宗和厚, 張偉斌, 肖 麗, 周海強(qiáng), 楊占鋒

(中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

高聚物黏結(jié)炸藥(polymer bonded explosive,PBX)具有高能量密度、優(yōu)良的機(jī)械性能和較高的安全性能，廣泛應(yīng)用于國防領(lǐng)域。但PBX屬于非均質(zhì)脆性材料，在壓制、機(jī)加、后處理等過程中可能會產(chǎn)生裂紋，其中表面裂紋嚴(yán)重影響炸藥結(jié)構(gòu)組件的力學(xué)性能及爆轟性能。如裂紋端點(diǎn)處容易形成應(yīng)力集中，在外力的作用或影響下裂紋會擴(kuò)展，最終導(dǎo)致炸藥力學(xué)性能劣化。裂紋作為炸藥材料缺陷的一種典型形態(tài)，對“熱點(diǎn)”的形成具有重要影響，從而影響炸藥的感度及爆轟等性能[1]。另外，裂紋的存在也直接影響炸藥材料的應(yīng)用與加工，因此確定裂紋深度進(jìn)而消除裂紋對保證炸藥性能具有重要意義。

目前，裂紋的表征及無損評價在國內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注[2-9]，這些公開文獻(xiàn)的研究對象主要為不銹鋼、鎳等金屬材料。對炸藥的研究主要集中在定性分析外力或溫度等影響下的損傷。張偉斌等[10]研究了TATB基PBX不同成型方式初始損傷的微結(jié)構(gòu)無損表征，易俊婷等[11]對PBX炸藥進(jìn)行了溫度損傷實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明低溫貯存、溫度沖擊使炸藥件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，但并未對產(chǎn)生的裂紋深度、大小進(jìn)行測量。戴斌等[12]采用微焦點(diǎn)CT成像技術(shù)研究了不同溫度沖擊下，PBX損傷破壞的機(jī)理及其內(nèi)部裂紋的形態(tài)及擴(kuò)展方式。對裂紋的檢測主要有超聲波、X射線照相及CT成像等方法。X射線照相法只有當(dāng)射線束的方向與裂紋方向平行時檢測效果好，且只能得到裂紋的二維尺寸，且對表面細(xì)小裂紋檢測靈敏度差。CT成像技術(shù)對裂紋缺陷的定位定量分析具有獨(dú)到的優(yōu)勢，但難以分辨大試件內(nèi)微間隙裂紋。超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用廣泛，而超聲波端點(diǎn)反射法在裂紋檢測中的檢測誤差小、靈敏度高，對裂紋的檢測靈敏度已經(jīng)得到認(rèn)可[13-14]。在金屬材料檢測應(yīng)用中已有研究[15-16]，但該方法在炸藥材料中的檢測應(yīng)用還未見報道，目前還沒有快速有效的方法準(zhǔn)確測量炸藥表面裂紋特別是毫米量級裂紋深度。

為此，本研究擬建立端點(diǎn)反射法測量炸藥表面裂紋深度的方法，以定量檢測HMX基PBX炸藥表面裂紋深度，同時采用X射線微焦點(diǎn)CT(X-μCT)成像技術(shù)[17]對檢測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，分析超聲波端點(diǎn)反射法測量炸藥表面裂紋深度的準(zhǔn)確性，為PBX基炸藥表面裂紋檢測提供一種無損、便捷、有效的技術(shù)手段。

2 試驗(yàn)方法

2.1 超聲端點(diǎn)反射法

超聲波斜入射進(jìn)入炸藥件，在炸藥中產(chǎn)生折射，當(dāng)超聲波折射到裂紋端部時有一部分將沿著原路反射，稱為端部反射波。由惠更斯原理[13]知，橫波在裂紋尖端會形成次波源而產(chǎn)生衍射，稱為端部衍射波。如果端部有一反射面與入射波方向垂直，則反射波的強(qiáng)度很大，衍射波強(qiáng)度減弱甚至消失。端點(diǎn)反射法就是依據(jù)此理論來測量裂紋的深度[9]，測量炸藥裂紋深度示意圖如圖1所示。

圖1端點(diǎn)反射法測量炸藥裂紋深度示意圖

Fig.1Sketch map of measuring the crack depth of explosive by tip echo method

當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)傾斜入射到另一中介質(zhì)時，滿足折射定律[13]：

(1)

式中，α為斜探頭的入射角，°；β為超聲波在炸藥內(nèi)的折射角，°；c1為超聲波在有機(jī)玻璃楔塊中的聲速，m·s-1；c2為超聲波在炸藥中的聲速，m·s-1。

