温度对粒状发射药动态力学性能的影响

张邹邹，周　敬，杨丽侠，赵宝明，刘来东

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)



温度对粒状发射药动态力学性能的影响

张邹邹，周敬，杨丽侠，赵宝明，刘来东

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)

摘要：为了解不同温度条件下粒状发射药动态力学性能的变化，用落锤撞击试验研究了粒状发射药在-60～50℃下的撞击损伤状态及应力曲线的变化。结果表明，在不同温度条件下粒状发射药的落锤撞击损伤状态和应力曲线的变化很大，温度低于-20℃时，发射药可能发生破碎，应力峰值高、作用时间短，温度高于0℃时，发射药发生塑性形变、峰值低、作用时间长。 认为随着温度的逐渐升高，粒状发射药由脆性断裂逐渐改为塑性变形，药粒不易破碎，而低温下的冷脆断裂对发射药在极端低温下的应用不利。

关键词：材料科学；粒状发射药；落锤撞击；动态力学性能；脆性断裂；塑性变形

引言

随着高膛压、高初速、高装填密度等高性能现代火炮的发展，粒状发射药在火炮中得到大量应用。由于药粒的过早破碎可能引起膛压上升，在操作中产生严重的安全隐患[1]，因此，研究粒状发射药的力学性能十分重要。目前, 国内外专家一致认为由发射装药引起膛内压力异常甚至膛炸事故的根本原因是发射药床的挤压破碎，发射药粒在膛内破碎的内因是药粒的低温脆性等药粒本身的力学性能, 外因是药粒着火前受到的挤压等力学作用。Horst等[2]认为在绝大多数情况下, 超高的最大膛压不能通过其压力波的剧烈程度来预测,导致膛炸的原因可能是由于发射药破碎或瞬态燃烧。另外，发射药的力学性能对其易损性也有很大影响，易破碎的发射药粒在遭受空心装药射流刺激(SCJ)时反应要比强度高不易破碎的药粒大得多[3]。

研究发射药单颗粒的力学性能可以揭示颗粒材料的力学本质，建立发射药粒的黏弹性本构方程。在单颗粒发射药抗压强度研究中，大多是在规定的试验温度和加载速度下，对规定尺寸的定量试样在纵轴方向施加单轴静态压缩载荷，以测得抗压强度。张玉令[4]、陈言坤等[5]采用从垂直于纵轴方向施加单向静态压缩载荷的方式，对发射药药粒侧面受压力作用时的力学性能进行试验研究，得出抗压强度随压痕尺寸的变化规律。周敬等[6-7]研究了RDX基高能发射药配方变化对其抗撞击损伤性能影响，提出采用单位临界撞击能和极限抗冲应力来表征发射药的动态力学强度。

本实验研究了粒状发射药在不同温度甚至极端温度条件下动态力学性能的变化情况，揭示了在冲击载荷作用下温度影响粒状发射药力学损伤的本质，为研究粒状发射药的破碎问题提供参考。

1实验

1.1材料及仪器

19孔梅花形粒状高能硝胺发射药，西安近代化学研究所。

BCJ型落锤撞击装置，天津市建仪试验机有限责任公司，落锤质量5kg，标尺量程0～100cm；高低温试验箱，泰安科技有限责任公司，温度为(-60±2)～(100±2)℃；Kister9316B压力传感器，瑞士奇石乐公司，极限测力为60kN。采样频率为500kHz。

1.2落锤撞击试验

BCJ型落锤撞击装置对发射药进行单轴压缩试验，锤体自由下落撞击工装活塞杆然后压缩样品，实验前工装活塞杆静止平压在样品横截面，为减少由于受力端面不平整造成受力时发射药内部应力平均分布状态不均匀，造成应力集中现象，保证落锤撞击能够均匀作用于被试发射药颗粒的端面上，以确保试验结果的精度和稳定性，试验前将被测试样端面加工，使其平行度误差小于±0.03mm，并且纵轴垂直度误差小于±0.5°，同组试验中每粒发射药的高度保持一致。

试验温度分别为-60、-40、-30、-20、0、常温(20℃)和高温(50℃)；试验撞击能为12.6J/cm2，撞击速度为2.66m/s；实验前样品保温不少于2h。

2结果与讨论

2.1温度对粒状发射药撞击损伤程度的影响

图1为粒状发射药在不同温度条件下的撞击损伤图片。

由图1可以看出，在-60℃时，药粒发生粉碎性破裂，已完全看不出药粒形状。-40℃时，药粒经受撞击作用后，部分样品依然完整，部分出现裂纹，其余则发生破碎。在-30和-20℃时，药粒仅出现裂纹，无明显破碎现象。0℃时，药粒没有裂纹，也没有发生破碎，仅出现发白迹象，塑性形变也很小。常温(20℃)与高温(50℃)下，药粒均出现发白迹象，未见裂纹和破碎，但是发射药均发生明显的塑性形变，长度变短，且药粒药的中间部位由于受到挤压，中间凸起。高温下(50℃)，塑性变形更为明显。

图1　粒状发射药在不同温度下的落锤撞击损伤状态Fig.1　Photographs of the drop hammer impact fracturestate for granule gun propellant

