火炸药学报    2017, Vol. 40 Issue (6): 78-82   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.013
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引用本文  

周涛, 李亮亮, 屈可朋, 肖玮. RDX基含铝炸药的剪切试验及损伤模式[J]. 火炸药学报, 2017, 40(6): 78-82. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.013
ZHOU Tao, LI Liang-liang, QU Ke-peng, XIAO Wei. Shear Experiment and Damage Mode of RDX-based Aluminized Explosive[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2017, 40(6): 78-82. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.013

基金项目

国家安全重大基础研究项目

作者简介

周涛(1979-), 男, 高级工程师, 从事爆炸力学及战斗部设计研究。E-mail:pep2968@163.com

文章历史

收稿日期:2017-06-26
修回日期:2017-12-11
RDX基含铝炸药的剪切试验及损伤模式
周涛, 李亮亮, 屈可朋, 肖玮     
西安近代化学研究所, 陕西 西安 710065
摘要: 利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验设备及剪切装置,对RDX基含铝炸药进行剪切试验,获得了剪切力随时间的变化规律以及剪切应力,结合工业CT图像及电镜扫描(SEM)图像分析,探讨了剪切加载条件下,炸药试样破坏的宏观及微观损伤模式。结果表明,在剪切作用下,炸药装药的轴向应力-应变曲线出现两个阶段:第一阶段,较小的应变下,应力快速增加,最大值为50~60 MPa;第二阶段,随着应变的增加,应力先增大后卸载。试验加载过程中的剪切应力为38~73 kN;剪切应力小的试样,剪切带主要集中于加载面的中部,剪切应力大的试样,剪切带主要集中于剪切面附近;试样厚度较小时,损伤模式主要是晶体的微裂纹及晶体与黏结剂基体的脱粘,试样厚度增加时,损伤模式主要为晶体的多种形态。
关键词: 侵彻战斗部     霍普金森压杆     SHPB     剪切试验     RDX基含铝炸药     损伤模式     炸药装药    
引言

侵彻战斗部作用于多层靶板时,其装药将承受冲击、剪切、摩擦等多类载荷复杂作用,从而引发热、力方面的多重耦合刺激,极易引发点火反应,因此,装药在该类刺激下的安全性问题已成为侵彻战斗部装药研究的热点和难点之一。

实验中,通常将这些影响因素单独进行研究。冲击作用下,炸药的响应特性[1-3]、模型建立及数值模拟[4-7]、评估方法[8]等已得到较多研究。代晓淦[9]、殷明[10]等对摩擦作用下的炸药响应进行了研究。剪切作用对炸药损伤、结构完整性及安全性的影响研究分为两个方面:一方面基于Steven试验[11-12]及火炮加速碰撞试验[13],研究炸药安全性,但其药量均较大(百克量级),文献[13]的用量甚至达到3 kg,成本较高,且实验过程中存在较高的危险性;另一方面研究基于原理性试验,如Chabin等[14-15]研究了剪切与炸药反应的关系;代晓淦等[16]基于落锤实验设计了一套剪切装置,研究了药片在剪切试验中的响应规律;田轩等[17]基于小落锤加载装置,利用自行设计的剪切装置(炸药底部为台阶状的剪切模具)研究了炸药在剪切作用下的动态响应特性,获得了炸药的点火阈值。上述研究中,试样虽处于周向约束中,但实验中药量过大,存在较大安全隐患,实验主要用于评估撞击作用下的响应,或加载应变率均较低(小于1 000 s-1),而战斗部在实际使用时,炸药装药均承受高应变率加载(约3 000 s-1),因此迫切需要研究高应变率条件下炸药装药受剪切作用的响应特性。霍普金森压杆(Hopkinson)实验技术在材料动态力学性能(应变率范围为102~104 s-1)研究领域得到广泛应用,涵盖炸药装药侵彻过程中所承受的应变率范围。

本研究基于分离式霍普金森压杆装置,采用自行设计的剪切装置对某RDX基含铝炸药进行了剪切加载,研究了炸药在剪切作用条件下的动态响应特性,并结合工业CT技术及电镜扫描(SEM)技术探讨了宏观/微观损伤模式,为其他炸药的动态力学行为研究提供参考。

