CN105445115B - 一种粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法，通过在不同温度下、较宽的应变速率范围下的单向拉伸力学性能测试，构建不同体系粘弹材料低温力学性能主曲线评价方法及抗拉强度受温度、应变速率影响的数学模型，提出了采用抗拉强度温度敏感指数、应变速率敏感指数评价粘弹材料低温力学性能优劣的方法。本发明的粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法与常规方法比较，优点在于可以定量预测材料的低温力学性能，对粘弹性材料的单向拉伸低温力学性能的优劣实现定量评价。

Description

一种粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法
技术领域
本发明属于材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法，用于固体推进剂或其他粘弹性材料力学性能优劣的评价。
背景技术
随着固体推进剂应用领域的不断拓展和任务的多样化，固体火箭发动机的工作温度越来越低，面临着低温极端环境带来的风险日益增加，使得人们对固体火箭发动机的低温性能更加关注。低温不仅会影响固体火箭发动机的内弹道性能，而且会显著影响推进剂的力学性能，导致发动机发生点火爆炸等严重事故。美国Zimmerman等在研究少烟推进剂(含AP、HMX、RDX)时遇到推进剂的低温变脆问题。近年来国内在高固体含量、高燃速、宽温度范围的固体推进剂应用过程中也遇到低温力学性能变差的问题，多家研制单位都曾发生发动机低温点火试车故障。因此，开展固体推进剂的低温失效机理研究具有重要的意义。
目前对于战术发动机缺乏预判低温试车药柱出现裂纹的失效判据。首先，模拟硫化降温和点火冲击响应的药柱结构完整性分析精度不高；其次，对表征推进剂的低温点火瞬间产生裂纹的破坏模式不清晰，未建立起可信的应力或应变破坏特征量；第三，试验分析手段欠缺，难以验证和改进理论分析水平。因此，急需开展相应基础研究，提高对战术导弹固体发动机低温工作失效机理的认识水平。
西北工业大学在中国专利CN 201210004809.2中公开了一种应用拉压法测量粘弹性材料力学参数的实验装置，包括壳体、力传感器、加速度传感器和激振器，激振器置于下壳体内部，上壳体上装有预紧螺杆，预紧螺杆可带动定位滑块，力传感器和辅助垫片上下滑动，辅助垫片与加速度传感器封装盖板用于夹持试件，加速度传感器放置在加速度传感器封装下壳体内，加速度传感器封装下壳体与激振器固定连接。该装置基于迟滞相频原理，相比于现有的引进装置，具有结构简单、测试精度高、测量频带宽等优点。定位滑块、传感器、试件及激振器间具有高的同轴度，且实现了可靠面接触，使激振器的激励充分传递给试件，同时确保传感器可靠测量相关物理量，从而使系统具有高的测量精度。但是，该专利需要设计专用的测量装置进行配合，这极大地增加了测量成本，并且还存在着不能够定量预测材料的低温力学性能的问题。
发明内容
本发明提出了一种粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法，采用单向拉伸力学性能试验，考虑温度和不同拉速对力学性能的影响，建立数学物理模型，采用抗拉强度温度敏感指数、应变速率敏感指数对粘弹材料的低温力学性能优劣进行定量评价。
本发明的技术解决方案是：通过对不同温度、应变速率条件下的实验数据提出了采用抗拉强度温度敏感指数、应变速率敏感指数定量评价粘弹材料的低温力学性能优劣的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法，其特征在于，所述的评价方法具体包括下述步骤：
(1)选定一种粘弹材料，制作成应力应变测试试件进行不同温度、不同应变速率条件下的单向拉伸应力应变测试；
(2)将不同温度和不同应变速率条件下的抗拉强度数据按照式(1)的数学模型进行处理；
式中σm代表粘弹材料的抗拉强度；σmc为脆性强度常数；αT、βR分别代表抗拉强度温度敏感指数和应变速率敏感指数，分别反映出粘弹性材料的抗拉强度对测试温度和应变速率的敏感程度，越大越敏感；T与R分别代表测试的绝对温度和应变速率，单位分别为开尔文和(mm/mm)/min。
式(1)是基于粘弹性材料的力学性能具有的时-温等效原理和粘弹材料在不同温度、应变速率下的单向拉伸抗拉强度变化规律建立的数学模型，从该模型可看出升高温度与降低应变速率或降低温度与增加应变速率对粘弹材料的抗拉强度的影响是等效的。
在一个优选的技术方案中，所述的温度范围为-60℃～-20℃。
在一个优选的技术方案中，所述的测试应变速率范围为1/35(mm/mm)/min～1000/7(mm/mm)/min。
在一个优选的技术方案中，所述的应力应变测试试件为哑铃型试件。
在一个优选的技术方案中，所述的脆性强度常数σmc理解为代表测试温度为1K(相当于-272.15℃)，应变速率为1(mm/mm)/min时的抗拉强度，脆性强度常数与推进剂的粘合剂体系、组份配比、推进剂的玻璃化温度、测试温度范围等有关。
本发明的理论基础是：材料的时间依赖性和温度依赖性只与材料自身特性有关，不依赖于测试模式。
本发明相对于传统方法的优势在于：
1)可以通过比较αT、βR数值的相对大小，直观地反映粘弹性材料的抗拉强度对温度和应变速率的敏感程度。
2)依据拟合得到的公式(1)，通过σmc、αT、βR数据的可以推测不同温度、应变速率下的抗拉强度，不需做额外实验就可得获得温度、应变速率对粘弹性材料力学性能的影响，尤其是抗拉强度。
附图说明
图1为X01推进剂不同温度下单向拉伸抗拉强度随应变速率的变化曲线；
图2为AT随温度的变化曲线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合具体实施方式和说明书附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
某配方固体推进剂制成哑铃型试件，按照表1设定温度、拉伸速率进行应力应变测试，将测试所得抗拉强度数据填入表1。
对表1和表2的测试数据用(1)式的数学模型进行处理。
式中：
σmc：脆性强度常数；
αT：抗拉强度温度敏感指数；
βR：抗拉强度应变速率敏感指数。
脆性强度常数σmc可理解为代表测试温度为1K(相当于-272.15℃)，应变速率为1mm/mm/min时的抗拉强度，脆性强度常数与推进剂的粘合剂体系、组份配比、推进剂的玻璃化温度、测试温度范围等有关。αT、βR的大小分别反映出推进剂的抗拉强度对测试温度和应变速率的敏感程度，越大越敏感；T与R分别代表测试的绝对温度和应变速率，单位分别为开尔文和(mm/mm)/min。式(1)是基于粘弹性材料的力学性能具有的时-温等效原理和粘弹材料在不同温度、应变速率下的单向拉伸抗拉强度变化规律建立的数学模型，从该模型可看出升高温度与降低应变速率或降低温度与增加应变速率对粘弹材料的抗拉强度的影响是等效的。
以X01推进剂为例，具体说明如何根据数学模型得到相应的公式：
根据不同温度下的抗拉强度随应变速率的变化趋势，以幂函数对不同温度下的数据点分布进行曲线拟合，得到各温度下的幂函数关系式，详见图1、表3。
对表3中T与AT()进行绘图和幂函数回归处理，得到图2和相应的回归函数式为：(相关系数为0.9993)。
对表3中的βR在置信水平为0.05时计算其置信区间，计算结果为：0.1176±0.0104。综合上述处理结果便可得到下文(2)式所示的X01推进剂的抗拉强度与测试温度和应变速率之间的关系式。
以同样的方法对X02推进剂进行测试和数据处理，也可得到相应的数学模型关系式。两种丁羟推进剂的抗拉强度与测试温度和应变速率之间存在如下关系：
X01推进剂：
X02推进剂：
从(2)、(3)式可发现X02推进剂的脆性强度常数、抗拉强度温度敏感指数、应变速率敏感指数均较X01推进剂高，说明X02推进剂对温度、应变速率更敏感，在相同低温条件下的“脆性”更高，承受外载的能力更弱，更容易受到破坏。
尽管本发明已经做了详细的说明，并提供了一些具体实例，但对本领域熟练技术人员说，只要不离开本发明的精神和范围可做各种变化或修正是显然的。
表1 X01推进剂不同温度、应变速率下抗拉强度测试结果
表2 X02推进剂不同温度、应变速率下抗拉强度测试结果
表3 X01推进剂不同温度、应变速率下抗拉强度处理结果
T，K 幂函数关系式 相关系数 AT nR
213.15 σ<sub>m</sub>＝3.8395R<sup>0.0983</sup> 0.9954 3.8395 0.0983
218.15 σ<sub>m</sub>＝3.3047R<sup>0.1109</sup> 0.9963 3.3047 0.1109
223.15 σ<sub>m</sub>＝2.936R<sup>0.1151</sup> 0.9972 2.936 0.1151
228.15 σ<sub>m</sub>＝2.6411R<sup>0.1167</sup> 0.9926 2.6411 0.1167
233.15 σ<sub>m</sub>＝2.3879R<sup>0.1240</sup> 0.9920 2.3879 0.124
243.15 σ<sub>m</sub>＝1.8638R<sup>0.1327</sup> 0.9954 1.8638 0.1327
253.15 σ<sub>m</sub>＝1.5302R<sup>0.1253</sup> 0.9835 1.5302 0.1253

