2. 中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621900;
3. 西南科技大学, 四川 绵阳 621010;
4. 中国工程物理研究院研究生部，四川 绵阳 621999
2. Institute of Chemical Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China;
3. Southwest University of Science and Technology Mianyang 621010, China;
4. Graduate School of CAEP, Mianyang 621999, China
炸药材料除了是能量材料外，使用过程中还需作为结构材料承受装配、服役环境变化等产生的力学载荷。美国Los Alamos的研究[1]表明炸药构件的结构完整性，不仅关乎武器系统的战场表现，对于服役过程的安全性也至关重要。高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive，PBX)模量低(不超过12 GPa)，强度低[2](单轴拉伸强度不超过8 MPa)，常温下便可体现出明显的粘弹性[3-4]，载荷作用下存在直接破坏/蠕变破坏[5-6]等风险。庞海燕等[7-8]对比分析了某PBX直接拉伸破坏和巴西圆盘间接拉伸破坏的异同，并获取了基于应力描述的强度数据；涂小珍等[9]在20~70 ℃的较宽温度范围内研究了TATB基PBX的拉伸/压缩破坏应力等力学性能；林聪妹等[10]则对TATB基PBX拉伸/压缩/三点弯曲时的蠕变及破坏进行了研究。上述研究中均采用破坏应力作为主特征破坏参数，实际上目前的研究工作在论及破坏时几乎都惯性地采用破坏应力(强度)，而没有系统讨论过破坏应变作为主特征参数的适应性；现已知PBX炸药的破坏应力与载荷作用时间及环境温度密切相关，如文献[9]中描述的TATB基PBX的单轴压缩破坏即可描述为20 ℃时的27.61 MPa(达到即破坏)、55 ℃时的17.56 MPa(达到即破坏)以及65 ℃时的13.57 MPa(达到即破坏)，又可描述为60 ℃时的12 MPa(作用约10 min)，还可描述为70 ℃时的10 MPa(作用约12 min)，因此严格意义上讲，采用破坏应力描述炸药材料的破坏，需同时给出载荷作用时间和环境温度。破坏应变作为主特征参数，或许可以忽略环境温度、初始应力水平等载荷历程因素而只看结果，认为当达到临界应变材料即破坏；同时在实验力学领域应力属于不可直接测试量，往往需通过应变测试来间接获得。本研究通过设计开展不同温度下的单轴拉伸/压缩直接破坏、不同初始应力水平的蠕变后破坏试验，研究环境温度、蠕变初始应力水平对破坏参数的具体影响，识别破坏应力和破坏应变各自作为破坏主特征参数的优劣，为后期建立PBX强度准则和评估结构强度奠定基础。
2 试验 2.1 试验原料与仪器研究对象为某TATB基PBX炸药，试验在Instron5582型材料试验机上进行，试验分为单轴拉伸和单轴压缩两大类别，拉伸试样为直径15 mm长度65 mm的哑铃，压缩试样为Φ20 mm×20 mm的圆柱，样品满足GJB772A-1997要求。
2.2 试验方法考虑20、35 ℃和50 ℃三个温度点，分别开展直接破坏试验和蠕变后破坏试验，共计拉伸试验36发，压缩试验36发，试验方法满足GJB772A-1997要求。首先开展各温度下的直接破坏试验，然后依据获得的破坏应力和破坏应变设计蠕变后破坏试验的初始应力水平，其中拉伸蠕变试验按30%、50%和70%的直接破坏应力，压缩蠕变试验按40%、60%和80%的直接破坏应力，结合直接破坏数据，蠕变后破坏的试验方案如表 1，试验过程为先加载至预设初始应力，然后保持应力不变使样品蠕变2 h，最后加载直至样品破坏，试验时的载荷-时间示意曲线如图 1所示。
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表 1 蠕变后破坏试验方案 Tab.1 Plan of failure tests after creep |
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图 1 蠕变后破坏试验的载荷-时间曲线示意 Fig.1 Load-time curve of failure tests after creep |
