LI Jun-ling, WANG Shuo, FU Hua,et into the Influences of SHPB Loading Ways on the Mechanical Response of PBX[J].Chinese Journal of Energetic Materials（Hanneng Cailiao）,2019,27(10):824-829.

1 引言

炸药在服役前的运输和储存等过程中常常遭受不可忽略的力学刺激，这可能会影响炸药的爆轰性能，从而影响武器的最终作战效能，因而研究炸药的动态力学性能尤其是损伤发展备受关注。近年来，不少学者致力于PBX 炸药力学性能的研究［1-5］，尤其是本构模型的建立。建立可靠的本构模型需要大量的实验数据支持，那么实验数据的准确性就显得尤为重要。分离式霍普金森压杆（SHPB）实验是研究材料在应变率102～104范围内力学性能的常用方法，但其实验标准一直是该设备难以跨越的难关。如今基于SHPB 设备发展了多种多样的力学测试手段，都必须保证其为准静态加载［6］，充分考虑影响结果的细节设计［7-8］。特别是将其用于测试PBX 炸药等强度低的脆性材料时，更需要对实验进行特别的考虑，才能保证测试数据的准确性。

就PBX 炸药的SHPB 试验而言，除了采用必要的防护措施（试样外罩一个保护盒）外，大家主要关注两个方面的问题。第一，PBX 炸药的SHPB 试验加载强度较低，应变片信号比较弱的问题。常用的方法有采用铝杆、空心杆［9］或者粘弹性杆［10］等降低杆的波阻抗以增加杆的应变；采用压电石英晶体测试方法［11-12］直接获取试样两侧应力信号提高灵敏度；或者采用半导体应变仪［13］同时将入射、反射和透射信号放大，等等。第二，PBX 炸药内有孔隙，试样内部应力和应变在短时间内不易达到均匀状态，因此，需要确保试样受载过程中的应力平衡。常规的方法是采用入射波整形器技术［14］延缓上升前沿，同时实现常应变率加载，还可以大大减小横向惯性效应对测试的影响。

然而，要想获取规律可循且能精确反应损伤发展的应力应变曲线，还需考虑以下几个细节设计问题：在低加载条件下，加载方式是否会对试样造成额外损伤；不同加载脉宽是否会影响材料的应力应变响应；同一试样重复加载后其力学响应的变化规律。为此，本研究采用不同整形器、不同加载脉宽和相同脉宽重复加载等加载方法对某PBX 炸药进行一系列的实验研究，分析不同加载方式对损伤及应力应变响应的影响；结合回收试样的损伤观测，总结PBX 炸药的动态单轴加载条件下的损伤发展规律。期望通过上述工作，建立针对PBX 炸药更完善的SHPB 实验方法，获取准确的应力应变响应，为后续的PBX 炸药含损伤本构关系研究奠定基础。

2 不同应变加速度对试样损伤的影响

对PBX 炸药的SHPB 实验，首先需要弄清楚应变加速度过大是否会使强度较低的PBX 炸药提前发生破坏。因此，需要研究不同应变加速度对试样损伤的影响，这可通过入射波整形技术来实现。整形器的材料一般选塑性较好的已知材料，通过它们的塑性变形来有效延伸上升前沿，避免冲击加载，确保实验中试样达到变形均匀和应力平衡的要求。合理的整形器设计可方便地实现常应变率加载。橡皮作为整形器虽然能有效减小应变加速度，避免冲击加载，但对加载应变率及加载应变率历史可控性较差，即使是加工成型的橡皮整形器也很难控制每次加载的应变率精确一致。黄铜，作为典型的弹塑性材料，是目前金属SHPB 实验中广为采用的一种整形器。通过所用黄铜的面积和体积能估算出入射波形，甚至加载应变率。因此，本文采用黄铜整形器与橡皮整形器一起比较。

将加载应变率同是200 s-1的两发实验结果进行比较，两种整形器都很好地保证试样两端应力平衡。从图1 中两发实验的反射波波形可以看出，橡皮作为整形器时，应变加速度较小，达到常应变率平台200 s-1的时刻比黄铜整形器延迟了62 μs 左右。此时测得的该PBX 炸药强度比采用黄铜时要大8 MPa 左右，但破坏应变仅大0.05%。这个强度的差异完全可以与变化加载应变率所带来的变化量相比拟，不可忽略，需要弄清楚该差异产生的原因。橡皮能大大降低应变加速度，使得在应力明显上升之前试样前后两端能达到充分的平衡，其内部损伤的产生可认为是完全由应力加载所致。采用黄铜整形时试样应变加速度得到一定程度的减缓，但也许还存在一定的冲击加载，对试样造成额外的加载损伤。

为解决上述疑惑，采用高速摄影观察两种整形器下试样的破坏状态（图2 和图3）。虽然使用两种整形器加载试样均发生轴向劈裂破坏，但仔细观察后，可发现橡皮作为整形器时损伤发展更为缓慢。加载200 μs左右，才有两条裂纹隐约浮现（图2 中红圈所示），271 μs 时试样最终发生典型劈裂，裂纹在柱面上几近平行地排列。当黄铜作为整形器时，试样破坏相对更剧烈迅猛。115 μs 时圆柱试样侧面就出现裂纹，并且是多条裂纹同时出现并贯穿整个试样，入射加载端还出现明显的弯折裂纹（图3b 中红圈所示）。因此，可以认为对PBX 炸药试样，采用黄铜整形后应变加速度依然过大，试样内部产生损伤要相对较早较多，使得应力应变曲线的上升斜率较缓，测得的模量和强度都偏低。像PBX 炸药这类脆性材料，控制其破坏的力学参量可能是应变，而非应力，所以两种应变加速度加载条件下破坏应变几乎不发生变化，这在后面的实验结果中也会有所体现。这种力学性能的差异可能跟这一类PBX炸药晶体颗粒的力学脆性有关。反过来也说明试样内部应力及强度响应与加载历史很有关系，对动态加载，只选择应变率平台作为参照不够准确。为避免应变加速度过大对试样造成额外的损伤，后面的实验均采用橡皮整形器。