楊海金， 陳娟， 邱衛(wèi)根， 張平， 卞臻臻， 徐愛東， 詹江

（江蘇北方湖光光電有限公司，江蘇無錫214035）

0 引 言

鑄鋁合金ZL101A被廣泛應(yīng)用在各類軍用光學(xué)儀器中，特別是具有密度小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)的鑄鋁合金ZL101A精鑄件，近年在各類瞄準(zhǔn)鏡中被用作殼體等主要零件的材料。瞄準(zhǔn)鏡是隨武器系統(tǒng)射擊時(shí)處于高頻、強(qiáng)沖擊環(huán)境下使用的精密光學(xué)儀器，通過鏡槍連接接口與槍械進(jìn)行連接。由于槍械的沖擊加速度較大，會(huì)產(chǎn)生大量的沖擊能量傳送至殼體部位，瞄準(zhǔn)鏡殼體是該類精密光學(xué)儀器的重要零件，其鏡槍連接處的抗沖擊和抗疲勞強(qiáng)度是設(shè)計(jì)人員所特別關(guān)注的。該類沖擊方式受力分析較為復(fù)雜，如：受力情況、能量傳遞和作用時(shí)間等，都不能得出精確數(shù)據(jù)，多以經(jīng)驗(yàn)公式、試驗(yàn)測量等方法進(jìn)行研究。在研制、生產(chǎn)中較為嚴(yán)重的失效形式是斷裂，而斷裂的原因很多，包括設(shè)計(jì)不當(dāng)、精鑄件有缺陷、熱處理不當(dāng)、變質(zhì)處理不充分等[1-3]。本研究針對(duì)試驗(yàn)過程中發(fā)生的瞄準(zhǔn)鏡殼體上的鏡槍連接處出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，通過一系列的試驗(yàn)分析以及理論分析等，對(duì)瞄準(zhǔn)鏡殼體斷裂的原因進(jìn)行深入分析，并提出解決的方法及改進(jìn)措施，從而為避免同類事故的發(fā)生提供依據(jù)，提高瞄準(zhǔn)鏡殼體的使用壽命。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

斷口用丙酮清洗后，使用FEI Quanta 250掃描電鏡進(jìn)行觀察。在斷裂處截取金相試樣，將試樣經(jīng)鑲嵌磨拋后，使用德國ZEISS Observer.Z1m金相顯微鏡進(jìn)行觀察、拍照。

1.1 殼體宏觀檢驗(yàn)

瞄準(zhǔn)鏡殼體斷裂外觀如圖1所示。從圖中可以看出，斷裂發(fā)生在鏡槍連接處，其他位置未見裂紋出現(xiàn)。斷裂處開始沿裂紋方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致殼體斷裂。

1.2 斷口顯微分析

該斷口微觀形貌如圖2、圖3所示。從圖中可以看出，斷口形貌以具有解理特征的小平臺(tái)為主，未見明顯韌窩，屬脆性斷裂[4-6]。圖4為斷裂處某點(diǎn)的能譜分析，斷口處的主要元素為Al和Si。結(jié)果表明，ZL101A鋁合金瞄準(zhǔn)鏡殼體產(chǎn)生的裂紋，不是因?yàn)楹须s質(zhì)元素產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致的[7]。

圖1 樣品斷口全貌

圖2 斷口形貌

1.3 零件表面觀察

零件表面氧化膜厚度較均勻，零件表面未見加工裂紋，其形貌如圖5所示。

1.4 斷口金相分析

利用ZEISS Observer.Z1m金相顯微鏡附帶的圖像分析軟件定量測量顯微組織的特征值，如圖6所示。

圖3 斷口形貌

圖4 位置1能譜分析

圖7為斷口金相圖，觀察金相圖片，可以看到有許多比較清晰的樹枝晶，二次枝晶間距S可以采取定量金相原理的截線法進(jìn)行計(jì)算：S=L/n。其中：L為任意穿過二次枝晶臂截線的總長度；n為圖中截線所截二次枝晶臂的個(gè)數(shù)（或總間隔數(shù)）[8]。測試時(shí)，選取10個(gè)試樣的平均測試值。計(jì)算可得二次枝晶的間距約為0.32 mm。

圖5 零件邊緣形貌

圖6 斷口金相

圖7 斷口金相分析

1.5 化學(xué)成分分析

對(duì)樣品取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。樣品化學(xué)成分符合GB/T 1173-1995中對(duì)ZL101A合金的成分要求。