1 实验 1.1 试剂及仪器

RDX,Ⅱ类,甘肃银光化学工业集团有限公司;铝粉,平均粒径13 μm,中国铝业股份有限公司西北铝加工分公司。

Y63-A油压机,山东机械厂;分离式霍普金森压杆,西安近代化学研究所,压杆材质为LY12铝,直径为16 mm;SDY2107A型超动态应变仪,北戴河实用电子技术研究所;DPO4104数字荧光示波器,Tektronix公司;Quanta 600FEG型场发射扫描电镜,美国FEI公司;BT-400型工业CT无损检测系统,俄罗斯莫斯科探伤有限公司,CT机电压为400 kV,准直器X=2、Z=2,工作场直径200 mm,探测器灵敏度F=12,铜滤波器厚度1.5 mm;450 HS型X射线机,德国Seifert公司。

1.2 样品制备

剪切试验中使用RDX基含铝炸药,试样为圆柱形,共有Φ20 mm×5 mm(编号为试样1、试样2)和Φ20 mm×10 mm(编号为试样3、试样4)两种规格,质量不超过3 g,端面平整,无可见缺陷;RDX基含铝炸药是以RDX为基的含铝炸药,其密度为1.80 g/cm,采用压装工艺制成。

1.3 试验方法

微观形貌表征:采用场发射扫描电镜对试验后的试样剪切面进行微观扫描。

工业CT无损检测:采用工业CT无损检测系统,对试验后的试样进行整体检测。

1.4 试验原理

霍普金森压杆试验装置如图 1所示。由图 1可以看出,SHPB试验装置包含子弹、输入杆、输出杆、吸收杆和阻尼器,试样夹在输入杆与输出杆之间,在输入杆的撞击端设置波形整形器(铜质,尺寸为Φ10 mm×2 mm)对波形进行改善,试样与剪切装置的装配图如图 2所示,其中所设计的剪切装置材质为LY12铝,分为左右两个对称结构,中间部位用卡具固定,剪切装置内径与输入杆相等,外径为45 mm,剪切装置外径较小端的凸台高度为5 mm,卡具内径为25 mm,外径为45 mm,高度与试样厚度相同,试验中对剪切装置进行固定。

图 1 霍普金森压杆试验装置 Figure 1 Experimental device of SHPB
图 2 剪切装置的装配示意图 Figure 2 Assembly diagram of shear device

高压气室释放压力,子弹以一定速度撞击输入杆时,输入杆获得弹性应力脉冲。入射波通过输入杆传给试样,因卡具与剪切装置的固定作用,不与压杆接触的试样位置固定,与压杆接触的试样部分受到压缩,进而形成剪切面(图 2中红线部分),实现剪切作用。由于压杆与试样阻抗的不同,交界面处会发生波的反射和透射。反射波返回输入杆,透射波进入输出杆,借助于输入杆和输出杆上粘贴的应变片、超动态应变仪和数据采集处理系统等,试样的变形信息以电信号的方式被测量并记录下来。试样上的应力、应变及应变率按文献[15]的处理方法进行。

2 结果与讨论 2.1 炸药装药轴向应力—应变关系

针对每种应变率进行3次试验,由于子弹的速度难以精确控制,因此,若3发试验中试样的应变率($ \dot \varepsilon $)相对偏差在±2.5%以内,且数据处理结果吻合度较好,则取实际应变率最接近目标值的曲线作为最终试验结果;若相对偏差超过±2.5%,则继续增加试验次数,直到有3发试验满足相对误差的要求。试验获得的轴向应力—应变关系曲线如图 3所示。

图 3 试样在不同应变率加载下的轴向应力—应变关系曲线 Figure 3 The relation curves of axial stress vs. axial strain of specimen under different strain-rate loading

图 3可以看出,相比于传统压缩试验的轴向应力—应变曲线,剪切环境下出现两个阶段:第一阶段,较小的应变下,应力快速增加,最大值为50~60 MPa;第二阶段,随着应变的增加应力增大,应力达到最大值后卸载。这是因为传统压缩实验时,应力波到达试样一端,对试样开始进行压缩,此时透射杆端面受力逐渐增大,而剪切条件下,压缩时出现剪切应力,阻碍试样的压缩,压缩时的应力值超过剪切应力后,继续进行压缩,此时透射杆端面受力逐渐增大。

试样压缩过程中,试样承受剪切力(F)作用,可用公式(1)进行计算:

$ F = - AE({\varepsilon _{\rm{I}}} + {\varepsilon _{\rm{R}}} - {\varepsilon _{\rm{T}}}) $ (1)

