某型彈用尾翼片裂紋分析

秦會常，楊守杰，王傳政，車路長，劉振海，惠智，張均法

（1.中國兵器工業山東特種工業集團有限公司，山東淄博255201;2.中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039）

尾翼片是飛行過程中影響彈道的重要部件和主要受力部件之一，某型尾翼片所用原材料35CrMnSiA是一種鉻錳硅系列中碳合金結構鋼板，鋼板厚度為7 mm，鋼材的冶煉方式是電弧爐冶煉，尾翼片的制造工藝流程為:原材料鋼板剪尾翼片條料→淬火→中溫回火→精加工。淬火采用滴注式可控氣氛滲碳氮爐加熱，具體工藝為（880±10）℃，等溫淬火油淬冷，某爐批次尾翼片在淬火、中溫回火熱處理后進行精加工時，發現有尾翼片出現了裂紋。文中結合原材料標準技術要求、熱處理工藝、材料加工等背景，對該批次尾尾翼片從原材料到成品進行了金相分析、化學成分分析、力學性能檢測。在以上試驗結果的基礎上，確定了尾翼片的斷裂性質和斷裂原因，并提出了工藝改進方案。

1 尾翼片的金相組織檢測

1.1 裂紋的宏觀形貌

裂紋由表面開裂，沿縱向向心部擴展，裂紋較為剛直;從表面向心部，裂紋寬度逐漸變窄。

1.2 尾翼片的金相顯微組織

取一片含有裂紋的精加工后尾翼片，按金相分析要求進行取樣、制樣，將加工好的金相試樣經4%硝酸酒精溶液浸蝕后于金相顯微鏡下觀察，裂紋的形貌如圖1、圖2所示。從圖2可看出:裂紋起源于尾翼片的表面，裂紋由表面向心部呈縱向擴展，寬度、深度逐漸變窄、變淺，紋路較為剛直，主要為穿晶裂紋。裂紋尾部略尖銳而彎曲，裂紋內無氧化物，沿裂紋兩側組織與基體組織一致，均為回火屈氏體組織。尾翼片遠離裂紋的心部基體組織如圖2所示，組織呈現明顯的帶狀偏析分布，在偏析帶中間存在較多的長條形硫化物夾雜。

圖1 裂紋宏觀形貌Fig.1 Macrostructure of the cracks

圖2 熱處理后的顯微組織（心部）Fig.2 Microstructure after heat treatment（the heart part）

1.3 尾翼片的力學性能

按照力學性能制取樣要求，從存在裂紋的尾翼片上制取、加工力學性能試樣，根據GB/T 228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行力學性能檢測，檢測結果如表1所示。從表1可看出:熱處理后尾翼片的力學性能檢測結果符合驗收工藝要求。

表1 力學性能檢測結果Table 1 Mechanical properties testing result

2 原材料理化檢測

2.1 原材料鋼板的化學成分

對同批次35CrMnSiA鋼板原材料進行化學成分分析，化學分析結果如表2所示。從表2的化學成分分析結果可看出，該批原材料鋼板的化學成分符合GJB 2150A—2005《航空用合金結構鋼熱軋鋼板規范》的驗收要求。

表2 化學成分檢測結果（質量分數）Table 2 Chemical composition analysis result %

2.2 鋼板原材料的力學性能

從同批次剩余鋼板原材料中進行抽樣，按原材料驗收要求在熱處理后進行力學性能試驗，原材料力學性能檢測結果:1#和2#試樣抗拉強度分別為658，649 MPa，斷裂伸長率均為21%，都符合標準要求（590～785 MPa;≥16%）。原材料鋼板的力學性能結果符合GJB 2150A—2005《航空用合金結構鋼熱軋鋼板規范》的驗收要求。

2.3 原材料鋼板的低倍組織

從同批原材料的鋼板中截取低倍試片，將加工到粗糙度Ra≤1.6的原材料低倍試片于75℃左右的1∶1 HCl溶液中進行熱酸蝕，酸蝕后的低倍組織如圖3所示:鋼板表面宏觀組織較為均勻、細密，未有肉眼可見的縮孔殘余、裂紋、分層、夾雜和白點存在，符合GJB 2150A—2005《航空用合金結構鋼熱軋鋼板規范》中關于35CrMnSiA鋼板低倍組織的驗收要求。

