中子衍射法測(cè)量TATB基PBX單軸壓縮的內(nèi)應(yīng)力研究

徐 堯， 王 虹， 李 建， 張偉斌， 孫光愛(ài)

(1. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所， 四川 綿陽(yáng) 621999; 2. 中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所中子物理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 綿陽(yáng) 621999)

1 引 言

以三氨基三硝基苯(TATB)為基的高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)在國(guó)內(nèi)外武器行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)安全性能、爆轟性能以及力學(xué)性能一直是含能材領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-6]。TATB基PBX造型粉在熱壓成型、冷熱處理、機(jī)械加工、運(yùn)輸及庫(kù)存過(guò)程中，其內(nèi)部都可能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力會(huì)以顆粒斷裂、界面脫粘、粘接劑基體開(kāi)裂、變形孿晶以及剪切帶等形式使炸藥的力學(xué)性能劣化，使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度下降[7-8]，嚴(yán)重影響其制造、使用和庫(kù)存。因此開(kāi)展TATB基PBX內(nèi)應(yīng)力研究具有重要意義。

TATB基PBX具有多晶、多界面、非均質(zhì)、低強(qiáng)度特征，且應(yīng)力來(lái)源、分布很復(fù)雜，無(wú)損測(cè)試手段受到一定的限制，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究報(bào)道極少，主要包括超聲法和射線(X/中子)衍射法。田勇[9]、張偉斌[10]、徐堯等[11]在熱處理、加載等情況下，采用超聲法對(duì)PBX應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試。雍志華[12]用X射線衍射法測(cè)量了PBX的殘余應(yīng)力, 發(fā)現(xiàn)TATB在2θ=72.5°附近的衍射峰較強(qiáng)，測(cè)出PBX的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，約幾個(gè)兆帕, 邊緣位置應(yīng)力大于中心部位, 對(duì)樣品進(jìn)行熱處理或放置一段時(shí)間后應(yīng)力減小，不同成型壓力下PBX的晶粒尺寸有差異。超聲法檢測(cè)的是宏觀內(nèi)應(yīng)力，可以測(cè)量材料內(nèi)部應(yīng)力，但受微觀結(jié)構(gòu)影響較大，特別是對(duì)于PBX這類(lèi)低強(qiáng)度材料，超聲法測(cè)量精度有所不足。X射線衍射法檢測(cè)的是微觀內(nèi)應(yīng)力，測(cè)量精度很高，但是X射線的強(qiáng)度衰減很大，穿透深度極淺，只能測(cè)定材料表面淺層的內(nèi)應(yīng)力。美國(guó) Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室John D. Yeager等[13]運(yùn)用中子衍射方法測(cè)量熱循環(huán)中疏松TATB炸藥粉末和TATB基PBX藥柱的點(diǎn)陣參數(shù)，定量地表征了TATB炸藥晶體在疏松狀態(tài)和多晶壓制材料體系狀態(tài)下熱作用中的力學(xué)行為。中子衍射相對(duì)于其它方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于其能夠以毫米量級(jí)的空間分辨力穿透至結(jié)構(gòu)部件內(nèi)幾厘米甚至幾十厘米的深處去獲取三維殘余應(yīng)變(應(yīng)力)分布信息，測(cè)量結(jié)果代表了體應(yīng)力信息并具有很好的統(tǒng)計(jì)性，中子應(yīng)力分析技術(shù)已被證明是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、加工過(guò)程優(yōu)化、失效評(píng)估的強(qiáng)有力工具[14]。

為探索中子衍射方法分析TATB基PBX內(nèi)應(yīng)力的可行性，將2kN雙螺桿拉伸臺(tái)水平安置在中子應(yīng)力衍射譜儀上，在線測(cè)試了TATB基PBX在單軸壓縮過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，為PBX內(nèi)應(yīng)力的測(cè)試提供研究基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要儀器與樣品

中子應(yīng)力衍射譜儀，中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，譜儀分辨率Δd/d為0.2%，應(yīng)變分辨率50 με，樣品位置處中子束流強(qiáng)度: 4.7×106n·cm-2·s-1(堆功率20 MW)，可調(diào)節(jié)中子波長(zhǎng)范圍: 0.12～0.28 nm，規(guī)范(采樣)體積范圍: 0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm～5 mm×5 mm×20 mm，樣品臺(tái)最大承重: 500 kg，具備5個(gè)自由度(X-Y水平移動(dòng)±300 mm，Z升降500 mm，自轉(zhuǎn)0°～360°，±30°傾斜)，可用衍射角范圍: 0°～140°[15]。

