高应变率下导弹战斗部装药动态力学响应及细观损伤模式

蔡宣明，张 伟，范志强，高玉波

(1.中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原 030051；2.哈尔滨工业大学 航天学院高速撞击研究中心，黑龙江 哈尔滨 150080)

导弹战斗部装药具有高能低感特性，且力学性能较为稳定，极易加工成所需要的结构形式，因此，其在攻击型武器战斗部中的应用尤为广泛[1-3]。然而不论在何种武器战斗部中，战斗部装药为最薄弱部分，尤其在攻击地下深层目标过程当中，常因其高过载作用而产生局部“热点”损伤[4-6]，从而发生提前起爆现象，大大削减了对敌对目标的毁伤作用，为解决这一系列连锁反应产生的最初源头，对战斗部装药在高应变率加载条件下的动态力学响应及其细观损伤模式展开研究显得尤为迫切。

武器战斗部装药在高应变率加载条件下的动态力学响应及其损伤形式是当前国内外研究的热点和难点课题，相关研究学者对其研究成果进行了报道。卢芳云等[7]通过对B炸药、PBX炸药和CSP固体推进剂3种含能材料在不同高应变率下的动态力学行为进行了研究，分析了与霍普金森压杆(SHPB)相接处的试件端面摩擦系数对实验结果的影响，并对其细观损伤形式进行扫描分析，研究结果表明，该3种含能材料均具有应变率效应，而在细观损伤方面，其中PBX和CSP两种含能材料发生了破碎现象，B炸药含能材料细观损伤主要表现为颗粒分离。韩小平等[8]应用自行研制的变温静态压缩装置对单质炸药TNT和Comp.B复合炸药在准静态下的力学行为进行了研究，并应用实验研究测试其压缩杨氏模量以及强度，讨论分析温度对其力学行为的影响，探索SHPB杆件横向弥散效应对实验结果的影响，研究结果表明，在低温环境下单质炸药TNT和Comp.B复合炸药应变率效应和温度效应均较为明显，而Comp.B复合炸药温度效应较TNT更为敏感。FENG Bin等[9]对AL-PTFE含能材料在低应变率下的力学性能及细观损伤形式进行了实验研究，主要考虑在准静态加载条件下的屈服强度及压缩强度，研究结果表明，AL-PTFE含能材料表现为脆性特性，颗粒脱粘为主要细观损伤形式。综合国内外研究现状分析，研究成果主要报道含能材料在低应变率下的力学行为以及损伤形式，而对含能材料在高应变率下的动态力学性能及细观损伤模式，以及两者之间的内在联系机制的研究亟少。

笔者应用改进的SHPB实验技术确保其满足一维应力波和均匀性假设，实现常应变率加载条件，保证实验数据的可靠性，进而对导弹战斗部装药在高应变率下的动态力学行为进行实验研究，探索应变率效应对其动力学行为的影响，并结合扫描电子显微镜(SEM)细观分析，揭示其细观损伤模式及影响机制。

1 实验

1.1 实验材料

本研究中的导弹战斗部装药主要成分为RDX晶体颗粒、铝粉以及丁二烯聚合物，其所占相对应的质量百分数分别为40%、24%和36%.该战斗部装药具有高能低感特性，力学性能较为稳定，其由模具浇注而成，密度为1.65 g/cm3.图1为该战斗部装药细观结构形貌，由图可知，其端面光滑有光泽，无初始损伤(包含微裂纹和脱粘现象)，RDX晶体颗粒尺寸各有差异，其直径尺寸主要在50～300 μm之间，不规则离散分布于聚合物当中，呈层状结构，且与聚合物无缝紧密连接。

1.2 实验试件设计准则

该战斗部装药为低阻抗材料，其实验试件为圆柱体形状，而其长度及直径尺寸设计将直接影响到实验有效参数的获得。在SHPB动态加载实验中，应力波在长圆柱体实验试件传播过程中大幅衰减，因此，应用长圆柱体试件进行实验研究不可能准确获取其动态力学性能参数。初始实验试件直径设计需以其在SHPB动态加载实验中的最大应变量为依据，假设其在动态压缩过程当中轴向应变为不可压缩，则其径向截面将超越SHPB加载杆件截面尺寸，整个实验研究将失去意义。