圖3 低倍組織Fig.3 Structure under low magnification

2.4 原材料鋼板的顯微組織

圖4 原材料顯微組織（縱截面）Fig.4 Material microstructure of the raw material（longitudinal section）

從同批次剩余鋼板原材料中進行抽樣，按金相分析要求進行取樣、制樣，將加工好的金相試樣經4%硝酸酒精溶液浸蝕后于金相顯微鏡下觀察，試樣縱向的顯微組織如圖4所示。基體組織為鐵素體和珠光體，呈帶狀分布，帶狀組織級別為2～3級，晶粒粗細不均，并具有輕微的魏氏組織特征，魏氏組織約為2級。鋼板心部的橫截面顯微組織如圖5所示，基體組織為珠光體和鐵素體，黑色長條狀組織為硫化物。金相顯微組織與工藝要求的球化退火組織并不相符。

圖5 原材料顯微組織（橫截面）Fig.5 Material microstructure of the raw material（longitudinal section）

2.5 非金屬夾雜物檢測

從同批原材料中取樣，淬火后進行非金屬夾雜物檢測，圖6中的AC類非金屬夾雜物為1.5級，BD類為4級，鋼材中的非金屬夾雜物含量過多，材質的潔凈度極差［1—9］。

圖6 非金屬夾雜物形貌Fig.6 Appearance of non-metallic inclusion

3 尾翼片條料的顯微組織

對同批次尚未熱處理的尾翼片條料進行觀察，發現部分尾翼片條料的縱截面存在撕裂、啃咬缺陷，形狀為“V”形缺口。取一個含有撕裂、啃咬缺陷的尾翼片條料，按金相分析要求進行取樣、制樣，將加工好的金相試樣浸蝕后于金相顯微鏡下觀察，其顯微組織如圖7所示。35CrMnSiA條料的顯微組織主要為片層狀珠光體，另有少量的鐵素體，條料的撕裂缺口出現在珠光體和鐵素體的條帶中間，并沿條帶向心部擴展。裂紋形貌呈“人字形”，在撕裂缺口的周圍，金屬的流線出現了顯著的變形和改變，局部出現了裂紋切斷金屬流線的現象。

圖7 剪切開裂形貌Fig.7 Appearance of shear cracking

4 分析與結論

裂紋兩側的顯微組織正常，均為均勻的回火屈氏體組織，裂紋應是在淬火熱處理過程中或淬火后、回火之前就已存在。若裂紋在淬火之前就已存在，則在淬火過程中由于淬火應力的作用裂紋將有明顯擴展，應形成較為明顯的宏觀裂紋，則在回火之后或精加工之前就應發現，事實與此不符，因此，裂紋應是在淬火過程中或淬火之后、回火之前形成的。裂紋在淬火過程中、回火之前形成，有以下幾種可能:原材料缺陷;氫致脆性開裂。淬火應力較大（淬火過程中或殘余應力）;淬火工藝不合理，淬火過程中存在一定程度的超溫，導致晶界弱化。若由于淬火工藝不合理，淬火過程中存在一定程度的超溫，導致晶界弱化，則工件應已發生嚴重過熱，基體組織和晶粒應較為粗大或出現三角晶界等特征;從尾翼片裂紋附近的金相組織來看，晶粒和組織未見明顯粗大，也未發現存在有三角晶界等特征，尾翼片應是未發生嚴重過熱;嚴重過熱所致的裂紋應為沿晶裂紋，而尾翼片裂紋較為筆直，主要應為穿晶開裂裂紋，事實與此不符。根據原始記錄，尾翼片淬火后停留1 h左右即進行回火，氫致脆性開裂是一種延遲開裂［10］，需要一定的孕育時間，即使尾翼片在淬火時吸氫，在如此短的時間內一般也難已氫致開裂，因此氫致脆性開裂的可能性不大。

