許進(jìn)升，楊曉紅，陳 雄，杜紅英，李 輝

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094;2.中國人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012； 3.晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030027)

引 言

固體推進(jìn)劑藥柱在火箭發(fā)動機(jī)全壽命周期內(nèi)會受到不同形式的交變載荷的作用，如交替溫度載荷、運(yùn)輸振動等[1]。交替載荷短時(shí)間內(nèi)不會造成推進(jìn)劑藥柱宏觀失效，但推進(jìn)劑受長時(shí)間疲勞載荷其力學(xué)性能會顯著下降，易引起發(fā)動機(jī)工作異常甚至發(fā)生事故。因此研究推進(jìn)劑疲勞失效的影響因素及損傷發(fā)展規(guī)律，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

針對溫度交替載荷，Zhang G等[2]研究了不同環(huán)境溫度下復(fù)合材料的疲勞特性，結(jié)果表明因?yàn)椴牧项w粒與基體的熱膨脹系數(shù)不同，高溫下會發(fā)生脫粘，導(dǎo)致復(fù)合材料承受載荷的能力下降。王玉峰等[3]發(fā)現(xiàn)高低溫循環(huán)作用下，裝藥星尖處應(yīng)力最大，溫度轉(zhuǎn)換期間藥柱累積損傷增長最快，并且損傷增長率隨著升降溫速率的增加而增大。鄧斌等[4]仿真獲得了藥柱危險(xiǎn)部位的最大Mises應(yīng)力隨溫度的變化曲線，分析了不同貯存溫度對藥柱壽命的影響。Mivehchi H[5]和Via J等[6]研究了溫度對復(fù)合材料疲勞損傷的影響，并建立了溫度相關(guān)的疲勞壽命預(yù)測模型。

疲勞試驗(yàn)中頻率的影響是不能忽略的，不同條件下推進(jìn)劑藥柱所承受的載荷頻率是不同的，如加工、運(yùn)輸和勤務(wù)處理情況下振動載荷頻率在0.01～10 Hz左右，艦船搖擺條件下振動頻率一般為1～100 Hz，而空空導(dǎo)彈在長途奔襲和掛飛過程中的振動頻率可高達(dá)1 000 Hz。王鑫等[7]研究了海洋環(huán)境對立式貯存值班狀態(tài)固體推進(jìn)劑粘接界面損傷分布的影響。鄭雪等[8]采用紅外熱像儀對PBX塊狀試樣在單軸壓縮載荷下的疲勞過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)PBX的疲勞溫升與疲勞加載的頻率、應(yīng)力及試樣狀態(tài)有很大關(guān)聯(lián)性。Duan Z等[9]研究了合金在52.5 Hz和20 kHz下的疲勞特性，結(jié)合微觀圖像對斷裂機(jī)制的頻率效應(yīng)進(jìn)行了分析。李高春等[10]應(yīng)用線性累積損傷模型，獲得了環(huán)境溫度載荷作用下藥柱的累積損傷特性。童心等[11]針對HTPB推進(jìn)劑的疲勞試驗(yàn)表明應(yīng)變幅值和頻率越大，材料力學(xué)性能下降越快，積累的損傷越大?？偟膩碚f，頻率的影響尚無統(tǒng)一的定論，目前材料疲勞壽命與頻率的關(guān)系有兩種觀點(diǎn)：一是頻率高，循環(huán)加載產(chǎn)生的熱量來不及散發(fā)，溫度升高，導(dǎo)致熱軟化，疲勞壽命降低；二是加載頻率低，每個(gè)周期蠕變損傷增加，從而疲勞壽命減小。

考慮到空空導(dǎo)彈在長途運(yùn)輸及掛機(jī)飛行過程中的振動頻率能達(dá)到上百赫茲[11]，因此頻率是疲勞試驗(yàn)中不能忽視的一個(gè)因素。本研究針對HTPB推進(jìn)劑開展了不同加載應(yīng)力和加載頻率下的疲勞試驗(yàn)，并結(jié)合紅外熱成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測疲勞試驗(yàn)中材料的表面溫升，記錄HTPB推進(jìn)劑在交變載荷作用下的熱力學(xué)響應(yīng)，并通過開展疲勞加載一定次數(shù)后的單軸拉伸和電鏡掃描試驗(yàn)，分析疲勞損傷對HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與系統(tǒng)