式中:A为压杆的截面积,m2E为压杆的杨氏模量,MPa;εI为入射应变;εR为反射应变;εT为透射应变。

将公式(1)代入公式(2),即可获得剪切面处的剪切应力(τ):

$ \tau = F/(2\pi \cdot r\cdot\delta ) $ (2)

式中:r为压杆的半径,m;δ为试样厚度,m。

不同应变率加载条件下,剪切力随时间的变化曲线如图 4所示。计算所得试样1、试样2、试样3、试样4的剪切应力分别为38、59、57和73 MPa。

图 4 剪切力随时间的变化曲线 Figure 4 The change curves of shear force with time

图 4可以看出,4种试样的剪切力大小顺序为:试样4>试样3>试样2>试样1,且从表观上看,薄试样的剪切力(试样1和试样2)均小于厚试样(试样3和试样4),这是因为薄试样虽然容易得到高应变率(εR数值大),但因其(εI+εR-εT)的数值小,导致剪切力较小。对于相同厚度的试样,随着应变率的增加,剪切力增大。试验条件下,剪切力最大为37 kN。

2.2 损伤模式分析

对剪切试验后所回收的试样进行CT无损检测,检测结果和压缩过程示意图如图 5所示。

图 5 CT检测结果及压缩过程示意图 Figure 5 CT detection results and schematic diagram of compression process

图 5(a)可以看出,随着剪切力的增加,不同厚度的试样表现出不同的剪切特征。从试样1到试样4,随着剪切力的增加,试样由最初的轻微损伤到压缩方向的剪切断裂,剪切断裂向四周扩展,直至剪切面附近出现剪切断裂。各试样的具体表现形式如下:薄试样中(厚度5 mm)的试样1整体上基本无剪切断裂特征,仅在压缩方向出现轻微隆起,以及在剪切面附近出现轻微损伤,说明压杆碰撞速度较低时,剪切力较小,能量密度较低,在撞击方向进行冲击剪切,试样中可能出现晶体脱粘等现象,造成剪切面附近出现轻微损伤,此时的剪切力不足以造成破坏;剪切力增加,薄试样的试样2在压缩方向出现剪切断裂特征;剪切力持续增加,厚试样中的试样3,其压缩方向的剪切断裂特征向四周扩展,直至扩展到试样4的剪切面,且剪切面附近,试样未撞击的部分也出现剪切断裂特征。如图 5(b)所示,设原始厚度为H,入射杆撞击面在剪切后到原始位置的距离为h,定义压缩量为(1-h/H),对剪切后的试样尺寸进行测量,列于表 1,(1-h/H)的计算值也一并列于表 1

表1 剪切加载后试样的压缩量 Table 1 Compression values of sample after shear loading

表 1可以看出,薄试样(试样1和试样2)在试验条件下的压缩量变化比较大,分别为32.0%和37.2%,厚试样(试样3和试样4)压缩量变化基本相同,为30.9%,可见,薄试样容易得到更高的压缩量(即容易获得更高应变率),而厚试样的压缩量不易提高。但薄试样的剪切力较小,能量密度基本用于冲击剪切,剪切作用来不及在剪切面附近区域形成绝热剪切,而试样厚度增加后,虽应变率稍有降低,但剪切作用时间延长,便于能量密度在剪切面附近形成绝热剪切。

2.3 细观破坏模式分析

采用扫描电子显微镜(SEM)对回收试样进行观察,研究其材料微观组织变化、破坏模式等动态损伤及断裂机理,SEM照片如图 6所示。

图 6 试样的微观形貌 Figure 6 The micromorphology of samples

图 6可以看出,随着剪切力的增加,试样的微观形貌发生了较大变化。由图 6(a)可知,剪切力较低时,RDX晶体出现微裂纹,同时可发现RDX晶体与黏结剂脱粘后留下的凹坑,其凹坑表面较为光滑,说明黏结剂与晶体的结合力不够强,宏观上(见CT检测结果)表现出轻微损伤/无剪切特征;由图 6(b)可知,剪切力增加,RDX晶体上的微裂纹发生扩展,成为裂缝,表现在宏观上即为剪切面附近的剪切损伤特征;由图 6(c)可知,有RDX晶体微裂纹、裂纹及穿晶现象,宏观上在剪切面附近出现剪切损伤特征;由图 6(d)可知,RDX晶体出现大的裂缝,宏观上表现为剪切面附近的剪切断裂特征。这是因为,薄试样承受载荷时间相对较短,剪切力较小,试样内部仅出现晶体微裂纹及脱粘/宏观上的轻微损伤;而试样厚度增加,剪切时间增加,晶体出现多种形态(微裂纹、裂纹、穿晶及动态再结晶结构),甚至在剪切面附近可见明显的剪切带。