在用剪板機剪尾翼片條料時，在尾翼片條料的表面出現了撕裂、啃咬的“V”形缺口;在撕裂的“V”形缺口周圍，金屬的流線出現了顯著的變形和改變，局部出現了切斷金屬流線的現象，這種尾翼片條料截面的撕裂缺陷應屬于冷變形開裂，這種冷變形開裂與板材中的顯微組織有著密切關系，35CrMnSiA原材料鋼板的組織是以片層狀珠光體為主+少量的鐵素體，這種類型的顯微組織在裁剪變形時，片狀滲碳體的接觸面大，且不易變形，因此產生了一層夾一層的珠光體及鐵素體的纖維組織硬化帶，由于剪板機裁剪變形，易導致組織硬化而撕裂。應該說，淬火熱處理時，尾翼片在淬火應力或淬火殘余應力的作用下并不一定會發生開裂;但由于工件表面存在冷變形撕裂缺陷，相當于存在一線性缺口，形成了較大應力集中，誘發了裂紋的萌生。因此尾翼片工件的開裂應與尾翼片工件局部存在較大的應力集中有關，這種應力集中所致開裂，應為穿晶開裂裂紋，而尾翼片的裂紋形態筆直，事實上也主要為穿晶開裂，與此相符。由于回火過程中基本消除了淬火殘余應力，此類裂紋在回火后應不會再形成。此裂紋屬淬火工藝引起的。

由原材料鋼板的理化檢測可以看出:雖然原材料鋼板的化學成分、力學性能和低倍組織均符合GJB 2150A—2005《航空用合金結構鋼熱軋鋼板規范》的驗收要求，但原材料鋼板中存在魏氏組織和長條狀硫化物。魏氏組織的存在會導致材料的力學性能明顯下降，尤其是抗沖擊韌性下降很多，因此會降低尾翼片條料抗變形開裂的能力;硫化物的存在會割裂基體的連續性、均勻性，引起微區應力集中，降低了鋼的力學性能，尤其是沖擊韌性、斷裂韌度和疲勞韌度［5—9］，同時增加了變形后材料性能的方向性差異，所以硫化物的存在加劇了尾翼片條料變形撕裂缺陷的產生。同時，硫化物夾雜的可變形性、線膨脹系數及彈性模量等物理性能與鋼基體相應的物理性能之間的存在顯著差異，由于在淬火冷卻時硫化物與鋼基體熱收縮不匹配會產生鑲嵌應力，和硫化物夾雜與基體彈性模量的不匹配而造成的應力，促使存在硫化物夾雜的鋼材局部應力升高，產生嚴重的應力集中，導致微裂紋的萌生，進而誘發淬火裂紋［11—13］。

綜合以上的分析和討論可以得出:尾翼片裂紋屬淬火裂紋。斷裂的產生原因主要有以下三點。

1）尾翼片裂紋產生的主要原因是由于原材料鋼板剪尾翼片條料過程中，在條料的表面產生了冷變形撕裂缺陷，導致淬火熱處理時產生了嚴重的應力集中，誘發了裂紋的萌生。

2）原材料鋼板中存在的魏氏組織和硫化物夾雜，也促進了淬火裂紋的萌生。

3）原材料顯微組織不符合球化退火組織要求。

5 結語

為改進尾翼片的質量，應考慮以下幾點。

1）為了防止發生沖制開裂，可以將板材經過AC1以上溫度進行球化退火處理，即將板材加熱至760℃，并保溫2 h，隨爐冷至690℃保溫2 h，使其獲得粒狀珠光體，這樣有利于組織的滑延和變形，杜絕沖制時產生冷變形開裂裂紋。

2）建議將剪板機剪尾翼片條料改為沖裁落料，由于沖裁速度較為適中，沖裁后的尾翼片的表面較為光滑，可有效消除線狀缺口裂紋源，杜絕冷變形開裂現象;淬火熱處理時，也將顯著降低尾翼片表面的應力集中，淬火裂紋萌生的幾率也會明顯下降。

3）建議改進制造工藝為:原材料鋼板球化退火→沖裁落料→粗加工→淬火→高溫回火→精加工。

4）為有效控制鋼材的潔凈度，建議工廠采購經由電弧爐加電渣重熔冶煉方式制造的鋼板。

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