2 kN雙螺桿拉伸臺(tái)系統(tǒng)，英國(guó)DEβEN公司，橫向懸空固定在中子衍射平臺(tái)上，其集成加載單元的負(fù)載2 kN，(10%～100%負(fù)載)精度為1%，動(dòng)態(tài)分辨率為0.01%，靜態(tài)分辨率為0.005%; 標(biāo)準(zhǔn)速度范圍為0.1 mm·min-1到2.0 mm·min-1的415: 1變速箱(可選低速變速箱); 最大行程20 mm(10～30 mm); 其卡口為單軸壓縮特別設(shè)計(jì)。

原位壓縮實(shí)驗(yàn)(包括單軸壓縮和循環(huán)壓縮)如圖1，將DEβEN 2 kN雙螺桿拉伸臺(tái)水平安置在中子應(yīng)力衍射譜儀上，中子衍射波長(zhǎng)1.587 ?，測(cè)量晶面(002)，衍射角28.5°，采樣體積4 mm×4 mm×6 mm，壓縮加載速率0.05 mm·min-1，衍射矢量與壓縮方向平行(即測(cè)量的晶格應(yīng)變方向與壓縮方向平行)。

圖1原位壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖

Fig.1Shematic diagram of in-situ compression test

TATB基PBX，中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所, TATB單質(zhì)炸藥晶體和F2314(氟樹(shù)脂)粘結(jié)劑組成的炸藥造型粉經(jīng)等靜壓壓制，然后機(jī)械加工為Φ10 mm×10 mm的圓柱體樣品(1#～6#)和20 mm×20 mm×20 mm的長(zhǎng)方體樣品(7#)。

2.2 測(cè)試方法

根據(jù)GB/T 26140-2010/ISO/TS 21432:2005《無(wú)損檢測(cè) 測(cè)量殘余應(yīng)力的中子衍射方法》對(duì)樣品進(jìn)行中子衍射內(nèi)應(yīng)力測(cè)量，通過(guò)中子衍射測(cè)量晶體學(xué)平面之間的晶格間距，從晶格間距的改變，導(dǎo)出彈性應(yīng)變，然后根據(jù)應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力。

2.3衍射角選擇

將TATB晶體結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)入Material Studio軟件計(jì)算得到TATB晶體理論中子衍射圖(波長(zhǎng)1.587 ?時(shí)TATB中子理論衍射圖)，如圖2所示。將Φ10 mm×10 mm的TATB基PBX圓柱體置于樣品臺(tái)中心，設(shè)置入射狹縫寬度(ISW)8.77 mm，衍射狹縫寬度(DSW)11.648 mm，入射狹縫高度(ISH)21.6 mm，衍射狹縫高度(DSH)40.095 mm，該設(shè)置為最大采樣體積的情況，為8.7 mm×20 mm×11 mm，實(shí)測(cè)TATB基PBX在29°、61°及75°衍射角位置的中子衍射圖，如圖3所示。由圖2和圖3可見(jiàn)，TATB基PBX和單質(zhì)TATB晶體都在29°、 61°和75°衍射角位置有明顯的衍射峰，且衍射峰強(qiáng)度在29°處最強(qiáng)，75°處次之，61°最弱。所以對(duì)于TATB基PBX這種雙相復(fù)合材料，可通過(guò)觀測(cè)其中TATB晶體的衍射峰來(lái)檢測(cè)應(yīng)力變化。

圖2TATB晶體理論中子衍射圖

Fig.2Theoretical neutron diffraction spectrum of TATB crystal

圖3TATB基PBX在29°、 61°、 75°衍射角位置的實(shí)測(cè)中子衍射信號(hào)

Fig.3Neutron diffraction signals of TATB based PBX under diffraction angles 29°, 61°and 75°

基于不重疊單峰、峰強(qiáng)高、90°附近(采樣體積接近立方體)的挑選原則[15]，選出(412)晶面(75°衍射角)作為中子應(yīng)力觀測(cè)晶面。根據(jù)2dhklsinθhkl=λ，其中λ為射線波長(zhǎng)，dhkl為產(chǎn)生布拉格峰的(hkl)晶面間距，θhkl為布拉格角，如果選擇更長(zhǎng)波長(zhǎng)的中子束進(jìn)行檢測(cè)，θhkl可以變化到更大的角度，所以(002)晶面(29°衍射角)也可作為中子應(yīng)力觀測(cè)晶面。

