实验加载方式对炸药力学响应的影响研究(2)
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【摘要】图1 黄铜整形器与橡皮整形器的比较Fig.1 The comparison of the brass shaper and the eraser shaper 图2 橡皮作为整形器时试样的破坏过程Fig.2 The damage evolution of specimen b
图1 黄铜整形器与橡皮整形器的比较Fig.1 The comparison of the brass shaper and the eraser shaper
图2 橡皮作为整形器时试样的破坏过程Fig.2 The damage evolution of specimen by use of eraser shaper
图3 黄铜作为整形器时试样的破坏过程Fig.3 The damage evolution of specimen by use of brass shaper
3 相同脉宽重复加载与不同脉宽加载对试样损伤发展的影响
要研究相同脉宽重复加载和不同加载脉宽对试样力学性能的影响,都需要采用单脉冲加载技术保证单次实验试样仅受一次加载。典型的单脉冲加载信号如图4 所示。Ch2 为入射杆记录的应变信号,Ch3 为石英压电晶体片测得透射杆端的应力信号,Ch4 为透射杆记录的应变信号。可见,反射波后紧跟一个反射波,带动入射杆远离试样,使得后续的压缩波不会对试样产生压缩作用。
图4 单脉冲加载时的原始记录波形Fig.4 The original signal of single-pulse loading
图5 给出试样被长度分别为100 mm 和200 mm的子弹多次加载后的应力应变曲线。当初次加载较小时,试样内部应该没有损伤产生,第二次加载时应力应变曲线的上升沿几乎没发生变化(见图5a)。子弹长度为100 mm 时加载脉宽短,需要较高的应变率加载(380 s-1)来使试样产生足够的变形以达到临界破坏值。子弹长度为200 mm 时,初次加载的应变率为90 s-1,试样内部没有损伤产生,因而二次加载时应力应变曲线上升沿也几乎无变化。二次加载应变率上升到130 s-1,应力达到60 MPa 后,曲线出现了一点弧度,卸载路径与加载路径差异更明显,这说明此时试样内部出现不可恢复的损伤。第三次加载时,试样的应力应变曲线上升速率变缓,损伤后试样的模量有所降低,最终破坏强度仅为63 MPa。值得注意的是此时试样的加载应变率仅为160 s-1,破坏应变也有所减小(见图5b)。由此可见,材料重复受载后可能会因其新生损伤而改变应力应变响应,在对其损伤本构关系描述时应计及加载历史的影响,或者卸载时损伤造成的残余应变。
接下来研究不同长度脉宽加载对PBX 炸药力学性能的影响,采用长度分别为100 mm、200 mm 和300 mm 的子弹进行实验,得到了一系列不同加载脉宽不同应变率时试样的应力应变曲线(见图6)。子弹较短时,可提高试样的极限应变率,子弹较长时,可在低应变率时试样发生破坏。子弹长度为300 mm 时,加载应变率只需要80 s-1,试样就会发生轴向劈裂破坏。再次说明研究PBX 炸药的力学响应,仅考虑应变率的影响不够,加载历史与材料的强度密切相关。
图5 重复加载后的应力应变曲线Fig.5 Stress-strain histories of repeated loading
由于橡皮作整形器对加载应变率及应变率历史的可控性较差,很难实现不同脉宽相同应变率的加载。比较相同脉宽的加载实验结果,可知试样的强度依然随加载应变率的增加有所增加。该PBX 炸药在常规测试应变率区间(140~280 s-1)的强度变化幅度较小,然而当应变率低至80 s-1或高至380 s-1,材料强度的减小或升高非常明显,大幅增加了材料强度变化范围(约50~82 MPa),破坏应变的变化范围略有增加(约10%~15%)。因而当测试像PBX 炸药这类应变控制破坏的准脆性材料,应尽可能拓展其测试应变率范围,而改变加载脉宽不失为一个有效的实验方法。值得一提的是此类材料的应变率范围极为有限,盲目提高实验加载应变率恐不能满足准静态平衡假设。
4 试样损伤观测及加载过程中的损伤发展描述
图6 不同加载脉宽时的应力应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of different loading widths
如若不采用单脉冲加载,动态压缩后的该种PBX试样通常为粉碎状,难以回收。利用单脉冲加载,并合理控制加载强度,可将单次压缩加载后的试样小心回收。扫描电镜可以察看非平整断裂面的三维立体形貌,故将回收试样放在扫描电镜SEM 下观察断裂剖面,图中的形貌皆位于发生轴向劈裂的断裂面(图7)。图7a 给出了压缩断裂面的整体形貌,断裂面不平整,伴有多条次级裂纹和许多小晶体碎粒。沿压缩方向晶体被紧密压实,在放大倍数较小时很难发现清晰晶体界面(图7b)。中部的晶体发生整齐的劈裂,同时可见一些方向各异的裂纹。继续增加放大倍数,可以发现晶体与晶体间界面扭曲,表明晶体发生较大变形。部分晶体损伤严重,可能发生多次断裂,不仅断裂面不整齐,常常伴有多条微裂纹(图7c)。在图7d 的位置有许多细小的碎粒,表明该处损伤最为严重。
因此,与拉伸破坏试样相比,试样受压缩发生宏观轴向劈裂时的损伤大有不同。不仅试样内部存在严重的挤压损伤,晶体间交界面扭曲,断裂面处的晶体不止发生一次断裂,严重的部位发生晶体碎裂。
文章来源:《固体力学学报》 网址: http://www.gtlxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0224/435.html