表 2为20、35 ℃和50 ℃时的直接破坏应力和直接破坏应变，包括单轴拉伸和单轴压缩两个加载方式。依据上述直接破坏数据，按30%、50%和70%破坏应力的梯度设计了不同初始应力水平的拉伸蠕变后破坏试验，九种工况下的破坏应力和破坏应变如表 3所示；同理，按40%、60%和80%破坏应力的梯度设计了不同初始应力水平的单轴压缩蠕变后破坏试验，表 4是获得的蠕变后破坏应力和破坏应变，表中星号数据代表试样在蠕变过程中破坏。
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表 2 不同温度下单轴直接破坏的应力与应变 Tab.2 Failure stresses and failure strains of direct failure tests at different temperature |
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表 3 单轴拉伸蠕变后破坏的破坏应力与破坏应变 Tab.3 Stresses and strains of uniaxial tension failure tests after creep |
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表 4 单轴压缩蠕变后破坏的破坏应力与破坏应变 Tab.4 Stresses and strains of uniaxial compression failure tests after creep |
图 2 图 3是不同载荷历程下的单轴拉伸破坏应力和破坏应变的比较情况，由图可知：不论是直接破坏，还是蠕变后破坏，破坏应力随环境温度的升高均体现出下降趋势(图 2中同组数据比较)，破坏应变随环境温度的升高则逐渐增大(图 3中同组数据比较)；在相同的环境温度下，初始应力水平的增加，会导致破坏应力的逐渐降低(图 2中同色数据比较)和破坏应变的逐渐增大(图 3中同色数据比较)，且直接破坏应变可作为该温度点的临界破坏应变。
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图 2 不同载荷历程的单轴拉伸破坏应力比较 Fig.2 Comparison of uniaxial tension failure stresses under different loading histories |
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图 3 不同载荷历程的单轴拉伸破坏应变比较 Fig.3 Comparison of uniaxial tension failure strains under different loading histories |
具体来讲，20 ℃的直接破坏应力为8.731 MPa，不同初始应力水平的蠕变后破坏应力分别为8.703 MPa、8.517 MPa和8.493 MPa，最大降幅2.73%；35 ℃的直接破坏应力为7.955 MPa，对应蠕变后的破坏应力为7.813 MPa、7.752 MPa和7.619 MPa，最大降幅4.22%；50 ℃的直接破坏应力为6.778 MPa，对应的蠕变后破坏应力为6.583 MPa、6.517 MPa和6.485 MPa，最大降幅4.32%，降幅随环境温度升高逐渐增大。
与破坏应力的变化规律相反，20 ℃的直接破坏应变为0.1330%，不同初始应力水平的蠕变后破坏应变分别为0.1353%、0.1395%和0.1423%，最大升幅6.99%；35 ℃的直接破坏应变为0.1452%，对应蠕变后的破坏应变为0.1479%、0.1554%和0.1576%，最大升幅6.56%；50 ℃的直接破坏应变为0.1675%，对应的蠕变后破坏应力为0.1709%、0.1715%和0.1760%，最大升幅5.07%，升幅随环境温度升高逐渐减小。
上述是对拉伸破坏数据的分析，压缩破坏应力方面，不论是直接破坏还是蠕变后破坏，破坏应力随环境温度的升高数值降低(图 4中同组数据比较，负号表示压缩，讨论仅针对数值)。具体体现为：直接破坏的压缩破坏应力由20 ℃的27.583 MPa下降到50 ℃的17.583 MPa，最大降幅36.3%；40%梯度初始应力水平的蠕变后破坏应力从27.565 MPa下降到17.417 MPa，最大降幅36.8%，60%和80%梯度初始应力水平的蠕变后破坏应力的最大降幅分别为37.2%和47.5%。相同的环境温度下，随着初始应力水平的增加，破坏应力数值也逐渐下降(图 4中同色数据比较)。