根據(jù)探頭入射角、有機(jī)玻璃中聲速、炸藥材料中聲速及三角函數(shù)關(guān)系可得裂紋深度H：

H=Wcosβ

(2)

式中，H為裂紋深度，mm；W為超聲波聲程，mm。

2.2 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品為HMX基PBX壓制炸藥塊，大小約200 mm×400 mm，厚度不等(40～80 mm)，表面均有未知深度的自然裂紋。試驗(yàn)樣品均由化工材料研究所生產(chǎn)，樣品編號分別為1#～10#。

2.3 試塊設(shè)計(jì)與加工

為保證檢測結(jié)果準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和可比性，采用材質(zhì)及成型方式均與待測的HMX基PBX炸藥相同的試塊，通過機(jī)械加工在其端面設(shè)計(jì)加工深度分別為1.0，3.0，5.0，10.0 mm的槽用以模擬裂紋，槽寬約1.5 mm，長度為20.0 mm，分別加工在2個試塊上，試塊截面示意圖如圖2所示。

a. specimen 1

b. specimen 2

圖2試塊截面示意圖

Fig.2Schematic diagrams of the cross section of specimens

2.4 實(shí)驗(yàn)裝置及參數(shù)確定

2.4.1 試驗(yàn)裝置及條件

探傷儀：CTS-9009PLUS型超聲探傷儀，汕頭超聲儀器研究所研制生產(chǎn)； 探頭：2.5P13×13K2斜探頭(入射角49.1°)，汕頭超聲儀器研究所研制生產(chǎn)； 耦合劑：自來水。

2.4.2 斜探頭校準(zhǔn)

采用CSK-ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊測量探頭的零點(diǎn)值(z)和前沿值(l)。

2.4.3 試件聲速測量

由于炸藥材料的縱波聲速與有機(jī)玻璃聲速相當(dāng)，因此采用縱波法檢測，即聲波首先達(dá)到反射面的波作為檢測波?？刹捎盟x用的斜探頭測量縱波聲速，首先設(shè)置探頭零點(diǎn)，再根據(jù)炸藥件厚度調(diào)整超聲波聲速，使測量厚度與炸藥件厚度一致，這時聲速即為超聲波在所測量炸藥試件中的聲速(c2)。

2.4.4 折射角測量

在試塊上測量斜探頭的折射角。調(diào)整超聲波反射波到最高位置，這時測量前沿到模擬試塊的邊緣距離及試塊厚度和已獲得的探頭前沿值(l)，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可以得到探頭在PBX炸藥中的折射角(β)，并通過多次測量，取其平均值。其測量結(jié)果見表1。

2.5 掃查方式

采用超聲波斜探頭在表面不同方向來回掃查。當(dāng)超聲波遇到裂紋時會產(chǎn)生脈沖反射回波，調(diào)整回波達(dá)到最大值即為裂紋的端點(diǎn)，根據(jù)回波聲程及聲波傳播的三角關(guān)系即可獲得裂紋的深度及位置。

表1超聲縱波斜探頭及炸藥聲學(xué)參數(shù)測量結(jié)果

Table1Measurement results of the ultrasonic longitudinal wave angle probe parameters

parameterl/mmz/μsc2/m·s-1β/(°)valueofmeasurement11．07．3306160．6

Note:lis front edge,zis zero point,c2is sound velocity,βis angle of refraction

3 結(jié)果與分析

3.1 超聲端點(diǎn)反射法測量預(yù)制裂紋深度

采用試驗(yàn)所用斜探頭及測量得到的參數(shù)，即超聲波在炸藥中的折射角β、炸藥材料的聲速c2，探頭前沿l、零點(diǎn)z測量已知缺陷。已知缺陷即為試塊上已知加工深度的預(yù)制裂紋。試塊上預(yù)制裂紋深度測量典型超聲波圖形如圖3所示。由圖3可見，當(dāng)探頭經(jīng)過裂紋區(qū)域時，會有明顯的反射回波，通過計(jì)算可得裂紋的深度值。由于預(yù)制裂紋表面光滑，回波信號雜波較少。

a. 3.0 mm

b. 5.0 mm

圖3試塊裂紋回波信號

Fig.3Echo signal of the crack of specimens

表2為試塊預(yù)制裂紋深度的超聲端點(diǎn)反射法檢測結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的比較。實(shí)測值為三坐標(biāo)測量機(jī)測得，由于三坐標(biāo)測量誤差在千分位，故認(rèn)為是預(yù)制裂紋的真實(shí)深度。由表2可見，端點(diǎn)反射法對1～10.0 mm范圍內(nèi)4種不同深度的預(yù)制裂紋的檢測與真實(shí)深度絕對誤差最大值為0.54 mm，誤差均在±1.0 mm之內(nèi)，且隨著裂紋深度的增加，測量誤差呈減小趨勢，說明該方法對炸藥表面裂紋深度的無損檢測準(zhǔn)確可行。

