張敬慧

（海軍駐齊齊哈爾地區(qū)某部，黑龍江齊齊哈爾161041）

0 引言

產(chǎn)品的失效，尤其在裝備中關(guān)鍵件所用材料的失效往往會(huì)造成直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失甚至是人員傷亡。通過(guò)材料與結(jié)構(gòu)的失效分析研究，提出預(yù)防產(chǎn)品再失效的措施，起到消除潛在不合格因素的目的。

1 問(wèn)題提出

某產(chǎn)品的彈尾是由尾管和尾翼片所構(gòu)成，其中尾管前端制有螺紋，用以與彈頭連接，是關(guān)鍵件。尾管的可靠性影響到產(chǎn)品飛行穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)分布不均勻可導(dǎo)致射程和散布精度變化較大，達(dá)不到戰(zhàn)技指標(biāo)要求。該產(chǎn)品在一次作用可靠性射擊交驗(yàn)時(shí)，彈頭未作用，導(dǎo)致正常產(chǎn)品試驗(yàn)終止。對(duì)該產(chǎn)品解體散落零部件收集發(fā)現(xiàn)，尾管呈縱向開(kāi)裂，彈頭未作用。尾管的螺紋部位沿軸向撕裂（見(jiàn)圖1、圖2）。

2 原因分析

尾管材料為棒7A04-T6A，直徑φ38 mm圓棒，屬于超硬鋁合金。產(chǎn)品平均壁厚4 mm、最薄處2 mm，發(fā)射初速60～70 m/s。

尾管的生產(chǎn)流程是：原材料下料→機(jī)械加工→表面處理，涂漆。

圖1 尾管開(kāi)裂的形貌

圖2 尾管斷口的宏觀形貌

本文將尾管斷裂件一件、尾管用原材料一段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室失效分析，具體做了金相組織分析、尾管的宏觀斷口檢驗(yàn)、微觀斷口及微區(qū)成分定性分析、金相組織檢測(cè)分析，并通過(guò)3個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)方案的驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)尾管開(kāi)裂性質(zhì)進(jìn)行了確定，并對(duì)開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析，找出該產(chǎn)品的失效原因，提出了預(yù)防和解決措施[2]。

2.1 檢測(cè)分析

2.1.1 宏觀斷口分析

裂紋在螺紋部位由外向內(nèi)開(kāi)裂。在斷口上有兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是較平坦的區(qū)域，在尾管斷口的外側(cè)，即圖2中箭頭所示的區(qū)域；另一個(gè)區(qū)域較粗糙，上面布滿“人字”花樣和放射線，“人字”花樣和放射線匯集在A區(qū)的終止部位，即A區(qū)為裂紋源。這說(shuō)明尾管撕裂是從A區(qū)開(kāi)始的，如圖2所示。由此可見(jiàn)，尾管A區(qū)域的缺陷是在交驗(yàn)前就已經(jīng)存在，因此，交驗(yàn)時(shí)沿缺陷處開(kāi)裂。

2.1.2 微觀斷口分析

在掃描電鏡下對(duì)斷口進(jìn)行觀察：A區(qū)的斷口較平坦，并在表面覆蓋有氧化腐蝕的膜，見(jiàn)圖3。

圖3 尾管斷口的形貌

在尾管外表面的邊緣可以看到有擠壓進(jìn)來(lái)的金屬屑，見(jiàn)圖4。只有在機(jī)械加工之前表面就已經(jīng)存在缺陷的情況下，在機(jī)加時(shí)才有可能擠壓進(jìn)來(lái)金屬屑。這進(jìn)一步說(shuō)明原來(lái)在原材料的表面就已經(jīng)存在缺陷。圖2中B區(qū)域的斷口為韌窩形貌，說(shuō)明材料的韌性很好，見(jiàn)圖5。

圖4 外表面邊緣的形貌

圖5 B區(qū)的斷口形貌

2.1.3 金相組織檢驗(yàn)

磨制斷口處的金相組織，在斷口處未見(jiàn)夾雜等冶金缺陷，組織狀態(tài)正常，如圖6、圖7所示。

由上述試驗(yàn)結(jié)果分析，尾管的缺陷是由原材料帶入，導(dǎo)致尾管在交驗(yàn)階段斷裂。

圖6 斷口處的金相組織200×

圖7 尾管橫截面的低倍金相組織 50×

2.2 原材料

經(jīng)分析解剖原材料的縱、橫兩個(gè)方向的金相試樣，檢測(cè)結(jié)果為：原材料表面的裂痕與表面成V字形，并且底部呈圓形,裂紋的深度為106 μm。腐蝕后觀察，裂紋處的晶粒比其他部分的晶粒大，這可能是由于該處的變形與臨界變形度相當(dāng)，導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，見(jiàn)圖8。這說(shuō)明裂痕部位有變形，由此判斷，裂痕是在棒材成型時(shí)，硬質(zhì)點(diǎn)（比如較大灰塵顆粒）導(dǎo)致表面劃傷。腐蝕后，原材料的金相組織無(wú)過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象。由上述試驗(yàn)結(jié)果分析，原材料表面的缺陷為棒料加工時(shí)硬質(zhì)點(diǎn)劃傷所致。