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图 4 不同载荷历程的单轴压缩破坏应力比较 Fig.4 Comparison of uniaxial compression failure stresses under different loading histories |
压缩破坏应变方面，不论直接破坏还是蠕变后破坏，35 ℃与20 ℃的数据基本相当，略有下降，50 ℃的破坏应变远低于20 ℃的数据，直接破坏的降幅为17.4%，40%、60%和80%梯度初始应力水平的数据降幅分别为18.3%、19.5%和19.1%(图 5同组数据比较)，分析认为粘结剂热物理性能随温度的变化是造成50 ℃时破坏应变明显下降的主要原因，本研究中PBX粘结剂的玻璃化转变温度为53.2 ℃[11]，试验温度接近该温度。相同的环境温度下，破坏应变随着蠕变时初始应力的增加逐渐增大(图 5同色数据比较)，直接破坏时的应变可作为该温度的临界破坏应变。
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图 5 不同载荷历程的单轴压缩破坏应变比较 Fig.5 Comparison of uniaxial compression failure strains under different loading histories |
综上，在20~50 ℃的试验温度范围内，不论是拉伸还是压缩，随环境温度和初始应力水平的变化，破坏应力的变化幅度远大于破坏应变，试验获得了相同温度下破坏应力最大20%的降幅(35 ℃下17.88 MPa的蠕变破坏较之于直接破坏)，不同温度下破坏应力的最大降幅为47.5%(50 ℃下14.06 MPa的蠕变破坏较之于20 ℃下22 MPa的蠕变后破坏)，而此时的破坏应变变化幅度为6.47%和19.1%；从变化的方向来看，破坏应力随初始应力水平的升高和加载时间的累积而逐渐降低，破坏应变则逐渐增大，这导致了相同温度下破坏应力没有临界值可供选择，而可选择直接破坏应变作为判断破坏的临界值([ε])，不论该应变是载荷直接引起的(εload)还是时温诱发蠕变引起的(εcreep)，如式(1)式(2)所示。
| $ [\varepsilon] = {\varepsilon _{{\rm{load}}}} + {\varepsilon _{{\rm{creep}}}} $ | (1) |
| $ {\varepsilon _{{\rm{creep}}}} = f(\mathit{T}{\rm{, }}\mathit{t, }{\sigma _0}) $ | (2) |
较之于破坏应力，采用破坏应变作为主特征破坏参数的最大优势在于不仅可以考虑载荷的直接影响，还可以考虑时温诱导蠕变产生的应变，当总应变达到许用应变，即可判定破坏，这是破坏应力描述中无法实现的；单轴强度是复杂应力下强度研究的基础，基础该认识有助于建立PBX的粘弹多轴强度准则，只是直接应用单轴蠕变数据于复杂应力状态存在局限性，需予以验证和优化。
4 结论20~50 ℃，不论是单轴拉伸还是单轴压缩，也不论是直接破坏还是蠕变后破坏，破坏应力均随环境温度的升高而降低，破坏应变则在拉伸时的增大和压缩时减小；相同的环境温度下，蠕变初始应力水平的增加会导致破坏应力的降低和破坏应变的增大。
不论是拉伸还是压缩，随环境温度和蠕变初始应力水平的变化，破坏应力的变化幅度远大于破坏应变；从变化的方向来看，破坏应力较之于直接破坏应力逐渐降低，破坏应变则逐渐增大，致使破坏应力没有临界值，而选破坏应变为主特征破坏参数，则可选直接破坏应变为临界值，认为当一点应变达到临界即破坏，而不论该应变是载荷直接引起的还是时温诱发蠕变引起的，这是破坏应力作为主特征破坏参数在描述中无法实现的。
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A series of uniaxial tension and compression-induced direct failure tests, and also failure after creep tests under different initial stresses, were designed within the temperature range of 20-50 ℃ on a type of TATB-based PBX. Based on the acquired failure data, effect of environment temperature and initial creep stress on the failure stress and strain were analyzed.