張建彬，鞠玉濤，周長省

（南京理工大學 機械工程學院，南京210094）

固體推進劑藥柱在生產(chǎn)、貯存、運輸和使用過程中，將承受各種復雜的載荷，這些載荷很可能會使推進劑藥柱內(nèi)部產(chǎn)生應力和應變，如果超過其力學性能的允許范圍，很可能造成藥柱破裂、變形和藥柱及殼體粘結面的脫粘，從而破壞固體推進劑裝藥的結構完整性，導致發(fā)動機工作性能嚴重惡化，甚至引起整個發(fā)動機爆炸[1].眾所周知，材料的力學性能與其變形溫度、應變率、應力狀態(tài)等因素有關[2].文獻[3～5]在單向拉伸下對復合推進劑的力學性能和本構方程進行了研究；李吉禎等通過試驗研究了改性推進劑成分對其力學性能的影響[6]；文獻[7]從燃燒機理對雙基推進劑的性能進行了研究；HERDER G等用DMA測試了雙基推進劑的存儲模量和損耗模量，并與傳統(tǒng)拉伸試驗機的測試結果進行了對比分析[8].雙基推進劑燃燒產(chǎn)物均為氣體，是一種清潔的固體推進劑燃料，常作為各類導彈燃氣動力系統(tǒng)的能源.而國內(nèi)外對雙基推進劑的屈服響應和斷面形貌系統(tǒng)性的研究較少.本文對某雙基推進劑在不同溫度和應變率下的力學性能進行了試驗研究，并分析了其屈服響應及其試樣斷面的變化規(guī)律，以便為以后的雙基推進劑的選擇和裝藥的結構完整性分析奠定基礎.

1 試驗部分

1.1 推進劑試樣

主要原料：硝化棉（NC，56%）、硝化甘油（NG，26.7%）、二硝基甲苯（DNT，11.3%），其它（6%）.本試驗采用的試件取制于某雙基推進劑藥柱，根據(jù)航天部標準QJ924－85將藥柱采用機械加工方法制成啞鈴狀試樣，如圖1所示.

圖1 雙基推進劑試樣（單位：mm）

1.2 儀器及試驗條件

機加工后，所有試樣在323.15 K溫度下保溫48h，以消除機加工時的殘余應力.試驗前，拉伸試樣再在恒溫箱里實驗溫度下保溫4h.試驗時，拉伸試樣及夾具置于具有溫控箱的QJ211B型電子萬能試驗機上，同時在試樣的標距內(nèi)安裝上縱向引伸計.試驗溫度分別為233.15K、288.15K、323.15K，而應變率分別為50.5×10－4s－1、126.25×10－4s－1、252.5×10－4s－1、1 262.5×10－4s－1，每組試驗需5個試樣.試驗前檢查計算機程序設置無問題時，啟動計算機程序?qū)崟r記錄推進劑單向拉伸應力和試樣的變形值.

2 結果分析

2.1 應力應變與溫度及應變率的相關性

本研究對該雙基推進劑試樣在3種溫度、4種應變率下做了單向拉伸試驗.該雙基推進劑啞鈴試樣在3種溫度、4種應變率下，單向拉伸直到試樣斷裂為止的5次試驗的平均拉伸應力－應變曲線如圖2所示.圖3為在不同溫度T下，試樣的斷裂強度σ和斷裂延伸率的散差與應變率的關系.

