应变加载历史对推进剂力学性能的影响

刘著卿,李高春,王玉峰,李志杰

(1.海军航空工程学院飞行器工程系,山东 烟台 264001;2.河西机械化工公司 ,内蒙古 呼和浩特 010010)

引 言

贴壁浇铸式固体火箭发动机药柱在其全寿命过程中,不断承受各种机械载荷的作用,药柱中不均匀分布的应力应变场不仅影响发动机的贮存性能,长期载荷作用导致的累积损伤严重时甚至会影响发动机的结构完整性及内弹道特性[1],如何确定发动机药柱损伤状态及损伤对发动机性能的影响是急需研究的问题。李彦丽[2]等人通过比较长期贮存的CTPB推进剂方坯和发动机中推进剂药柱性能的变化,指出用推进剂方坯的老化性能难于推断发动机药柱的寿命,发动机中不同位置的推进剂性能的变化有明显差异;王鸿范[3]等人设计了 3个贮存温度、4种老化应变条件下的贮存老化实验,结果表明,老化应变对贮存性能影响显著,不同温度下化学老化与定应变产生的老化作用的影响不同。Ozupek[4]在研究推进剂本构关系时,从宏观唯象的角度分析了往复拉伸过程中推进剂的力学行为,但其对大应变往复拉伸条件下推进剂力学性能的变化考虑不足。邓凯[5]对3个应变幅值、两种加载次数循环加载后的推进剂拉伸曲线进行了分析,但其结果未能充分解释循环加载对推进剂力学性能的影响。

弄清楚推进剂中损伤发生与扩展的规律是建立推进剂损伤本构方程,进而对固体火箭发动机进行状态评判及寿命评估的基础。本研究对推进剂进行不同应变幅值及往复拉伸次数的加载试验,静置回复后拉断试件,结合原位拉伸与断面电镜观察,分析应变加载历史对推进剂力学性能的影响。

1 试 验

以 HTPB复合固体推进剂为研究对象,力学性能测试在 MTS微机控制电子万能(拉力)试验机上进行,试件尺寸如图1所示。原位拉伸电镜观察采用飞利浦Quanta400扫描电子显微镜,加载使用Deben扫描电镜拉伸台,试件为 20mm×10mm×2mm的长方体,试件标距 10mm。

图 1 推进剂试件尺寸(单位:mm)Fig.1 Dimension of propellant(units:mm)

为考查往复拉伸次数与应变幅值对推进剂损伤的影响,先对推进剂试件进行定应变往复拉伸。加载方式为位移控制,加载曲线如图 2所示。试验中,以100mm/min的拉伸速度拉伸试件,至预定位移后迅速改变夹头运动方向至应力为零后再次拉伸试件,如此往复至预定次数。完成往复拉伸后将试件静置 12h使试件回复到零应力状态,再对试件进行单向拉伸试验。

图 2 推进剂试件的定应变幅值加载示意图Fig.2 Schematic diagram of constant strain loading of propellant

试验共分 3部分:(1)选取 10%、20%、40%、70%四个应变幅值,往复拉伸试件 10、50、100次后对试件进行单向拉伸试验。 (2)选取 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%八个应变幅值,往复拉伸试件10次后对试件进行单向拉伸试验。 (3)对经不同应变幅值往复拉伸次数后拉断的试件进行断面观察;为分析往复拉伸过程中推进剂脱湿损伤的发展过程,设计原位往复拉伸电镜观察试验,将推进剂拉伸至应变为60%后改变夹头的运行方向至推进剂应力为零,再拉伸推进剂至应变达到70%。应变每变化10%拍下 200倍电镜图片。

2 结果与讨论

2.1 拉伸试验结果

经4个应变幅值(X a)一定次数往复拉伸后,推进剂的抗拉强度(e)如表1所示。不同应变幅值往复拉伸10次后推进剂的抗拉强度如表2所示。

表1 4个应变幅值和一定次数的往复拉伸后推进剂的抗拉强度Table 1 Tensile strength of propellant after different strain and repeated loading times

表 2 不同应变幅值和往复拉伸 10次后推进剂的抗拉强度

由表1和表2可以看出,经不同应变幅值和次数往复拉伸后,推进剂抗的拉强度并无明显变化,传统的通过提取单向拉伸曲线中的最大抗拉强度、最大延伸率、断裂延伸率等特征点的信息来确定推进剂所处状态的方法在这里失效。直接比较各条件下的单向拉伸曲线更能反映推进剂所受损伤的特性。

图3为4个应变幅值不同次数往复拉伸后推进剂的单向拉伸曲线。由图3可以看出,虽然抗拉强度在经定应变幅值往复拉伸后没有变化,往复拉伸对推进剂试件造成的损伤却不能忽视。当应变幅值为10%时,经往复拉伸后的试件单向拉伸曲线与无损试件单向拉伸曲线相比几乎没有变化,往复拉伸造成的损伤很小;当应变幅值为 20%、40%时,经往复拉伸后的试件单向拉伸曲线应变小于往复拉伸应变幅值时,推进剂的应力比无损伤推进剂的小,应变超出往复拉伸的应变幅值后,拉伸曲线基本恢复到无损伤单向拉伸状态,这说明由应变造成的损伤控制在往复拉伸应变幅值的范围内,应变超出该应变幅值时,由往复拉伸造成的损伤不影响推进剂后半部分的力学性能;当应变幅值为70%时,损伤扩展到应变幅值以外,经往复拉伸后的试件应力响应整体比未损伤试件小。对比图3中的曲线可看出,往复拉伸次数的影响在超过 10次后变化较小,应变越大,往复次数的影响越大。