实验试件变形过程当中，由其不可压缩性假设，则其在整个实验过程当中体积恒定，即：

(1)

式中：d0、l0分别为初始试件的直径和长度；d1、l1分别为实验过程当中试件的直径和长度。

由SHPB动态压缩实验可知，试件轴向工程应变与其长度关系为

(2)

式中,εE为工程应变，假设压缩时其值为正。

为确保实验试件在SHPB动态加载杆件当中，其在加载变形过程中所允许的最大直径为SHPB动态加载杆件直径，对于给定的SHPB动态加载杆直径尺寸以及对实验试件最大应变的期望值，则实验试件原始直径尺寸可通过如下关系式计算：

(3)

式中,dbar为SHPB动态加载杆件直径尺寸。

例如，对于 20 mm的SHPB加载杆件直径尺寸，若实验试件原始尺寸为16 mm，则由式(3)可计算出其所允许的最大有效轴向应变为36%.在本实验研究当中，SHPB动态加载杆件直径尺寸为φ20 mm，实验试件尺寸为φ16 mm×4 mm.

1.3 实验装置及原理

本研究基于哈尔滨工业大学一级轻气炮以及改进的SHPB实验技术，对战斗部装药在高应变率下的动态力学响应进行实验研究。图2为该实验研究的装置示意图，其子弹(φ20 mm×100 mm)、入射杆(φ20 mm×2 000 mm)、透射杆(φ20 mm×2 000 mm)以及缓冲杆(φ20 mm×1 500 mm)材料均为2A12铝，通过调整高压仓中的N2气压进而控制子弹的撞击速度；应用脉冲整形器改变原有矩形入射脉冲，使其变成应力峰值增加较为缓慢的正弦脉冲，从而使得实验试件在初期较小应力脉冲作用下其内部应力已达到均匀状态，进而实现常应变率加载条件。采用哈尔滨工业大学自行研制的激光测量系统监测战斗部装药试件在加载过程的应变状态，高速相机拍摄整个实验过程当中试件变形过程。由于该战斗部装药为低阻抗材料，因此实验中的SHPB动态加载杆件采用与其阻抗匹配较好的2A12铝，然而该战斗部装药透射信号仍较为薄弱，故采用信噪比较好的半导体应变片采集实验信号，经由超动态应变仪将采集到的电压信号转变为应变信号，并由TDS5054B示波器存储应变信号，整个测试系统误差值约为1%.

SHPB实验技术能够较好应用于动态力学性能测试是基于两个基本假设，即应力均匀性假设与一维应力波假设。结合半导体应变片采集到的应变信号，实验试件的工程应力、平均加载应变率、工程应变以及真实应力可由如下关系式计算得到[10]：

(4)

(5)

(6)

σT=σE(1+εE),

(7)

2 结果与讨论

2.1 实验结果

基于改进的SHPB实验技术使得原有应力峰值增加较为陡峭的矩形脉冲波形变为应力峰值增加较为缓慢的正弦脉冲，从而保证实验试件在SHPB动态加载初期其内部应力已达到均匀状态，试件两端应力平衡，进而使得整个实验试件变形过程均在常应变率下进行。

图3为战斗部装药在1 380 s-1平均加载应变率作用下的应变率与轴向工程应变之间的联系规律，由图可知，实验试件从开始加载至其轴向工程应变为0.03时，加载应变率已达到1 350 s-1，之后趋于一个平台值(1 350～1 400 s-1之间)，而该平台平均值为1 380 s-1.整个实验过程该试件轴向工程应变约为0.27，在加载应变率未达到1 350 s-1时其应变仅为实验试件工程应变的11%，平台应变占总应变的82%，因此，可认为该战斗部装药试件变形是在常应变率下进行。