圖2 不同溫度和應變率下應力－應變曲線

圖3 不同溫度下斷裂性能散差直方圖

由圖2、圖3可見，在同一環(huán)境溫度下，隨著應變率的增加，斷裂強度隨之增大，在低溫（233.15K）時斷裂延伸率隨之減小，并且每組的斷裂強度和斷裂延伸率的散差相對較大，而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）時斷裂延伸率無明顯差異，并且每組的斷裂強度和斷裂延伸率的散差相對較小，產(chǎn)生這種情況的原因可能是雙基推進劑在低溫（233.15K）時近似為脆性材料，而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）時為粘彈塑性材料；在同一應變率下，隨著環(huán)境溫度的增加，斷裂強度隨之降低，而斷裂延伸率隨之增大.所得試驗結果與雙基推進劑力學性能現(xiàn)存的主要問題（高溫強度低、低溫延伸率低[1]）相一致.在低溫（233.15K）下不論低速還是高速拉伸時應力增長都很明顯，應力－應變近似為線性關系.在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）下單向拉伸時，當應變在某一較小范圍內(nèi)時，應力與應變基本上呈線性關系，應力在此范圍內(nèi)有顯著的變化，而延伸率變化不太明顯；當應變超出這一范圍時，應力與應變偏離線性關系，且隨著應變的增大，偏離程度增大，接著出現(xiàn)粘塑性流動現(xiàn)象，其流動應力隨應變率的增高而增大，在此非線性范圍內(nèi)應力變化較緩慢，而延伸率變化相對較快.

比較這3種環(huán)境溫度下的應力－應變曲線可以發(fā)現(xiàn)，常溫（288.15K）與高溫（323.15K）不同應變率下，應力－應變曲線可分為2個階段：起始階段，應力應變呈近似的線性關系；平臺階段，在此區(qū)域應力變化比較平緩，而應變則隨著加載時間的延長而逐漸增大，直到試樣斷裂，隨著環(huán)境溫度的增加，應力平臺階段更為明顯.而低溫（233.15K）拉伸應力－應變曲線沒有平臺區(qū)，其應力－應變曲線近似呈線性關系，說明該推進劑在低溫（233.15K）環(huán)境下進入了玻璃化狀態(tài)，可近似為脆性材料.通過以上分析可知，該雙基固體推進劑的應力－應變與溫度和應變率都有明顯的相關性.

2.2 斷裂性能與應變率的相關性

由圖2、圖3可知，隨著應變率的增加，斷裂值隨之增加，推進劑的斷裂強度和斷裂延伸率與應變率的對數(shù)成線性關系，如圖4所示.

圖4 斷裂性能與應變率的相關性

由圖4可知，雙基推進劑的斷裂強度和斷裂延伸率與對數(shù)應變率呈線性關系，直線擬合方程的相關系數(shù)R接近1，說明直線擬合有很高的可信度.但是斷裂強度和斷裂延伸率的變化趨勢不完全一致，隨著應變率的增加，斷裂強度隨之增大，在低溫（233.15K）時推進劑近似為脆性材料，斷裂延伸率隨之減小，而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）時推進劑為粘彈塑性材料，斷裂延伸率隨之變化比較平緩.可見雙基推進劑的斷裂性能與應變率有明顯的相關性.

2.3 屈服值與應變率的相關性

由圖2可知，雙基推進劑在低溫（233.15K）時近似為脆性材料，在常溫（288.15 K）和高溫（323.15K）單向拉伸時出現(xiàn)粘塑性流動現(xiàn)象，則雙基推進劑此時屬于粘彈塑性材料，存在屈服現(xiàn)象，但是其應力－應變曲線不存在明顯的屈服降.屈服值只能通過沿應力－應變曲線的起始部分和最終部分做兩條切線，由切線夾角的平分線與曲線的交點來確定.常溫（288.15K）和高溫（323.15K）下屈服強度σy和屈服應變εy與對數(shù)應變率關系如圖5所示.

圖5 常溫和高溫時屈服值與應變率的相關性

由圖5可看出，雙基推進劑在常溫（288.15K）和高溫（323.15 K）不同應變率下屈服值的變化趨勢不完全一致.在同一溫度下，隨著應變率的增加，屈服強度隨之增加，而屈服應變隨之減小；在同一應變率下，隨著溫度的增加，屈服強度隨之減小，而屈服應變隨之增加.