表2預(yù)制裂紋深度檢測結(jié)果和真實(shí)值的比較

Table2Comparison of prefab cracks of the experiment results with the measurement ones

processdepthofprefabcracks/mmmeasuringdepthofobjection/mmvaluefromtipechomethod/mmerror/mm1．0 1．14 1．68 0．543．0 3．76 4．27 0．515．0 5．47 5．38-0．0910．0 10．56 10．78 0．22

分析認(rèn)為實(shí)驗(yàn)測定的裂紋深度與其真實(shí)值的差異主要來源有： 炸藥作為一種不均勻顆粒壓制材料，內(nèi)部的密度差異及微缺陷等都可能引起聲速的差異，此外，溫度是影響測量聲速的主要因素，由于超聲波的傳播時間是炸藥裂紋深度測量的中間結(jié)果，因此聲速的設(shè)置直接影響裂紋深度測量的誤差。為降低聲速測量誤差，本實(shí)驗(yàn)采用多次多點(diǎn)測量其均值的方法使誤差盡可能減小，并控制實(shí)驗(yàn)室溫差小于5 ℃。誤差還可能來源于儀器線性以及儀器與探頭組合的系統(tǒng)誤差。本實(shí)驗(yàn)采用了在試塊上多次校驗(yàn)以使誤差最小化。

3.2 表面裂紋深度檢測

斜探頭超聲檢測HMX基PBX炸藥樣品表面開口裂紋，其典型波形圖(2#、5#和7#)如圖4所示。比較圖4和圖3，可見HMX基PBX炸藥樣品表面開口裂紋的回波信號基本與模擬試塊相似，圖中所示W(wǎng)和H分別為最大回波時的聲程和對應(yīng)的深度。

對樣品逐一進(jìn)行檢測，根據(jù)聲程及斜入射三角函數(shù)計(jì)算獲得裂紋的深度，結(jié)果見表3。由表3可見，采用超聲波端點(diǎn)反射法可以測量炸藥表面深度在1.0～35.0 mm的開口裂紋的深度。

表3HMX基PBX炸藥最大裂紋深度實(shí)測結(jié)果

Table3Measurement results of the maximum surface crack depth results of HMX based PBX

No．1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#maximumcrackdepth/mm7．025．384．106．516．4811．506．926．796．2934．56

a. 2#b. 5#c. 7#

圖4HMX基PBX炸藥表面裂紋深度檢測典型波形圖

Fig.4Typical echo signal of the surface crack depth detection of HMX based PBX

3.3 表面裂紋深度CT驗(yàn)證

為進(jìn)一步檢驗(yàn)端點(diǎn)反射法測量HMX基PBX炸藥表面裂紋深度的準(zhǔn)確性，采用X-μCT技術(shù)檢測10#樣品裂紋最大深度為34.37 mm，10#樣品裂紋表面實(shí)物圖及X-μCT定量檢測結(jié)果如圖5所示。可見，超聲波端點(diǎn)反射法檢測結(jié)果(34.56 mm)與X-μCT檢測結(jié)果差值為0.19 mm，說明超聲波端點(diǎn)反射法定量檢測HMX基PBX炸藥表面裂紋的準(zhǔn)確性較高。

a. physical mapb. crack depth by X-μCT

圖510#樣品實(shí)物及裂紋深度X-μCT檢測結(jié)果

Fig.510#sample and detection results of crack depth by X-μCT

4 結(jié) 論

采用超聲波斜探頭研究了超聲端點(diǎn)反射法在檢測炸藥表面裂紋深度中的應(yīng)用，獲得了測量炸藥裂紋深度的檢測方法，實(shí)現(xiàn)了對炸藥裂紋深度的無損檢測。通過對人工設(shè)計(jì)裂紋檢測、以及與X-μCT檢測結(jié)果進(jìn)行對比，表明超聲波端點(diǎn)反射法對炸藥裂紋深度檢測具有較高的準(zhǔn)確性。可檢測炸藥表面1.0～35.0 mm范圍的裂紋深度， 誤差在±1.0 mm之內(nèi)。該方法可為HMX基PBX炸藥裂紋檢測及質(zhì)量控制提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn):

[1] Labarbera D A, Zikry M A. The effects of microstructural defects on hot spot formation in cyclotrimethylenetrinitramine-polychlorotrifluoroethylene energetic aggregates[J].JApplPhys, 2013,113: 243502.