图4为战斗部装药在1 380 s-1平均加载应变率作用下，实验过程当中试件变形形式在真实应力工程应变曲线中相对应的位置，1时刻对应的为试件在50 μs加载时间点对应的应力应变状态，2、3、4时刻对应的分别为100、150、200 μs.由图可知，在SHPB动态加载过程当中实验试件均匀变形，确保实验数据的有效性。

图5为实验试件在1 380 s-1加载应变率下半导体应变片与激光测量系统监测到的应变时间历时关系。由图5可知，在加载初期应变增加较为缓慢，呈下凸趋势，与实验研究中获得的在加载初期实验试件内部应力已达到均匀状态相吻合；激光测量系统轴向工程应变监测结果与半导体应变片采集结果基本一致，因此，激光测量系统可用于SHPB(微秒级别)动态测试当中。

2.2 应变率效应对战斗部装药动态力学响应的影响

图6为战斗部装药试件在不同高应变率下的轴向工程应变与真实应力曲线。

由图6可知，该战斗部装药在不同高应变率下的应力应变曲线呈高度非线性关系，具有明显的应变率效应。当轴向工程应变超越0.05时，应变率效应显著增强；当加载应变率在470～1 380 s-1区间时，战斗部装药呈上凸趋势，应变硬化效应逐渐减弱，主要原因为出现软化现象，这一现象的产生与SHPB实验中的绝热温升效应紧密相连，温度上升，致使战斗部装药模量等相关力学参数发生变化，导致其表现出材料软化现象；战斗部装药在1 380～2 300 s-1加载区间段时，其应力应变曲线应变硬化效应显著增强，由上凸形式变为线性硬化。

2.3 高应变率与战斗部装药细观损伤的内在关联

战斗部装药不具备导电性能，因此，对其进行SEM细观分析之前需完成前期处理工作，将实验后的试件端面进行打磨和喷金工作，并采用SEM对其损伤形貌进行细观分析。

在高应变率加载条件下产生应力波，从回收到的实验试件细观扫描分析可知，在470 s-1加载应变率作用下，无显著细观损伤特征；当加载应变率在860 s-1和1 380 s-1时，应力波能量显著增加，充足的冲击波能量迫使战斗部装药产生细观损伤特征，由SEM分析可知，在该加载应变率作用下其出现一种较为显著的细观损伤形式，即战斗部装药晶体颗粒表面与粘结剂剪切脱粘，如图7所示，表明剪切脱落在较小应力脉冲作用下已开始发生，其与相关文献报道中[11]出现的晶体颗粒表面与粘结剂之间剪切脱粘强度在0.3～0.6 MPa之间基本吻合。

当加载应变率在1 900 s-1和2 300 s-1时，急剧冲击波能量迫使战斗部装药晶体颗粒表面产生细观损伤裂纹，充足的冲击波能量进一步加剧细观损伤裂纹扩展，使其沿应力集中薄弱路径不断传播，在传播过程当中又出现新的损伤微裂纹，新裂纹又以同样方式扩展和传播，错综复杂，进而出现晶体颗粒破碎现象，如图8所示。

3 结论

1)改进的SHPB实验技术满足一维应力波和均匀性假设，确保战斗部装药实验试件在常应变率加载条件下进行，保证了SHPB动态力学性能测试数据的可靠性。激光测试系统监测到的试件轴向应变与半导体应变片采集结果基本吻合，表明其可较好应用于微秒级动态测试当中。

2)当轴向工程应变超越0.05时，该战斗部装药应变率效应显著增强，具有明显的应变率效应，当加载应变率在470～1 380 s-1区间时，其应力应变曲线应变硬化效应明显，呈上凸趋势；当加载应变率在1 380～2 300 s-1区间时，其应力应变曲线应变硬化效应显著增强，由上凸形式变为线性硬化。

3)由SEM细观分析可知，在860～1 380 s-1加载应变率下，战斗部装药细观损伤主要形式为颗粒表面与粘结剂剪切脱粘；当加载应变率在1380～2 300 s-1区间时，充足的冲击波能量迫使晶体颗粒发生断裂破坏，并不断向应力集中薄弱路径传播，裂纹扩展过程又产生新的损伤裂纹，以同样方式传播，错综复杂，进而使晶体颗粒产生破碎。