疲勞試驗(yàn)在南京理工大學(xué)火箭總體技術(shù)實(shí)驗(yàn)室動態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA，美國BOSE公司ELF3200)上進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)部分：(1)DMA主機(jī)和控制裝置，試驗(yàn)機(jī)的核心裝置，起到控制和數(shù)據(jù)存儲的作用；(2)美國SUN公司保溫系統(tǒng)，型號為SUN-ET1-2，用于精確控制試驗(yàn)溫度，確保試驗(yàn)時(shí)的溫度波動值不超過±1K；(3)液氮罐，接受溫度裝置的指令輸出液氮，調(diào)節(jié)保溫箱內(nèi)溫度，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)精確的位移控制和力控制，振動頻率范圍為10-5～200 Hz，溫度范圍為123～473 K。利用紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測HTPB推進(jìn)劑試件表面溫度，F(xiàn)LIRA615紅外相機(jī)的響應(yīng)光譜范圍為7.5～14 μm，空間分辨率達(dá)到640×480像素，熱成像圖采集頻率為25 Hz，相機(jī)的熱分辨率在298 K時(shí)小于0.025 K，一般為0.02 K。試驗(yàn)在封閉的環(huán)境中進(jìn)行，所有試件表面均噴涂一層黑色亞光漆，用來降低發(fā)射光的干擾，使試件表面熱輻射率得到提升，環(huán)境溫度保持常溫293 K。

1.2 試驗(yàn)夾具與試件設(shè)計(jì)

復(fù)合固體推進(jìn)劑相比于金屬材料，其力學(xué)性能復(fù)雜，尚沒有疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可查。開展疲勞試驗(yàn)的原則是盡可能模擬材料的實(shí)際工作環(huán)境中的受力情況，并且能夠與現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備儀器對接好。

考慮到固體推進(jìn)劑藥柱在生產(chǎn)、運(yùn)輸和貯存過程中，受力以拉/壓為主，因此研究時(shí)采用拉/壓疲勞試驗(yàn)方法。由于DMA控制箱的尺寸較小，決定采用自主設(shè)計(jì)的夾具，夾具體使用鋁塊制作，具體尺寸如圖1所示，單位mm。

圖1 試件夾具尺寸圖Fig.1 Clamp size chart for specimen

由于HTPB推進(jìn)劑極易受到環(huán)境濕度的影響，原始的方形板狀材料貯存在干燥箱中。試驗(yàn)前用模具將原始HTPB推進(jìn)劑壓制成15 mm×5 mm×5 mm的試件，然后用環(huán)氧樹脂A、B膠將所制成的HTPB推進(jìn)劑試件上下兩端與鋁制夾具粘結(jié)，再通過夾具與DMA控制器的夾具聯(lián)接，試件尺寸與夾具的連接方式如圖2所示。試件制作完成后靜置30 min，使環(huán)氧樹脂膠充分固化，放入343 K保溫箱中保溫48 h，然后放入干燥箱中自然冷卻，以消除機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

圖2 HTPB推進(jìn)劑試件與夾具示意圖Fig.2 Schematic diagram of HTPB prepellant specimen and clamp

1.3 疲勞試驗(yàn)方法

疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式，在單軸正弦循環(huán)應(yīng)力下對試件進(jìn)行恒幅疲勞加載，試驗(yàn)中主要考慮加載最大加載應(yīng)力和頻率兩個(gè)因素的影響。應(yīng)力比R=σmin/σmax，大小為0，則疲勞過程中的實(shí)時(shí)應(yīng)力為：

(1)

式中：σ為實(shí)時(shí)應(yīng)力;σmin為施加的最小應(yīng)力;σmax為施加的最大應(yīng)力，應(yīng)力幅值Δσ=σmax/2；f為頻率;t為時(shí)間。