3 结论

(1) 剪切装置对炸药装药实现了剪切作用,通过控制试样厚度,对试样所受的剪切力及其剪切应力进行了调控,试验条件下所获得的剪切力为10~37 kN,剪切应力为38~73 MPa。

(2) 在剪切作用下,轴向应力—应变曲线发生改变,曲线可分为两个阶段:第一个阶段为较小应变下的应力快速增长;第二个阶段随着应变的增加,应力先增大后卸载,此过程与剪切条件下试样两端的受力相关。

(3) 随着剪切力及剪切应力的增加,试样宏观(CT)及微观(SEM)破坏模式发生改变,宏观上从最初碰撞方向的轻微隆起到出现剪切带,剪切带逐渐向四周的剪切面扩展,最终在试样的未加载区域出现剪切带,对应于微观晶体微裂纹及脱粘发展为裂缝、晶体微裂纹、穿晶及动态再结晶结构等晶体多种形态,试样出现明显缺陷。


参考文献
[1]
李金河, 文尚刚, 谭多望, 等. 低冲击作用下JO-9159炸药的反应阈值[J]. 爆炸与冲击, 2011, 31(2): 148–152.
LI Jin-he, WEN Shang-gang, TAN Duo-wang, et al. Reaction threshold of explosive JO-9159 under low-amplitude shock[J]. Explosion and Shock Waves, 2011, 31(2): 148–152.
[2]
李金河, 傅华, 曾代朋, 等. 低冲击加载下JOB-9003炸药的反应阈值[J]. 爆炸与冲击, 2015, 35(6): 876–880.
LI Jin-he, FU Hua, ZENG Dai-peng, et al. The reaction threshold of JOB-9003 explosive under low amplitude loading[J]. Explosion and Shock Waves, 2015, 35(6): 876–880. DOI:10.11883/1001-1455(2015)06-0876-05
[3]
姚惠生, 黄风雷, 张宝平. 炸药冲击损伤及损伤炸药冲击起爆实验研究[J]. 北京理工大学学报, 2007, 27(6): 487–490.
YAO Hui-sheng, HUANG Feng-lei, ZHANG Bao-ping. Experimental study on the impact damage and shock initiation of damaged explosives[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2007, 27(6): 487–490.
[4]
王晨, 陈朗, 刘群, 等. 多组分PBX炸药细观结构冲击点火数值模拟[J]. 爆炸与冲击, 2014, 34(2): 167–173.
WANG Chen, CHEN Lang, LIU Qun, et al. Numerical simulation for analyzing shock to ignition of PBXs with different compositions in meso-structural level[J]. Explosion and Shock Waves, 2014, 34(2): 167–173. DOI:10.11883/1001-1455(2014)02-0167-07
[5]
宋江杰, 张振宇, 谭晓莉, 等. 固体非均质炸药冲击点火与起爆模型研究进展[J]. 爆炸与冲击, 2012, 32(2): 121–128.
SONG Jiang-jie, ZHANG Zhen-yu, TAN Xiao-li, et al. A review of models describing shock-induced ignition and detonation of solid heterogeneous explosives[J]. Explosion and Shock Waves, 2012, 32(2): 121–128. DOI:10.11883/1001-1455(2012)02-0121-08
[6]
刘群, 陈朗, 伍俊英, 等. PBX炸药细观结构冲击点火的二维数值模拟[J]. 火炸药学报, 2011, 34(6): 10–16.
LIU Qun, CHEN Lang, WU Jun-ying, et al. Two-dimensional mesoscale simulation of shock ignition in PBX explosives[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2011, 34(6): 10–16.
[7]
王晨, 陈朗, 何乐, 等. 低强度冲击下炸药点火的数值模拟[J]. 火炸药学报, 2012, 35(2): 44–48.
WANG Chen, CHEN Lang, HE Le, et al. Numerical simulation of explosive ignition under low impact loading[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2012, 35(2): 44–48.
[8]
花成, 张盛国, 高大元. 冲击波作用下炸药安全性QMU评估[J]. 火炸药学报, 2015, 38(4): 31–37.
HUA Cheng, ZHANG Sheng-guo, GAO Da-yuan. QMU evaluation of explosive safety under shock wave effect[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2015, 38(4): 31–37.
[9]
代晓淦, 文玉史, 申春迎, 等. 热和枪击复合环境试验中PBX-2炸药的响应特性[J]. 火炸药学报, 2009, 32(4): 41–44.
DAI Xiao-gan, WEN Yu-shi, SHEN Chun-ying, et al. Reaction characteristics of PBX-2 under heat and bullet impacting multiple test[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2009, 32(4): 41–44.
[10]
殷明, 罗观, 代晓淦, 等. 高固含量HMX基浇注PBX的烤燃试验研究[J]. 火炸药学报, 2014, 37(1): 44–48.
YIN Ming, LUO Guan, DAI Xiao-gan, et al. Cook-off test investigation of high solid-content casted PBX based on HMX[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2014, 37(1): 44–48.
[11]
DAI Xiao-gan, WEN Yu-shi, SHEN Chun-ying. Response rule for PBX-2 explosive under simulated fragment impact[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2010, 33(3): 10–20.
