1 引言

多种炸药材料均具有显著的低强度和脆性特征，如高聚物粘结炸药(PBX)、熔铸炸药(RHT)等。拉伸性能是炸药材料最重要力学性能之一，虽然炸药拉伸性能测试已有单轴拉伸试验标准，但这些标准中采用的是长度大于50 mm、哑铃状等较为复杂的试样，需要炸药量较大、加工精度较高，制样周期较长，在配方及合成等前期研究中往往不能满足这些要求而不能获得其力学性能数据，因此，需要研究一种能够制备形状简单的小试样的试验方法。

巴西试验(Brazilian test)也称巴西圆盘试验，它起初用于脆性材料如陶瓷、水泥等^[1-2]，并已有混凝土及岩石等材料测试标准^[3-4]。Johnson^[5-6]最早将巴西试验用于评价炸药材料力学性能，由于巴西实验简单而且试样易于制作，一直有学者研究改进巴西试验装置，以提高巴西与单轴拉伸试验结果间的相关性。如陈鹏万^[7-8]、宋华杰^[9]等提出了平面压头巴西试验方法评价PBX拉伸性能，庞海燕^[10-11]分析了平面压头和试样等径圆弧压头两种巴西试验的局限性，提出橡胶垫巴西试验方法可使PBX劈裂强度与拉伸强度基本相等，但增加橡胶垫后不便于试样径向应变差动变压器引伸计(LVDT)测试，CHENG Liu等^[12]提出采用1.25倍试样半径的圆弧压头巴西试验研究PBX老化前后拉伸强度，这些研究都未能同时解决巴西试验中应力与应变准确测试问题，更多是将巴西试验作为一种强度测试方法或加载手段。

本研究采用圆弧压头与LVDT相结合方法，解决炸药巴西试验中应力与应变同时准确测试问题，研究压头形式对测试结果的影响，并对1种PBX和3种RHT炸药的弧面压头巴西试验结果与单轴拉伸试验的差异性进行了比较与分析。

2 实验 2.1 材料种类及试样

测试了1种PBX和3种RHT，材料编号和主要成分包括：(1) PBX-HMX：95%HMX/5%氟橡胶；(2) RHT-4：34%TNT/64%RDX/2%4#添加剂；(3) RHT-45：34%TNT/64%RDX/1%4#添加剂/1%5#添加剂；(4) RHT-5：34%TNT/64%RDX/2%5#添加剂。

巴西试验试样为Φ20 mm×6 mm药柱，每组试样为3发，拉伸试验试样为长65 mm哑铃状，每组试样为5发。每种材料的巴西试验试样和单轴拉伸试验试样均从同一炸药毛坯件上切割取样后再加工而成。

2.2 仪器与测试条件

单轴拉伸试验和巴西试验均采用5582材料试验机，美国INSTRAN公司。巴西试验中径向应变测试采用差动变压器式引伸计，量程0.5 mm，精度0.5%，美国INSTRAN公司。

单轴拉伸试验执行GJB772A-1997方法418.1。单轴拉伸试验和巴西试验中的加载速率均为0.5 mm·min^-1，测试环境温度为23 ℃。

2.3 巴西试验装置

试验中采用了两种巴西试验装置，一种是Johnson^[5-6]提出的炸药巴西试验装置，见图 1，该装置采用了平面压头形式，试样的径向变形采用的是LVDT测试，另一种是借鉴CHENG Liu^[12]提出圆弧压头方法，改进Johnson巴西试验装置，见图 2，其中圆弧压头包括了1.35倍试样半径和1.25倍试样半径两种圆弧压头形式。

3 测试结果及分析 3.1 不同压头巴西试验结果及与拉伸性能比较

PBX-HMX是以HMX为基高聚物粘结炸药，具有显著脆性特点，分别采用平面压头(1:∞巴西试验)、1.35倍试样半径圆弧压头(1:1.35巴西试验)、1.25倍试样半径圆弧压头(1:1.25巴西试验)3种方法测试了PBX-HMX的巴西试验应力-应变曲线，并将它们与PBX-HMX的单轴拉伸试验应力-应变曲线进行了比较，见图 3。图中平面压头巴西试验曲线与单轴拉伸试验曲线偏离较大，不论是曲线斜率还是曲线峰值均小得多，1:1.25巴西试验曲线峰值比单轴拉伸曲线大，比较而言，1:1.35巴西试验曲线与单轴拉伸试验曲线较为接近。

破坏强度、破坏应变及模量是材料力学性能中最为重要的性能参数，表 1是每组试样的破坏强度、破坏应变及模量的平均值及其标准偏差。从表 1可以看出，如果以单轴拉伸试验数据为基准值，平面压头测试得到的各项力学性能数据明显偏小，1:1.25圆弧巴西试验中除模量偏小外，破坏强度和破坏应变均偏大，比较而言，1:1.35巴西试验结果与单轴拉伸试验测试结果比较接近。

