某鋁合金工件的失效分析與預防

張敬慧

（海軍駐齊齊哈爾地區某部，黑龍江齊齊哈爾161041）

0 引言

產品的失效，尤其在裝備中關鍵件所用材料的失效往往會造成直接或間接的經濟損失甚至是人員傷亡。通過材料與結構的失效分析研究，提出預防產品再失效的措施，起到消除潛在不合格因素的目的。

1 問題提出

某產品的彈尾是由尾管和尾翼片所構成，其中尾管前端制有螺紋，用以與彈頭連接，是關鍵件。尾管的可靠性影響到產品飛行穩定性，其結構分布不均勻可導致射程和散布精度變化較大，達不到戰技指標要求。該產品在一次作用可靠性射擊交驗時，彈頭未作用，導致正常產品試驗終止。對該產品解體散落零部件收集發現，尾管呈縱向開裂，彈頭未作用。尾管的螺紋部位沿軸向撕裂（見圖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。產品平均壁厚4 mm、最薄處2 mm，發射初速60～70 m/s。

尾管的生產流程是：原材料下料→機械加工→表面處理，涂漆。

圖1 尾管開裂的形貌

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行了實驗室失效分析，具體做了金相組織分析、尾管的宏觀斷口檢驗、微觀斷口及微區成分定性分析、金相組織檢測分析，并通過3個驗證試驗方案的驗證試驗，對尾管開裂性質進行了確定，并對開裂原因進行了分析，找出該產品的失效原因，提出了預防和解決措施[2]。

2.1 檢測分析

2.1.1 宏觀斷口分析

裂紋在螺紋部位由外向內開裂。在斷口上有兩個區域，一個是較平坦的區域，在尾管斷口的外側，即圖2中箭頭所示的區域；另一個區域較粗糙，上面布滿“人字”花樣和放射線，“人字”花樣和放射線匯集在A區的終止部位，即A區為裂紋源。這說明尾管撕裂是從A區開始的，如圖2所示。由此可見，尾管A區域的缺陷是在交驗前就已經存在，因此，交驗時沿缺陷處開裂。

2.1.2 微觀斷口分析

在掃描電鏡下對斷口進行觀察：A區的斷口較平坦，并在表面覆蓋有氧化腐蝕的膜，見圖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來的金屬屑，見圖4。只有在機械加工之前表面就已經存在缺陷的情況下，在機加時才有可能擠壓進來金屬屑。這進一步說明原來在原材料的表面就已經存在缺陷。圖2中B區域的斷口為韌窩形貌，說明材料的韌性很好，見圖5。

圖4 外表面邊緣的形貌

圖5 B區的斷口形貌

2.1.3 金相組織檢驗

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

由上述試驗結果分析，尾管的缺陷是由原材料帶入，導致尾管在交驗階段斷裂。

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

經分析解剖原材料的縱、橫兩個方向的金相試樣，檢測結果為：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，導致晶粒長大，見圖8。這說明裂痕部位有變形，由此判斷，裂痕是在棒材成型時，硬質點（比如較大灰塵顆粒）導致表面劃傷。腐蝕后，原材料的金相組織無過熱、過燒現象。由上述試驗結果分析，原材料表面的缺陷為棒料加工時硬質點劃傷所致。

圖8 原材料表面的缺陷200×

3 驗證試驗

為進一步明確開裂尾管測試分析結論的正確性，通過在尾管內、外表面的不同位置分別預制不同的模擬裂紋進行驗證，具體方法[3]如下:

3.1 試驗項目、目的與數量

1）尾管內孔劃傷較重強度試驗：考核尾管強度；數量20發。2）在尾管尾翼部預制裂紋的強度試驗：模擬尾管裝配時壓裂狀態下的強度；數量10發。3）在尾管螺紋端內徑表面預制0.3 mm、0.5 mm溝槽的強度試驗：數量10×2發。4）鑄有尾翼的尾管尾翼部預制裂紋的強度試驗：模擬尾管裝配時壓裂狀態下的強度；數量20發。5）未鑄尾翼的尾管，尾管尾翼部預制裂紋的強度試驗：考核未鑄尾翼的尾管強度；數量10發。

3.2 試驗結果

1）尾管內徑劃傷較重20發，射后回收檢查正常；2）尾管尾翼部預制裂紋10發，回收9發，1發開裂，其余正常；3）尾管螺紋端內徑表面預制溝槽20發，射擊后回收檢查正常；4）鑄有尾翼尾管翼部預制裂紋20發，射后回收檢查正常；5）未鑄尾翼尾管翼部預制裂紋10發，回收檢查正常。通過3組80發預制的裂紋進行可靠性試驗，結果表明，只出現1發尾管沿單側縱向開裂，彈頭未作用，此發開裂現象與交驗時現象基本一致，其它79發作用正常。故障基本復現。

4 驗證試驗結果

1）當尾管與彈頭端外表面存在一定深度的缺陷時，可使尾管強度降低，導致在尾管射擊時開裂；2）尾管開裂的原因：由于原材料外表面存在的縱向應力缺陷所致，此種應力缺陷在原材料生產中極為少見，并存在于原材料表面。

5 改進措施及結果

1）通過對原材料、開裂尾管的檢測分析和產品驗證試驗的結果證明，當尾管與彈頭連接端的外表面存在一定深度的裂紋時，可使尾管強度降低，導致尾管在射擊時開裂。

2）該批產品可靠性試驗出現尾管開裂，是由于尾管螺紋口端面附近存在一細微的縱向裂紋，此裂紋是由原材料表面的應力裂紋帶入，并導致尾管在射擊過程開裂。對現有產品采用專門購進的臺式放大鏡（10倍）進行100%外觀檢驗，對疑似裂紋的產品全部剔除，并采用超寬視野的SZM-B2/T2型體式顯微鏡進行再確認，在1萬發返檢產品中共發現2發有疑似裂紋的產品，經體式顯微鏡檢測，判定為表面劃痕1發，輕微裂痕1發。對該2發產品進行了射擊試驗，結果正常，尾管未開裂。

3）在后續2 a的產品生產過程中，在原工藝采用的縱向超聲波檢驗的基礎上，進一步完善了相應的工藝和檢測手段，加強對原材料及尾管氧化著色時的外觀檢驗，確保了有效剔除原材料表面存在缺陷產品的混入，杜絕了此類事件的發生。

4）通過對彈尾成品水壓檢驗，如發現尾管表面漏水和滲透時即剔除，此方法有效杜絕了此類事件的發生。