Claims (5)

1.一种粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法，其特征在于，所述的评价方法具体包括下述步骤：
(1)选定一种粘弹材料，制作成应力应变测试试件进行不同温度、不同应变速率条件下的单向拉伸应力应变测试；
(2)将不同温度和不同应变速率条件下的抗拉强度数据按照式(1)的数学模型进行处理；
式中σm代表粘弹材料的抗拉强度；σmc为脆性强度常数；αT、βR分别代表抗拉强度温度敏感指数和应变速率敏感指数，分别反映出粘弹性材料的抗拉强度对测试温度和应变速率的敏感程度，越大越敏感；T与R分别代表测试的绝对温度和应变速率，单位分别为开尔文和(mm/mm)/min；
所述的脆性强度常数σmc理解为代表测试温度为1K，应变速率为1(mm/mm)/min时的抗拉强度。
2.根据权利要求1所述的一种粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法，其特征在于：温度范围为-60℃～-20℃。
3.根据权利要求1所述的一种粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法，其特征在于：测试应变速率范围为1/35(mm/mm)/min～1000/7(mm/mm)/min。
4.根据权利要求1所述的一种粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法，其特征在于：所述的应力应变测试试件为哑铃型试件。
5.根据权利要求1所述的一种粘弹材料低温力学性能优劣的评价方法，其特征在于：所述的脆性强度常数与推进剂的粘合剂体系、组份配比、推进剂的玻璃化温度、测试温度范围有关。
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