圖8 原材料表面的缺陷200×

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為進(jìn)一步明確開(kāi)裂尾管測(cè)試分析結(jié)論的正確性，通過(guò)在尾管內(nèi)、外表面的不同位置分別預(yù)制不同的模擬裂紋進(jìn)行驗(yàn)證，具體方法[3]如下:

3.1 試驗(yàn)項(xiàng)目、目的與數(shù)量

1）尾管內(nèi)孔劃傷較重強(qiáng)度試驗(yàn)：考核尾管強(qiáng)度；數(shù)量20發(fā)。2）在尾管尾翼部預(yù)制裂紋的強(qiáng)度試驗(yàn)：模擬尾管裝配時(shí)壓裂狀態(tài)下的強(qiáng)度；數(shù)量10發(fā)。3）在尾管螺紋端內(nèi)徑表面預(yù)制0.3 mm、0.5 mm溝槽的強(qiáng)度試驗(yàn)：數(shù)量10×2發(fā)。4）鑄有尾翼的尾管尾翼部預(yù)制裂紋的強(qiáng)度試驗(yàn)：模擬尾管裝配時(shí)壓裂狀態(tài)下的強(qiáng)度；數(shù)量20發(fā)。5）未鑄尾翼的尾管，尾管尾翼部預(yù)制裂紋的強(qiáng)度試驗(yàn)：考核未鑄尾翼的尾管強(qiáng)度；數(shù)量10發(fā)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

1）尾管內(nèi)徑劃傷較重20發(fā)，射后回收檢查正常；2）尾管尾翼部預(yù)制裂紋10發(fā)，回收9發(fā)，1發(fā)開(kāi)裂，其余正常；3）尾管螺紋端內(nèi)徑表面預(yù)制溝槽20發(fā)，射擊后回收檢查正常；4）鑄有尾翼尾管翼部預(yù)制裂紋20發(fā)，射后回收檢查正常；5）未鑄尾翼尾管翼部預(yù)制裂紋10發(fā)，回收檢查正常。通過(guò)3組80發(fā)預(yù)制的裂紋進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，結(jié)果表明，只出現(xiàn)1發(fā)尾管沿單側(cè)縱向開(kāi)裂，彈頭未作用，此發(fā)開(kāi)裂現(xiàn)象與交驗(yàn)時(shí)現(xiàn)象基本一致，其它79發(fā)作用正常。故障基本復(fù)現(xiàn)。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

1）當(dāng)尾管與彈頭端外表面存在一定深度的缺陷時(shí)，可使尾管強(qiáng)度降低，導(dǎo)致在尾管射擊時(shí)開(kāi)裂；2）尾管開(kāi)裂的原因：由于原材料外表面存在的縱向應(yīng)力缺陷所致，此種應(yīng)力缺陷在原材料生產(chǎn)中極為少見(jiàn)，并存在于原材料表面。

5 改進(jìn)措施及結(jié)果

1）通過(guò)對(duì)原材料、開(kāi)裂尾管的檢測(cè)分析和產(chǎn)品驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果證明，當(dāng)尾管與彈頭連接端的外表面存在一定深度的裂紋時(shí)，可使尾管強(qiáng)度降低，導(dǎo)致尾管在射擊時(shí)開(kāi)裂。

2）該批產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)出現(xiàn)尾管開(kāi)裂，是由于尾管螺紋口端面附近存在一細(xì)微的縱向裂紋，此裂紋是由原材料表面的應(yīng)力裂紋帶入，并導(dǎo)致尾管在射擊過(guò)程開(kāi)裂。對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品采用專門購(gòu)進(jìn)的臺(tái)式放大鏡（10倍）進(jìn)行100%外觀檢驗(yàn)，對(duì)疑似裂紋的產(chǎn)品全部剔除，并采用超寬視野的SZM-B2/T2型體式顯微鏡進(jìn)行再確認(rèn)，在1萬(wàn)發(fā)返檢產(chǎn)品中共發(fā)現(xiàn)2發(fā)有疑似裂紋的產(chǎn)品，經(jīng)體式顯微鏡檢測(cè)，判定為表面劃痕1發(fā)，輕微裂痕1發(fā)。對(duì)該2發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行了射擊試驗(yàn)，結(jié)果正常，尾管未開(kāi)裂。

3）在后續(xù)2 a的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，在原工藝采用的縱向超聲波檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了相應(yīng)的工藝和檢測(cè)手段，加強(qiáng)對(duì)原材料及尾管氧化著色時(shí)的外觀檢驗(yàn)，確保了有效剔除原材料表面存在缺陷產(chǎn)品的混入，杜絕了此類事件的發(fā)生。

4）通過(guò)對(duì)彈尾成品水壓檢驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)尾管表面漏水和滲透時(shí)即剔除，此方法有效杜絕了此類事件的發(fā)生。