1.6 顯微硬度檢測

將進(jìn)行金相分析后的試樣進(jìn)行布氏硬度測試，結(jié)果如表2所示。硬度測試結(jié)果表明試樣硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求值。

表1 ZL101A合金化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果 %

表2 ZL101A合金試樣布氏硬度 HB

2 分析與討論

通過對(duì)斷裂斷口的宏觀和微觀特征分析可以得出構(gòu)件失效的原因。

1）化學(xué)分析結(jié)果表明，樣品化學(xué)成分符合GB/T 1173-1995中對(duì)ZL101A合金的要求。

2）表面觀察結(jié)果表明，零件表面氧化膜厚度較均勻，零件表面未見加工裂紋。

3）金相分析結(jié)果表明，金相組織為α（Al）+共晶硅+含F(xiàn)e相，其中共晶硅粗大且呈條片狀，根據(jù)JB/T 7946.1-1999《鑄造鋁合金金相 鑄造鋁硅合金變質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)，該樣品屬于未變質(zhì)或變質(zhì)不足。金相觀察發(fā)現(xiàn)試樣中存在一些枝晶間縮孔（顯微縮松），通過定量金相分析二次晶壁間距值約為0.3 mm。

4）硬度測試結(jié)果表明試樣硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求值。

5）從構(gòu)件結(jié)構(gòu)上分析表明，失效件位于內(nèi)壁凹槽區(qū)，而外壁起裂位置位于凹槽和基體的凸凹交界壁厚最薄處。

鑄造鋁合金的性能受諸多因素影響，如疏松和孔洞等缺陷，二次枝晶間距，共晶硅的尺寸、數(shù)量及形態(tài)，富鐵相的形態(tài)與尺寸等[9]。資料表明，液態(tài)金屬鋁及合金容易發(fā)生氫吸附和氧化現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致液態(tài)鋁在凝結(jié)過程中會(huì)產(chǎn)生許多缺陷，如夾雜、氣孔等，而此類缺陷很大程度上會(huì)起到引起缺口的作用，這些缺口是裂紋的高發(fā)區(qū)，從而降低合金的疲勞性能和強(qiáng)度[10-12]。當(dāng)鋁硅鑄件進(jìn)行變質(zhì)處理時(shí)，在處理不充分的情況下，很有可能會(huì)導(dǎo)致共晶硅呈條片狀分布于α固溶體內(nèi)，基體的連續(xù)性受到影響，材料的綜合性能變差[13]。而鐵相和粗大的共晶硅均屬脆性相，它們的存在會(huì)引起較高的應(yīng)力集中，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋，同樣也會(huì)降低基體的延展性和強(qiáng)度[14]。

綜上所述，瞄準(zhǔn)鏡殼體斷裂處開裂模式為外壁起裂的脆性斷裂。斷裂原因分析如下：一方面，從零件結(jié)構(gòu)和受力情況分析，斷裂位置處于壁厚最薄處且存在應(yīng)力集中，當(dāng)受到外力作用時(shí)，該區(qū)域所受應(yīng)力最大；另一方面，從材料本身分析，鑄件沒有經(jīng)變質(zhì)或變質(zhì)處理不充分，導(dǎo)致分布在α固溶體內(nèi)的共晶硅呈粗大條片狀分布，這會(huì)使材料塑性降低，脆性增加[15-16]；此外，存在使材料抗疲勞性能和強(qiáng)度降低的疏松孔洞，這些都造成裂紋易于形成和擴(kuò)展。綜合以上幾種因素共同作用，在沖擊載荷下導(dǎo)致零件燕尾根部產(chǎn)生裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展導(dǎo)致脆性斷裂的發(fā)生。

3 結(jié)論與措施

1）瞄準(zhǔn)鏡殼體斷裂處的開裂模式為脆性開裂，起裂位置位于凸起與管身倒角外壁處。2）斷裂位置處于壁厚最薄處且存在較大的應(yīng)力集中，當(dāng)受到外力作用時(shí)，該區(qū)域所受應(yīng)力最大；從材料本身分析，鑄件存在變質(zhì)處理不充分、存在枝晶間縮孔，使材料塑性和抗疲勞性能有所下降。3）嚴(yán)格控制鑄造變質(zhì)處理工藝，獲得晶粒細(xì)小均勻分布，共晶硅形態(tài)細(xì)小且呈點(diǎn)狀或蠕蟲狀的變質(zhì)正常組織。4）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低起裂位置處的應(yīng)力集中程度，適當(dāng)增加局部壁厚。