3 結(jié)果與討論

3.1 壓縮內(nèi)應(yīng)力

在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)由0 MPa到斷裂狀態(tài)，步進(jìn)為3 MPa進(jìn)行加載。每次加高壓強(qiáng)以后，在該壓強(qiáng)狀態(tài)下，對(duì)1#～3#樣品特定截面進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力中子衍射測(cè)試。1#～3#樣品單軸壓縮過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，宏觀力學(xué)曲線變化趨勢(shì)基本一致，宏觀力學(xué)性能一致性好，屈服強(qiáng)度均為14 MPa。

圖4單軸壓縮過(guò)程中樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.4Stress-strain curves of samples in the process of uniaxial compression

設(shè)計(jì)了5個(gè)中子應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)，未加載狀態(tài)(0 MPa)均定為無(wú)應(yīng)力參考點(diǎn)。中子衍射應(yīng)力測(cè)量了0，-3，-6，-9，12 MPa應(yīng)力狀態(tài)下的晶格應(yīng)變，(002)晶面的晶格應(yīng)變與加載應(yīng)力值近似為線性關(guān)系，見(jiàn)表1。

σzz=Ehklεzz

式中，Ehkl為(hkl)晶面衍射彈性常數(shù)。一般彈性常數(shù)既不是體彈性常數(shù)也不是單晶值，而是對(duì)應(yīng)于特定(hkl)晶面的多晶集合值，展示了彈性區(qū)域內(nèi)(hkl)晶面加載應(yīng)力和中子衍射測(cè)量的彈性應(yīng)變之間的線性關(guān)系。

計(jì)算彈性區(qū)域內(nèi)(002)晶面加載應(yīng)力和中子衍射測(cè)量的彈性應(yīng)變之間的線性關(guān)系-E002。通過(guò)原位壓縮實(shí)驗(yàn)，可以看出TATB基高聚物粘結(jié)炸藥(002)晶面的晶格應(yīng)變?chǔ)?02與加載應(yīng)力σ具有較好的線性響應(yīng)關(guān)系，通過(guò)3#樣品彈性階段的擬合，得到(002)晶面的衍射彈性模量E002=1/70.5×1000=14.3 GPa，利用這一關(guān)系，通過(guò)利用中子應(yīng)力分析技術(shù)直接測(cè)量(002)晶面的晶格應(yīng)變?chǔ)?02，進(jìn)而間接計(jì)算其應(yīng)力值σ。

σ=0.001×14.3×ε002

1#、2#和3#樣品的中子衍射測(cè)量應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2，目前，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間為15 min，晶格應(yīng)變精度±70 με，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力精度±1 MPa。通過(guò)加長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間，比如60 min時(shí)，晶格應(yīng)變測(cè)量精度可控制在±20 με，而應(yīng)力精度則可控制在±0.3 MPa以?xún)?nèi)。

3.2 循環(huán)壓縮內(nèi)應(yīng)力

在較為復(fù)雜的原位壓縮加載/卸載過(guò)程中，即將4#、5#、6#號(hào)樣品應(yīng)力分別加載到-3，-6，-9，-12 MPa再回到零應(yīng)力狀態(tài)，在每個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下，進(jìn)行中子衍射應(yīng)力測(cè)試，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。該過(guò)程中的中子衍射應(yīng)力檢測(cè)的晶格應(yīng)變結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?

表1不同加載應(yīng)力下中子衍射檢測(cè)的點(diǎn)陣應(yīng)變

Table1The Lattice strain of neutrondiffraction test under different loading stress

parametersstress/MPastrain/%latticestrainofneutrondiffraction1#latticestrina(10-6)error(10-6)2#latticestrina(10-6)error(10-6)3#latticestrina(10-6)error(10-6)000±71．10±68．30±84．1-3-0．5-173．6±83．195．9±63．2-216．5±81．4-6-0．9-314．4±79．4-343．9±75．8-398．7±87．3-9-1．2-479．2±78．2-725．0±58．4-488．0±61．2-12-1．6-1062．5±65．2-968．7±65．9-876．0±73．1

表2中子衍射測(cè)量應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

Table2Calculation stress results of neutron diffraction test

parameterscalculationstressresultsofneutrondiffractiontest1#latticestrina(10-6)error(10-6)2#latticestrina(10-6)error(10-6)3#latticestrina(10-6)error(10-6)0000000-3-173．6-2．4895．91．37-216．5-3．10-6-314．4-4．50-343．9-4．92-398．7-5．70-9-479．2-6．85-725．0-10．37-488．0-6．98-12-1062．5-15．19-968．7-13．85-876．0-12．53