3.2 不同压头巴西试验中试样应力分布分析

不同压头巴西试验对PBX-HMX力学性能测试结果不同，与在不同压头形式巴西试验中试样受力状况不同有关。本研究进一步通过数值模拟分析在相同径向压缩变形量的情况下，不同压头巴西试验中试样上的应力分布云图，见图 4。分析采用线弹性模型，ANSYS的SOLID 186单元，压头模量200 GPa，压头泊松比0.3，试样模量11.23 GPa，试样泊松比0.3。从图 4a可以看出，平面压头巴西试验的最大拉伸应力分布在接近两个压头的部位，存在显著应力集中问题，造成了试样在较小的应力作用下也可发生破坏。而1:1.35、1:1.25两种巴西试验中最大拉应力分布在试样中部，满足巴西试验间接测试拉伸性能的要求，测试结果与拉伸性能接近，但是两者应力分布还是存在差异，两者测试的破坏应力和破坏应变均不同，不过对于1:1.35圆弧压头巴西试验更接近拉伸试验结果的原因，还需进一步开展巴西试验中试样应力精确分析和PBX材料强度准则等相关研究，才能得到充分解释。

3.3 3种熔铸炸药圆弧压头巴西试验结果

根据3.1、3.2分析结果，认为采用1:1.35圆弧压头巴西试验测试结果与单轴拉伸试验结果基本相等，结果进一步采用1:1.35圆弧压头巴西试验对同样具有显著脆性的3种熔铸炸药进行了测试如图 5所示。同时还测试了这几种熔铸炸药的拉伸性能如图 6所示。从图 5和图 6可以看出，两种方法的测试曲线变化趋势基本一致。

3.4 脆性炸药巴西试验与单轴拉伸试验结果差异性分析

每组试样用巴西试验和单轴拉伸试验测试得到的破坏强度、破坏应变及模量的平均值及其标准偏差见表 2~表 4。从表 2和表 3均可以看出，在这3种熔铸炸药的力学性能数据中，拉伸破坏强度、拉伸破坏应变和拉伸模量较高的RHT-4熔铸炸药的巴西试验的破坏强度、破坏应变及模量均相对较高。而RHT-5的各项拉伸性能最低，从巴西试验测试得到的数据也是最低。结合脆性PBX-HMX的测试结果，分析认为，巴西试验测试的脆性炸药力学性能与单轴拉伸试验测试的性能数据具有较好的相关性，圆弧压头巴西试验可用于脆性炸药拉伸性能的间接定量表征。

本研究还采用t检验法分析了巴西试验结果与拉伸性能数据之间的显著性差异，分别计算了两种试验得到的破坏强度、破坏应变及模量之间的t值。t值的计算采用公式(1)和(2)。

$ t = \frac{{{{\mathop x\limits^-}_1}-{{\mathop x\limits^-}_2}}}{{\mathop S\limits^ - }}\sqrt {\frac{{{n_1}{n_2}}}{{{n_1} + {n_2}}}} $

(1)

$ \mathop S\limits^-= \sqrt {\frac{{\left( {{n_1}-1} \right)S_1^2 + \left( {{n_2}-1} \right)S_2^2}}{{{n_1} + {n_2} - 2}}} $

(2)

式中, n₁、S₁²分别为某一单轴拉伸试验数据的平均值、试样发数(n₁=5)、实验方差。$\mathop {{x_1}}\limits^-$、n₂、S₂²分别为某一巴西试验数据的平均值、试样发数(n₂=3)、实验方差。根据该公式计算得到的巴西试验和单轴拉伸试验测试得到的破坏强度、破坏应变及模量的t值分别见表 2、表 3和表 4。如果置信概率取95%，本研究的检验自由度为6，根据t分布表查得t_p(6)=2.45，只有当t值小于t_p(6)时，两者才没有显著差异。将表中的各个t值与t_p(6)比较，可以看出，多数t值小于或接近t_p(6)，表明巴西试验结果与单轴拉伸试验测试结果相关性较好，但是还是有部分t值超过了t_p(6)，尤其是模量数据，这表明巴西试验结果与单轴拉伸试验测试结果还是存在一定差异，两者不能完全等同。

4 结论

(1) 采用圆弧压头与LVDT引伸计解决炸药巴西试验中应力与应变同时准确测试问题，结果表明当圆弧压头半径与试样半径之比为1:1.35时，PBX-HMX巴西试验与单轴拉伸试验结果相近。

(2) 测试了3种RHT脆性熔铸炸药力学性能与其单轴拉伸性能进行比较，结果表明两种方法测试结果的高低变化趋势是一致的，圆弧压头巴西试验可用于脆性炸药拉伸性能的间接定量表征。

(3) 采用t检验方法对PBX-HMX和3种RHT炸药的巴西试验结果与单轴拉伸试验结果之间的差异进行了分析，检验分析表明这两种方法测试结果还存在一定差异，圆弧巴西试验还不能完全替代拉伸试验。