在疲勞試驗(yàn)過程中，σmax取值設(shè)定為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6和0.7 MPa，加載頻率選取1、5、20、100和200 Hz，總計(jì)35組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)相同條件重復(fù)3次，同時(shí)用紅外熱像儀進(jìn)行HTPB推進(jìn)劑試件表面溫度數(shù)據(jù)的采集，記錄下材料疲勞斷裂時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，一般試驗(yàn)規(guī)定，鋼在經(jīng)受107次、非鐵(有色)金屬材料經(jīng)受108次循環(huán)載荷作用時(shí)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度(也稱為疲勞極限)，HTPB推進(jìn)劑屬于軟質(zhì)推進(jìn)劑，一般認(rèn)為達(dá)到106次循環(huán)加載次數(shù)而不斷裂的應(yīng)力可作為HTPB推進(jìn)劑的疲勞極限。應(yīng)力波形如圖3所示。

圖3 疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)力波形Fig.3 Stress—time curve for fatigue tests

1.4 疲勞-拉伸試驗(yàn)方法

疲勞-拉伸試驗(yàn)是在疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展的，其試驗(yàn)設(shè)備仍采用DMA試驗(yàn)系統(tǒng)。具體試驗(yàn)方法如下：

(1)開展疲勞試驗(yàn)，其最大加載應(yīng)力設(shè)置為0.4 MPa，頻率設(shè)置為20 Hz，分別循環(huán)加載100次、1 000次、10 000次和40 000次(未達(dá)到疲勞斷裂)，然后靜置回復(fù)，待試件恢復(fù)零應(yīng)力狀態(tài)后對其進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，單軸拉伸速率為0.5 mm/s，對應(yīng)的應(yīng)變率為0.033 3 s-1，其同等應(yīng)變率的未疲勞的HTPB推進(jìn)劑單軸拉伸試驗(yàn)已在試驗(yàn)機(jī)上開展過；

(2)將疲勞試驗(yàn)的最大加載應(yīng)力設(shè)置為0.2 MPa和0.3 MPa，加載頻率設(shè)置為20 Hz，分別循環(huán)加載40 000次(均未疲勞斷裂)，然后恢復(fù)零應(yīng)力狀態(tài)后繼續(xù)單軸拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)應(yīng)變率為0.033 3 s-1。每個(gè)條件下試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)環(huán)境溫度均為293 K。

2 結(jié)果與討論

2.1 疲勞過程中的熱力學(xué)響應(yīng)

2.1.1 疲勞過程中的力學(xué)響應(yīng)

由于HTPB推進(jìn)劑是黏彈性材料，當(dāng)承受周期性變化的正弦應(yīng)力時(shí)，材料會產(chǎn)生周期性的正弦應(yīng)變，但是應(yīng)變落后于應(yīng)力，應(yīng)力與應(yīng)變之間有相位差，稱為滯后角。因此，應(yīng)力—應(yīng)變曲線為如圖4所示的滯回環(huán)(以最大加載應(yīng)力0.5 MPa、頻率100 Hz為例)。

圖4 最大應(yīng)力0.5 MPa、頻率1 000 Hz時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變滯回環(huán)Fig.4 Stress—strain hysteresis loops for 0.5 MPa of σmax and 100 Hz of frequency

從圖4可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)逐漸右移，表明峰值點(diǎn)和谷點(diǎn)的應(yīng)變都在不斷增加。谷點(diǎn)(應(yīng)力為0)時(shí)，應(yīng)變不能完全恢復(fù)，一般將這種應(yīng)變定義為殘余應(yīng)變，這說明材料由于黏彈性效應(yīng)在疲勞加載過程中發(fā)生了明顯的蠕變現(xiàn)象。同時(shí)發(fā)現(xiàn)滯回環(huán)的形狀由規(guī)整的橢圓形逐漸向彎曲不規(guī)則的扁狀形變化(在疲勞斷裂的前幾百次循環(huán)中尤其明顯)，且滯回環(huán)的面積隨著循環(huán)周次的增加而增大，這說明材料的損傷發(fā)展逐漸增強(qiáng)。

圖5給出了不同加載頻率下HTPB推進(jìn)劑疲勞應(yīng)變隨循環(huán)加載次數(shù)的變化曲線。從圖5可以看出，疲勞峰值應(yīng)變呈現(xiàn)三階段的發(fā)展規(guī)律：初始變形階段、穩(wěn)定發(fā)展階段和加速階段。初始階段，變形增長較快，應(yīng)變曲線呈明顯上凸?fàn)?，該階段持續(xù)時(shí)間較短；穩(wěn)定發(fā)展階段，應(yīng)變增長速率大幅降低，每個(gè)循環(huán)周期產(chǎn)生的變形量累積較小，持續(xù)時(shí)間較長；加速階段曲線上凹，應(yīng)變快速發(fā)展直至材料疲勞斷裂。疲勞谷點(diǎn)應(yīng)變有相似的前兩個(gè)發(fā)展階段，沒有最后將要疲勞失效的應(yīng)變快速增長階段。