(1)當(dāng)樣品應(yīng)力分別加載到-3，-6，-9, -12 MPa時(shí)，中子衍射應(yīng)力檢測(cè)的晶格應(yīng)變隨應(yīng)力比例增大。

(2)當(dāng)樣品應(yīng)力加載到失效后，應(yīng)力值降低，中子衍射應(yīng)力檢測(cè)的晶格應(yīng)變隨之降低。

(3)每次回到零應(yīng)力狀態(tài)，中子衍射應(yīng)力檢測(cè)的晶格應(yīng)變也回到零附近。

結(jié)果表明，中子衍射應(yīng)力檢測(cè)的晶格應(yīng)變結(jié)果與復(fù)雜的應(yīng)力變化過(guò)程基本保持一致，部分檢測(cè)結(jié)果偏差較大，分析認(rèn)為: TATB基PBX是由眾多TATB粉末晶體粘結(jié)聚集的復(fù)雜體系，可能造成材料中各組分間內(nèi)應(yīng)力的不均衡配置。

圖5原位壓縮加載/卸載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.5Stress-strain curves in in-situ compression loading/unloading test process

圖6原位壓縮加載/卸載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的中子衍射應(yīng)力檢測(cè)的晶格應(yīng)變結(jié)果

Fig.6Lattice strain results of neutron diffraction stress test in in-situ compression loading/unloading test process

衍射深度實(shí)驗(yàn)采用7#樣品，選用(412)晶面，波長(zhǎng)1.587 ?，衍射角75°開(kāi)展不同深度掃描，如圖7。將中子衍射采樣體積沿20 mm厚方向，以步進(jìn)為1 mm，由外向里進(jìn)行檢測(cè)，觀察中子衍射譜信號(hào)特征。300 s計(jì)數(shù)條件下采樣體積為4 mm×4 mm×8 mm時(shí)不同穿透深度的衍射強(qiáng)度如圖8，行進(jìn)至6 mm深度時(shí)，中子衍射譜峰值湮沒(méi)于本底之中，已無(wú)法分辨。不同采樣體積下衍射強(qiáng)度隨衍射深度的變化情況如圖9所示。由圖9得到衍射深度-信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為指數(shù)衰減。設(shè)置采樣體積ISW×DSW×ISH分別為2 mm×2 mm×4 mm和4 mm×4 mm×8 mm，DSH=40 mm，可以看出采樣體積4 mm×4 mm×8 mm更佳。中子衍射法能夠獲取TATB基PBX幾厘米深度的三維殘余應(yīng)變(應(yīng)力)分布信息。

圖7中子衍射深度實(shí)驗(yàn)

Fig.7Neutron diffraction depth test

圖8300 s計(jì)數(shù)條件下采樣體積為4 mm×4 mm×8 mm時(shí)不同穿透深度的衍射強(qiáng)度

Fig.8Diffraction intensities of different diffraction penetration depth at the sampling volume of 4 mm×4 mm×8 mm under the condition of 300 s counting

圖9不同采樣體積下衍射強(qiáng)度隨衍射深度的變化情況

Fig.9The change situation of diffraction intensity with diffraction depth under different sampling volume

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)中子束波長(zhǎng)為1.587 ? 時(shí)，TATB基PBX同單質(zhì)TATB晶體一樣，在29°, 61°和 75°衍射角附近有衍射峰，可選擇(002)晶面(29°衍射角)和(412)晶面(75°衍射角)可作為中子應(yīng)力觀測(cè)晶面。

(2) 炸藥晶格間距的變化(點(diǎn)陣應(yīng)變)與對(duì)其施加的應(yīng)力呈近似線性增加的關(guān)系，隨著應(yīng)力的增加，點(diǎn)陣應(yīng)變隨之增加?？梢岳弥凶討?yīng)力分析技術(shù)測(cè)量炸藥的點(diǎn)陣應(yīng)變，利用胡克定律將點(diǎn)陣應(yīng)變乘以衍射彈性常數(shù)即可計(jì)算出炸藥應(yīng)力值。

(3) 當(dāng)中子衍射掃描達(dá)到TATB基PBX 6 mm深度時(shí)，中子衍射譜峰值湮沒(méi)于本底之中，已無(wú)法分辨，信號(hào)強(qiáng)度-衍射路徑呈指數(shù)衰減的對(duì)應(yīng)關(guān)系。中子衍射法能夠獲取TATB基PBX幾厘米深度的三維殘余應(yīng)變(應(yīng)力)分布信息。

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