對金屬材料而言，屈服極限是表征材料抵抗塑性變形的能力，是設計和選材的主要依據(jù)之一，不容許有明顯塑性變形的零件，以屈服強度為強度設計指標.雙基推進劑在一定條件下也表現(xiàn)出塑性變形，所以為了安全起見，設計固體推進劑裝藥時應該以屈服值為主要依據(jù)，也就是以推進劑的屈服值為許用值來設計推進劑的裝藥藥型和結構.

2.4 試樣斷面形貌分析

雙基推進劑在不同的溫度條件下，所呈現(xiàn)的力學性能相差很大，在低溫（233.15 K）下近似可看成脆性材料，在單向拉伸時試樣很可能崩斷為好幾段，所以很難得到低溫下試樣的完整斷面.而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）時試樣在較低或較高應變率下都不存在崩斷的現(xiàn)象，這與雙基推進劑在常溫或高溫下是粘彈性材料相吻合，常溫和高溫不同應變率下試樣斷面形貌如圖6所示.

平常所說的白痕在這里是指應力發(fā)白，是推進劑試樣在應力作用下產(chǎn)生的大量微裂紋聚集區(qū)（根據(jù)應力發(fā)白程度的大小和發(fā)生區(qū)域，可能包括一定數(shù)量的銀紋、裂紋和微孔），由于此區(qū)域折光指數(shù)降低而呈現(xiàn)白色，即應力發(fā)白是產(chǎn)生微裂紋、微孔或銀紋化的結果.由圖6（a）可見，常溫（288.15K）下雙基推進劑在較低應變率下的斷面比較光滑，隨著應變率的增加，斷面變得越來越粗糙；在較低應變率下斷面處有個90°的圓弧白痕，隨著應變率的增加，圓弧白痕逐漸變小，并且白痕越來越不明顯，而形貌變?yōu)?0°的橢圓弧.由圖6（b）可見，高溫（323.15K）下雙基推進劑在不同應變率下的斷面光滑程度相差不大，但是隨著應變率的增加，斷面變得相對粗糙；斷面處有個半月牙弧的白痕，在較低應變率下白痕比較明顯，隨著應變率的增加，半月牙弧的白痕逐漸變小并且白痕越來越不明顯.而在低溫不同應變率下，試樣崩斷很難得到完整的斷面，但是從常溫（288.15K）和高溫（323.15K）下的斷面可以推測，在低溫（233.15K）不同應變率下，隨著應變率的增加，斷面的光滑程度變得更差，斷面上的白痕變得越來越小，白色程度也變得相對較淺.試樣斷面形貌的規(guī)律也表明了雙基推進劑的力學性能與環(huán)境溫度和應變率有很緊密的聯(lián)系.

圖6 不同溫度下試樣典型斷面形貌

3 結論

①雙基推進劑藥柱在低溫（233.15 K）下基本處于玻璃化階段，斷裂強度較大，大約為45.33～54.44 MPa，斷裂延伸率較低，其值為2.45%～4.02%；而在常溫（288.15K）或高溫（323.15K）階段斷裂強度相對較小，常溫（288.15K）時大約為高溫（323.15K）時的2倍，但是斷裂延伸率相差不明顯，都在11%～15%之間.

②雙基推進劑藥柱的力學性能與環(huán)境溫度和應變率都有明顯的相關性，在較低溫度（233.15K）下近似為脆性材料，應力與應變大體上呈線性，而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）下呈現(xiàn)為明顯的粘彈塑性材料，應力與應變存在明顯的非線性關系，并且存在明顯的應力平臺區(qū).

③本文提出了針對雙基推進劑屈服值的判斷方法.為安全起見，應以屈服值為許用值來設計推進劑裝藥藥型和結構.

④雙基推進劑低溫（233.15 K）拉伸時存在崩斷現(xiàn)象，而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）拉伸時不存在此現(xiàn)象.拉伸試樣的斷面存在應力發(fā)白現(xiàn)象，在同一溫度、不同應變率下，隨著應變率的增加，斷面的光滑程度隨之變差，斷面上應力發(fā)白程度隨之降低.在同一應變率、不同溫度下，隨著環(huán)境溫度的升高，應力發(fā)白程度隨之增加.

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