圖5 疲勞應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.5 Strain curves along with the change of cycles

當(dāng)疲勞加載頻率相同時(shí)，最大加載應(yīng)力越大，相同循環(huán)加載次數(shù)下的疲勞峰值應(yīng)變越大，疲勞谷點(diǎn)應(yīng)變越小，疲勞谷點(diǎn)應(yīng)變與疲勞峰值應(yīng)變的差值隨著最大加載應(yīng)力的增大而增大。而當(dāng)最大加載應(yīng)力保持不變時(shí)，加載頻率越大，相同循環(huán)加載次數(shù)下的疲勞峰值應(yīng)變越小，疲勞谷點(diǎn)應(yīng)變越小，但是二者之間的差值隨著加載頻率的增大而減小。

為了更好地體現(xiàn)疲勞過程中加載頻率對滯回環(huán)的影響，選取了相同最大加載應(yīng)力(σmax=0.4 MPa)、相同循環(huán)加載次數(shù)下(取值為103次)不同加載頻率的滯回環(huán)，如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)最大加載應(yīng)力保持不變時(shí)，加載頻率越大，滯回環(huán)越向左移動，表示疲勞峰值應(yīng)變和疲勞谷點(diǎn)應(yīng)變都變小。同時(shí)可以看出滯回環(huán)面積和寬度也越來越小，表明黏性能量耗散也越少，這與最大加載應(yīng)力減小疲勞壽命增大的原理是相一致的。

圖6 相同最大加載應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)下不同頻率的滯回環(huán)Fig.6 Stress—strain hysteresis loops in different frequencies for the same maximum stress and cycles

2.1.2 疲勞過程中的溫度演化及分析

根據(jù)熱力學(xué)第一、第二定律以及材料的本構(gòu)方程，可以推導(dǎo)出HTPB推進(jìn)劑在疲勞加載中的熱力學(xué)函數(shù)表達(dá)式[12]：

(2)

式(2)表明，在無外熱源產(chǎn)熱的條件下，材料疲勞過程中的熱力學(xué)響應(yīng)由3個(gè)部分組成：熱傳導(dǎo)效應(yīng)、熱彈性效應(yīng)和非彈性效應(yīng)，可以用式(2)解釋HTPB推進(jìn)劑疲勞加載中的溫度變化。熱傳導(dǎo)效應(yīng)會讓材料表面的溫度場變得均勻分布，最終向著一個(gè)穩(wěn)定值發(fā)展。熱彈性效應(yīng)是由材料的彈性變形引起的，卸載之后是可回復(fù)的，是一種可逆的熱力學(xué)現(xiàn)象，會造成每個(gè)疲勞周期內(nèi)材料溫度產(chǎn)生微幅的周期性變化，但其引起的平均溫升為零。而非彈性效應(yīng)會引起不可逆的熱力學(xué)現(xiàn)象，絕大部分產(chǎn)生的能量通過黏性耗散的方式釋放，是造成推進(jìn)劑試件溫度變化的主要原因。

通過紅外熱像儀實(shí)時(shí)采集了疲勞過程中HTPB推進(jìn)劑的試件表面溫度的數(shù)據(jù)，圖7是最大加載應(yīng)力為0.7 MPa、加載頻率100 Hz時(shí)HTPB推進(jìn)劑試件表面溫度場隨循環(huán)加載次數(shù)變化的熱成像圖。從圖7可以看出，在疲勞載荷作用下，由于HTPB推進(jìn)劑內(nèi)部微觀組分的變化出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，致使材料表面溫度分布不均勻，并且呈現(xiàn)推進(jìn)劑試件中部溫度高、兩端溫度較低的情形。

圖8為最大加載應(yīng)力為0.7 MPa、加載頻率100 Hz時(shí)，疲勞試件的中部區(qū)域溫升隨時(shí)間的變化曲線，點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G、H和I所對應(yīng)的溫度場變化過程與圖7一致。