经计算得出0、20和50℃下粒状发射药的应变率分别为2%、14%和25%，由应变率值可以看出，随温度降低，其塑性特性减弱，在低于0℃以下时粒状发射药的塑性开始转变为脆性。

由响应结果及应变率可以看出，温度对粒状发射药的动态力学强度有较大影响，随温度降低，粒状发射药由塑性形变逐渐转变为脆性断裂，这是因为粒状发射药属于高分子复合材料，随温度降低，其低温冷脆特性加剧，更容易产生裂纹甚至发生破碎。

2.2不同温度下粒状发射药的撞击受力过程分析

图2为不同温度下粒状发射药的撞击受力过程F-t曲线图。表1为粒状发射药不同温度下落锤撞击试验的应力峰值以及应力作用时间脉宽。

由图2可以看出，在撞击条件相同情况时，不同温度下粒状发射药的撞击响应曲线差别明显，随着温度的升高，尖锐的峰形逐渐平缓甚至在50℃时出现应力值缓慢增长的趋势。低于-20℃时，落锤撞击作用的峰形尖锐，峰值较高，应力作用时间短，-40℃时表现得更为明显，而在0℃应力曲线的峰形平缓，表明此时已经表现出受到撞击时吸收冲击能量的特性，随着温度的升高，粒状发射药吸收冲击能量更多、时间更长，表现为受到冲击的应力峰值下降，峰形更加平缓，应力作用时间脉宽增加(见表1)。

图2　不同温度下粒状发射药的F-t曲线Fig. 2　F-t curves of the granule gun propellant atdifferent temperatures

T/℃Fm/kNΔt/ms-6012.55.2-4025.01.6-3019.61.8-2015.82.109.82.6206.93.6505.05.1

此外，在-60℃时粒状发射药的撞击应力曲线出现第一尖锐峰形，经过两次小的尖锐峰形后开始长而缓慢的应力增长过程，这是由于在极低温度下粒状发射药变得极脆，药粒在落锤撞击时的应力上升过程中破裂，应力急剧下降，由于惯性，落锤继续下落并作用在破裂的药粒上使得药粒受到两次撞击变得粉碎。在极端高温(50℃)条件下，由于药粒塑性增大，药粒受到的应力值缓慢增长。

粒状发射药在不同温度下表现出的这种冲击应力特性与其本身是一种高分子复合材料有关，其破坏过程也是一种松弛过程。当温度较低时，分子运动能量低，松弛时间大大超过落锤冲击试样的作用时间，发射药表现为刚性固体，在低温条件下受到落锤冲击作用会发生脆性断裂，在极低温度下甚至发生粉碎性断裂；随着温度的升高，高弹性增加，在受到冲击作用时链段运动的松弛时间与应力作用时间相适应，在断裂前发生屈服，出现强迫高弹性。同时，发射药也是一种共混物，分散于连续相中的微小颗粒在发射受到冲击力时可以引发大量的微裂纹，从而吸收大量的冲击能量。

3结论

(1)温度低于-20℃时，粒状发射药可能发生破碎，应力峰值高，作用时间短。

(2)温度高于0℃时，受到落锤撞击时粒状发射药能够吸收冲击能量，药粒发生塑性形变，应力峰值降低，应力作用时间长，即随温度的升高，粒状发射药受到落锤撞击时由脆性断裂逐渐转变为塑性形变。

(3)在极低温度(-60℃)下，粒状发射药极脆，受到冲击时药粒破损严重，这对发射药在极低环境温度下的应用非常不利。

参考文献：

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[3]Lieb R J, Rocchio J J. Standardization of a Drop-Weight mechanical property tester for gun propellants, ARBRLTR-02516[R]. Aberdeen Proving Ground: [s.n.], 1983.

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ZHOU Jing，YANG Li-xia，CHEN Xiao-ming，et al. Discussion of the experiment and evaluation methods of propellants under the dropping hammer impact[J]. Explosive Materials, 2014, (2)：15-19.

Effects of Temperature on the Dynamic Mechanical Properties of Granular Gun Propellant

ZHANG Zou-zou, ZHOU Jing, YANG Li-xia, ZHAO Bao-ming, LIU Lai-dong

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065,China)

Abstract:To understand the change of dynamic mechanical properties of granular gun propellant under different temperatures, the impact damage state and change in stress curve of gun propellant under temperature of -60-50℃ were studied by a drop hammer impact test. Results show that the impact damage state and change in stress curve of gun propellant under different temperatures are very different. When the temperature is lower than -20℃, gun propellant may be broken with high stress peak value and short stress action time. When the temperature is higher than 0℃, the propellant occurs plastic deformation, the stress peak value is low and the stress action time is long. Considering that with the increase of temperature, granular gun propellant gradually changes from brittle fracture to plastic deformation and is not easy to be broken, whereas the cold friable fracture at lower temperature is adverse for the application of gun propellant under the extreme environments.

Keywords:material science; granular gun propellant; drop-weight impact; dynamic mechanical property; brittle fracture; plastic deformation

作者简介:张邹邹(1979-)，女，助理研究员，从事发射药性能表征与评估研究。

收稿日期:2014-08-30；修回日期:2014-12-20

中图分类号：TJ55; TQ562

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)02-0086-03

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.019