[12]
DAI Xiao-gan, SHEN Chun-ying, WEN Yu-shi, et al. Reaction rule for explosive under different shape warhead impact in steven test[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2009, 17(1): 50–54.
[13]
SHEN Chun-ying, XIANG Yong, DAI Xiao-gan. Study on the spiogt tests of polymer bonded explosives[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2010, 33(2): 29–32.
[14]
Chabin P, Brunet P, Lecume.A combined experimental/numerical methodology to assess the sensitive of PBX's[C]//12th International Symposium on Detonation. San Diego:Califomia, 2002. https://www.researchgate.net/publication/238105770_A_COMBINED_EXPERIMENTALNUMERICAL_METHODOLOGY_TO_ASSESS_THE_SENSITIVITY_OF_PBX's
[15]
Lecume, Lefrancois A, Chabin P. Structural and chemecal changes in PBX induced by rapid shear followed by compression[C]//12th International Symposium on Detonation. San Diego:California, 2002. https://www.researchgate.net/publication/239556452_STRUCTURAL_AND_CHEMICAL_CHANGES_IN_PBX_INDUCED_BY_RAPID_SHEAR_FOLLOWED_BY_COMPRESSION
[16]
代晓淦, 王娟, 黄谦, 等. 药片剪切试验中PBX-2炸药的响应特性[J]. 含能材料, 2013, 21(6): 791–794.
DAI Xiao-gan, WANG Juan, HUANG Qian, et al. Response character for PBX-2 explosive in shear test[J]. Chinese Journal of Energtic Materials, 2013, 21(6): 791–794.
[17]
田轩, 徐洪涛, 冯博, 等. 含AP炸药装药在剪切加载下的动态响应特性[J]. 火炸药学报, 2015, 38(3): 69–72.
TIAN Xuan, XU Hong-tao, FENG Bo, et al. Dynamic response characteristics of explosive charge with AP under the shear loading[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2015, 38(3): 69–72.
Shear Experiment and Damage Mode of RDX-based Aluminized Explosive
ZHOU Tao, LI Liang-liang, QU Ke-peng, XIAO Wei     
Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China
Abstract: Using shear apparatus equipped with the split Hopkinson pressure bar (SHPB) and cutting device, the variation rule of shear force with time and shear stress were obtained through the shear experiment on RDX-based aluminized explosive. Combined with industrial CT images and scanning electron microscope (SEM) analysis, the macro/micro damage mode under shear loading condition was discussed. The results show that under the shear action, there are two extreme stages on the axial stress-strain curves, the first stage is that the stress rapidly increases with a little strain, and the maximum value of this stress is about 50-60 MPa; the second stage is that the stress increases first and then unloads as the strain increases, and shear force is 10-37 kN in the loading process of this experiment. For small shear force specimen, the shear band mainly concentrats on the central section of loading surface, and for large shear force specimen, the shear band mainly concentrats on near the shear plane.When the specimen thickness is smaller, the damage mode mainly is micro crack of crystal and debonding of crystal and bonding agent matrix, when the thickness of specimen increases, the damage mode of specimen mainly is various forms of crystal.
Key words: penetrating warhead     split hopkinson pressure bar     SHPB     shear experiment     RDX-based aluminized explosive     damage model     explosive charge