圖7 疲勞加載中材料表面溫度變化熱像圖Fig.7 Thermal imaging figures of specimen surface during the fatigue loading

圖8 疲勞試驗(yàn)中材料溫升變化曲線Fig.8 The temperature curve of specimen during the fatigue loading

由圖8可知，當(dāng)最大加載應(yīng)力高于疲勞極限時(shí)，HTPB推進(jìn)劑在疲勞加載中的溫度變化由3個(gè)階段組成：第一階段表示初始溫升階段(A～D)，A點(diǎn)表示試驗(yàn)開始時(shí)，試件的表面溫度與周圍環(huán)境幾乎保持相同。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件經(jīng)歷了快速溫升，如B、C和D點(diǎn)所示，材料局部發(fā)生疲勞形變，HTPB推進(jìn)劑由于黏性耗散釋放大量的熱量，試驗(yàn)開始階段材料和環(huán)境的溫差較小，對流換熱中的熱量損失也不大，材料表面產(chǎn)熱速率高于材料和環(huán)境的熱交換率。因此，材料表面溫度迅速升高；第二階段為溫度穩(wěn)定階段(D～G)，該階段材料產(chǎn)熱速率降低，同時(shí)因溫差大與周圍環(huán)境的熱量交換更快，從而達(dá)到了某種平衡，溫度變化趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，只在較小范圍內(nèi)波動，該階段占據(jù)了疲勞壽命的絕大部分;第三階段為溫升快速上升階段(G～I(xiàn))，在此階段，材料逐漸產(chǎn)生裂紋并且迅速擴(kuò)展，因黏性損耗和微缺陷處的摩擦受力，裂紋尖端區(qū)域放出大量的熱量，溫度迅速上升，當(dāng)溫度達(dá)到最高值時(shí)，材料疲勞失效。

圖9給出了不同加載頻率下HTPB推進(jìn)劑試件疲勞過程中表面最高溫升的變化趨勢。

圖9 推進(jìn)劑疲勞過程中表面最高溫升變化曲線Fig.9 The highest temperature rise curves of specimen during the fatigue loading

從圖9可以看出，當(dāng)加載頻率保持相同時(shí)，隨著最大加載應(yīng)力的增大，材料的變形速率也迅速增大，造成HTPB推進(jìn)劑產(chǎn)熱能量快速增加，第一階段的溫升梯度明顯上升，非彈性效應(yīng)主導(dǎo)HTPB推進(jìn)劑試件疲勞過程的熱耗散。第二階段的穩(wěn)定溫升也隨著最大加載應(yīng)力的增大而增大。同時(shí)對比來看，當(dāng)最大加載應(yīng)力保持不變時(shí)，加載頻率越大，HTPB推進(jìn)劑試件的溫升也相應(yīng)的越大，這是由于HTPB推進(jìn)劑承受的疲勞載荷頻率越大，循環(huán)作用產(chǎn)生的熱量來不及向周圍擴(kuò)散，致使溫升增大。

2.2 疲勞損傷對HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響

為了研究疲勞損傷對HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響，針對疲勞加載一定次數(shù)后的推進(jìn)劑試件開展單軸恒速拉伸試驗(yàn)，并對推進(jìn)劑的拉伸斷面進(jìn)行電鏡掃描，以期從宏觀和微觀上獲得HTPB推進(jìn)劑的疲勞損傷機(jī)理。

圖10給出了疲勞加載一定次數(shù)后HTPB推進(jìn)劑單軸拉伸試驗(yàn)和未疲勞推進(jìn)劑試件同等拉伸速率的單軸拉伸試驗(yàn)對比圖。

圖10 推進(jìn)劑疲勞前后單軸拉伸曲線對比圖Fig.10 Uniaxial tension properties of the propellant before and after the fatigue tests