[2] Blackshire James L, Sathish Shamachary. Near-field ultrasonic scattering from surface-breaking cracks[J].AppliedPhysicsLetters, 2002,80: 3442-3444.

[3] ZUO Yong-bin, CHEN Zhen-mao,MAO Ying, et al. Enhancement of sizing capability of ECT for deep cracks by using split TR probes[J].InternationalJournalofAppliedElectromagneticsandMechanics, 2010, 33 (3): 1157-1164.

[4] Wirdelius, Hakan. Probe model implementation in the null field approach to crack scattering[J].JournalofNondestructiveEvaluation, 1992, 11(1): 29-39.

[5] Belyaev A, Polupan O,Dallas W, et al. Crack detection and analyses using resonance ultrasonic vibrations in full-size crystalline silicon wafers[J].AppliedPhysicsLetters, 2006, 88: 111907.

[6] 王增勇, 余波, 孫朝明, 等. 電位法測試導(dǎo)體表面裂紋深度研究[J]. 無損檢測, 2007, 29(7): 404-406.

WANG Zeng-yong, YU Bo, SUN Chao-ming, et al. Evaluation of surface crack depth of conductor by electric potential drop method[J].NondestructiveDetection, 2007, 29(7): 404-406.

[7] 馬艷華,周月紅,李宏遠(yuǎn). 鋁合金試件裂紋深度滲透檢測試驗(yàn)研究[J]. 無損檢測, 2002, 24(12): 532-533,545.

MA Yan-hua, ZHOU Yue-hong, LI Hong-yuan. Test research on crack depth evaluation of aluminum alloy parts by penetrant testing[J].NondestructiveDetection, 2002, 24(12): 532-533,545.

[8] Mika K, Iikka V. Crack characteristics and their importance to NDE[J].JNondestructEval, 2011, 30: 143-157.

[9] 柯常波, 陳鐵群, 張欣宇. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超聲無損測定表面開口裂紋深度[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2007, 30(1): 17-21.

KE Chang-bo, CHEN Tie-qun, ZHANG Xin-yu. Ultrasonic testing of height of surface breaking cracks base on BP neural networks[J].OrdnanceMaterialScienceandEngineering, 2007, 30(1): 17-21.

[10] 張偉斌, 李敬明, 楊雪海, 等. TATB顆粒溫壓成型PBX的初始細(xì)觀損傷[J]. 含能材料, 2015, 23(2): 202-204.

ZHANG Wei-bin, LI Jing-ming, YANG Xue-hai, et al. Initial mesoscopic damage of TATB based PBX pressed by warm compaction[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2015, 23(2): 202-204.

[11] 易俊婷, 袁寶慧, 牛鵬俊, 等. 炸藥損傷及損傷炸藥環(huán)境適應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 火炸藥學(xué)報, 2008, 31(2): 78-80.

YI Jun- ting, YUAN Bao-hui, NIU Peng-jun. Experimental study on the explosive damage and environment adaptability of damaged explosive[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2008, 31(2): 78-80.

[12] 戴斌, 張偉斌, 田勇, 等. 含能材料損傷裂紋的工業(yè)CT圖像分析[J]. CT理論與應(yīng)用研究, 2009, 18(4): 68-74.

DAI Bin, ZHANG Wei-bin, TIAN Yong,et al. Analysis of damaging crack in industrial CT image of energetic material[J].CTTheoryandApplications, 2009, 18(4): 68-74.

[13] 郭偉. 超聲檢測[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991: 5.

[14] MikaKemppainen, Iikka Virkkunen. Crack characteristics and their importance to NDE[J].JNondestructEval, 2011, 30: 143-157.

[15] 牛向東, 超聲端點(diǎn)反射法測量裂紋自身高度的數(shù)字處理方法[J]. 無損檢測,2001,23(7): 298-301.

NIU Xiang dong. Rearch on the mesurement of crack height by ultrasonic edge peak echo method[J].NondestructiveDetection, 2001,23(7): 298-301.

[16] 柯常波, 陳鐵群, 謝寶忠, 等. 埋藏裂紋高度的超聲無損測定[J]. 壓力容器, 2006, 23(9): 44-47.

KE Chang-bo, CHEN Tie-qun, XIE Bao-zhong, et al. Utrasonic testing of height of embedded cracks[J].PressureVessel, 2006, 23(9): 44-47.

[17] 張偉斌, 田勇, 楊仍才, 等. RDX晶體顆粒壓制密度分布的μCT試驗(yàn)研究[J]. 含能材料, 2012, 20(5): 565-570.

ZHANG Wei-bin, TIAN Yong, YANG Reng-cai, et al. Density distribution of pressed RDX crystals with a cone-beam micro-focus computed tomography[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2012, 20(5): 565-570.