往复拉伸次数超出 10次后,因往复拉伸次数引起的损伤扩展较小,在验证应变幅值对推进剂损伤的影响时,只考虑往复拉伸试件10次的情况。图4分别为不同应变幅值往复拉伸 10次后与无损伤试件的单向拉伸曲线对比图。

图 3 不同次数往复拉伸后推进剂单向拉伸曲线的比较Fig.3 Comparison of single tensile stress-strain curves of propellant with different times of repeated loading

图4 往复拉伸10次后推进剂单向拉伸曲线的对比Fig.4 Comparison of single tensilestress-strain curves of propellant with ten times of repeated loading

由图 4可以看出,不同的应变幅值对推进剂造成的损伤不同,存在一个位于应力应变曲线平台区中间位置的应变阈值X th,本试验为50%～60%,当往复拉伸应变小于Xth时,由应变造成的损伤不会对应变超出X th后的拉伸曲线造成影响,当往复拉伸应变大于X th时,往复拉伸造成的损伤影响到应变超出Xth后的应力响应。

2.2 电镜观察结果

图5为经10%及70%应变幅值往复拉伸10次,静置后拉断试件的断面图。由图 5可以看出,往复拉伸应变幅值为10%的试件,断面中颗粒脱落比应变幅值为70%时少,基体与未脱落颗粒之间呈包裹状态。这说明往复应变幅值越大对界面造成的损伤越大。

图 6(a)、(b)为将推进剂直接拉伸至应变为50%、60%时的电镜图片,图6(c)为回复过程中应变为 50%时的电镜图片,图6(d)～图 6(f)分别为应力回复到零后再次拉伸至应变为50%、60%、70%时的扫描电镜图片。

图 5 往复拉伸 10次后推进剂断面图片 (×50)Fig.5 Fracture surface of propellant after 10 times of repeated tension(×50)

图6 往复拉伸过程中推进剂的原位电镜图片(×200)Fig.6 In-situ SEM photos of propellant under repeated tension(×200)

由图 6可以看出,在一定的拉伸速度下,推进剂颗粒与基体之间的界面脱湿位置由颗粒位置与大小决定,大颗粒聚集区域由于颗粒之间相互影响严重,容易发生脱湿。应变一定时,第1次拉伸、回复及再次拉伸过程中,推进剂颗粒与基体之间的脱湿程度没有明显变化,脱湿的程度由应变决定。因此出现了图 3中往复次数10次以上时,损伤的扩展较小的结果。

2.3 结果讨论

复合固体推进剂属于高填充比的颗粒增强材料,一般认为颗粒与基体之间的脱湿是造成材料非线性的主要原因[6],但本质上推进剂的力学性能是由基体提供的[7],颗粒及颗粒与基体之间界面的存在,限制了基体中高分子链的运动,使推进剂具有较大的初始模量。本研究认为导致推进剂拉伸过程非线性行为的原因如下:基体中高分子链的依次断裂、颗粒与基体之间的脱湿、因脱湿导致的周围基体的卸载及应力应变的重新分布。推进剂单向拉伸过程中,当应变较小(＜10%)时,基体的断裂及颗粒与基体之间的脱湿较少,因而在此应变范围内进行的往复拉伸对推进剂的单向拉伸特性几乎没有影响;随着应变的增加,颗粒与基体之间界面脱湿扩展,部分基体由于脱湿而出现不同程度的卸载,进而产生应力集中使基体中出现高分子链的断裂,推进剂模量下降,但由于大分子链网络的存在,部分分子链断裂不会造成推进剂整体的迅速破坏[7],只是使其网络中的其余分子链承受更大的载荷,并依次断裂。当往复拉伸应变小于X th时,颗粒与基体之间脱湿及大分子链网络中破坏的范围较小,因而当应变超出往复拉伸应变幅值后,推进剂单向拉伸曲线回复到无损曲线的状态,但由于脱湿及基体断裂,当应变小于往复拉伸应变幅值时,单向拉伸曲线的应力响应比无损试件小。清水盛生[8]等人认为,单向拉伸过程中存在一个应变值,当推进剂达到此应变时脱湿终止,应变增加时脱湿不再扩展(图 6(e)与图 6(f)中脱湿区域变化很小)。因此可以推断,当往复拉伸应变大于X th时,推进剂材料中颗粒已经充分脱湿,脱湿终止后推进剂的损伤扩展完全来自基体断裂,基体中出现大范围的高分子链网络破坏,因而再次拉伸时其损伤扩展到往复拉伸应变幅值以外,造成整体抗拉性能的破坏。

3 结 论

(1)推进剂在往复拉伸过程中,应变加载幅值控制损伤的程度。当应变较小(＜10%)时,应变加载历史对推进剂损伤的影响可以忽略。

(2)往复拉伸过程中存在一个应变阈值X th,当应变幅值超出此阈值时,造成的损伤会影响推进剂整体的抗拉性能。

(3)在单向拉伸过程中,推进剂中颗粒与基体之间脱湿的位置与颗粒大小以及相互作用有关,脱湿的程度由应变控制。

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