從圖10中可以看出，循環(huán)加載一定次數(shù)后的HTPB推進(jìn)劑的初始彈性模量、屈服應(yīng)力和最大抗拉強(qiáng)度均小于未疲勞材料，存在較大程度地衰減，并且循環(huán)加載次數(shù)越多，降低程度越大，力學(xué)性能劣化越厲害。疲勞損傷還與疲勞過程中的加載應(yīng)力有關(guān)，最大加載應(yīng)力越大，疲勞積累的損傷量也越大，力學(xué)性能就會越差。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，與未疲勞的材料的單軸拉伸曲線相比，疲勞后的HTPB推進(jìn)劑的單軸拉伸曲線呈現(xiàn)“S”形，應(yīng)力—應(yīng)變曲線有兩個(gè)拐點(diǎn)。未疲勞的HTPB推進(jìn)劑在單軸拉伸時(shí)在拐點(diǎn)處，顆粒與基體黏結(jié)界面出現(xiàn)“脫濕”現(xiàn)象，力學(xué)曲線發(fā)生彎曲。而疲勞后的HTPB推進(jìn)劑的單軸拉伸曲線出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)，表明由于疲勞往復(fù)加載使HTPB推進(jìn)劑產(chǎn)生了二次“脫濕”損傷，材料出現(xiàn)了循環(huán)軟化，拉伸相同應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力小于未疲勞的單軸拉伸應(yīng)力。

圖11給出了最大加載應(yīng)力0.4 MPa、加載頻率20 Hz下的HTPB推進(jìn)劑不同循環(huán)加載次數(shù)后的單軸拉伸斷面電鏡掃描圖。

圖11 HTPB推進(jìn)劑的拉伸斷面電鏡掃描圖Fig.11 Scanning electron microscopes of the tensile section for HTPB propellant

從圖11可以看出，HTPB推進(jìn)劑顆粒含量高，高氯酸銨(AP)大顆粒表面光滑，分布較為均勻，大顆粒多呈圓形和橢圓形。循環(huán)加載100次時(shí)，許多不同形狀的AP顆粒和基體粘結(jié)界面開始出現(xiàn)“脫濕”現(xiàn)象，“脫濕”點(diǎn)首先出現(xiàn)在大顆粒及大顆粒聚集區(qū)，表明大顆粒更容易發(fā)生“脫濕”。循環(huán)加載到1 000次時(shí)，HTPB推進(jìn)劑出現(xiàn)了較多的孔洞，表明越來越多的顆粒出現(xiàn)了“脫濕”，當(dāng)材料受到交變載荷加載時(shí)，“脫濕”點(diǎn)不斷經(jīng)歷張開閉合的過程。循環(huán)加載到40 000次時(shí)，基體開始出現(xiàn)撕裂，微裂紋發(fā)展匯聚形成宏觀裂紋，材料很快疲勞斷裂。

3 結(jié) 論

(1)HTPB推進(jìn)劑承受疲勞應(yīng)力載荷加載時(shí)，會產(chǎn)生周期性的正弦應(yīng)變，但是應(yīng)變落后于應(yīng)力，應(yīng)力應(yīng)變曲線形成滯回環(huán)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)逐漸右移，表明峰值點(diǎn)和谷點(diǎn)的應(yīng)變都在不斷增加，疲勞峰值應(yīng)變呈現(xiàn)三階段的發(fā)展規(guī)律：初始變形階段、穩(wěn)定發(fā)展階段和加速階段，同時(shí)發(fā)現(xiàn)滯回環(huán)的形狀由規(guī)整的橢圓形逐漸向彎曲不規(guī)則的扁狀形變化。

(2)在沒有外熱源產(chǎn)熱的條件下，材料疲勞過程中的能量模型包含4個(gè)部分：熱傳導(dǎo)效應(yīng)、熱彈性效應(yīng)、非彈性效應(yīng)以及微缺陷摩擦熱點(diǎn)效應(yīng)。非彈性效應(yīng)會造成不可逆的熱力學(xué)現(xiàn)象，產(chǎn)生的能量絕大部分以黏性耗散的形式釋放，是造成推進(jìn)劑試件溫度變化的主要原因。HTPB推進(jìn)劑試件在疲勞過程中的溫度變化可以分為3個(gè)階段：初始快速上升階段、溫度穩(wěn)定階段和溫升快速增加階段。

(3)循環(huán)加載一定次數(shù)后的HTPB推進(jìn)劑的初始彈性模量、屈服應(yīng)力和最大抗拉強(qiáng)度均小于未疲勞材料，存在較大程度地衰減，循環(huán)加載次數(shù)越多，降低地程度越大，力學(xué)性能劣化越厲害。最大加載應(yīng)力越大，疲勞積累的損傷量也就越大，力學(xué)性能就會越差。