHPB動態加載初期其內部應力已達到均勻狀態，試件兩端應力平衡，進而使得整個實驗試件變形過程均在常應變率下進行。

圖3為戰斗部裝藥在1 380 s-1平均加載應變率作用下的應變率與軸向工程應變之間的聯系規律，由圖可知，實驗試件從開始加載至其軸向工程應變為0.03時，加載應變率已達到1 350 s-1，之后趨于一個平臺值(1 350～1 400 s-1之間)，而該平臺平均值為1 380 s-1.整個實驗過程該試件軸向工程應變約為0.27，在加載應變率未達到1 350 s-1時其應變僅為實驗試件工程應變的11%，平臺應變占總應變的82%，因此，可認為該戰斗部裝藥試件變形是在常應變率下進行。

圖4為戰斗部裝藥在1 380 s-1平均加載應變率作用下，實驗過程當中試件變形形式在真實應力工程應變曲線中相對應的位置，1時刻對應的為試件在50 μs加載時間點對應的應力應變狀態，2、3、4時刻對應的分別為100、150、200 μs.由圖可知，在SHPB動態加載過程當中實驗試件均勻變形，確保實驗數據的有效性。

圖5為實驗試件在1 380 s-1加載應變率下半導體應變片與激光測量系統監測到的應變時間歷時關系。由圖5可知，在加載初期應變增加較為緩慢，呈下凸趨勢，與實驗研究中獲得的在加載初期實驗試件內部應力已達到均勻狀態相吻合；激光測量系統軸向工程應變監測結果與半導體應變片采集結果基本一致，因此，激光測量系統可用于SHPB(微秒級別)動態測試當中。

2.2 應變率效應對戰斗部裝藥動態力學響應的影響

圖6為戰斗部裝藥試件在不同高應變率下的軸向工程應變與真實應力曲線。

由圖6可知，該戰斗部裝藥在不同高應變率下的應力應變曲線呈高度非線性關系，具有明顯的應變率效應。當軸向工程應變超越0.05時，應變率效應顯著增強；當加載應變率在470～1 380 s-1區間時，戰斗部裝藥呈上凸趨勢，應變硬化效應逐漸減弱，主要原因為出現軟化現象，這一現象的產生與SHPB實驗中的絕熱溫升效應緊密相連，溫度上升，致使戰斗部裝藥模量等相關力學參數發生變化，導致其表現出材料軟化現象；戰斗部裝藥在1 380～2 300 s-1加載區間段時，其應力應變曲線應變硬化效應顯著增強，由上凸形式變為線性硬化。

2.3 高應變率與戰斗部裝藥細觀損傷的內在關聯

戰斗部裝藥不具備導電性能，因此，對其進行SEM細觀分析之前需完成前期處理工作，將實驗后的試件端面進行打磨和噴金工作，并采用SEM對其損傷形貌進行細觀分析。

在高應變率加載條件下產生應力波，從回收到的實驗試件細觀掃描分析可知，在470 s-1加載應變率作用下，無顯著細觀損傷特征；當加載應變率在860 s-1和1 380 s-1時，應力波能量顯著增加，充足的沖擊波能量迫使戰斗部裝藥產生細觀損傷特征，由SEM分析可知，在該加載應變率作用下其出現一種較為顯著的細觀損傷形式，即戰斗部裝藥晶體顆粒表面與粘結劑剪切脫粘，如圖7所示，表明剪切脫落在較小應力脈沖作用下已開始發生，其與相關文獻報道中[11]出現的晶體顆粒表面與粘結劑之間剪切脫粘強度在0.3～0.6 MPa之間基本吻合。

當加載應變率在1 900 s-1和2 300 s-1時，急劇沖擊波能量迫使戰斗部裝藥晶體顆粒表面產生細觀損傷裂紋，充足的沖擊波能量進一步加劇細觀損傷裂紋擴展，使其沿應力集中薄弱路徑不斷傳播，在傳播過程當中又出現新的損傷微裂紋，新裂紋又以同樣方式擴展和傳播，錯綜復雜，進而出現晶體顆粒破碎現象，如圖8所示。

3 結論

1)改進的SHPB實驗技術滿足一維應力波和均勻性假設，確保戰斗部裝藥實驗試件在常應變率加載條件下進行，保證了SHPB動態力學性能測試數據的可靠性。激光測試系統監測到的試件軸向應變與半導體應變片采集結果基本吻合，表明其可較好應用于微秒級動態測試當中。

2)當軸向工程應變超越0.05時，該戰斗部裝藥應變率效應顯著增強，具有明顯的應變率效應，當加載應變率在470～1 380 s-1區間時，其應力應變曲線應變硬化效應明顯，呈上凸趨勢；當加載應變率在1 380～2 300 s-1區間時，其應力應變曲線應變硬化效應顯著增強，由上凸形式變為線性硬化。

3)由SEM細觀分析可知，在860～1 380 s-1加載應變率下，戰斗部裝藥細觀損傷主要形式為顆粒表面與粘結劑剪切脫粘；當加載應變率在1380～2 300 s-1區間時，充足的沖擊波能量迫使晶體顆粒發生斷裂破壞，并不斷向應力集中薄弱路徑傳播，裂紋擴展過程又產生新的損傷裂紋，以同樣方式傳播，錯綜復雜，進而使晶體顆粒產生破碎。