田共有

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

導彈天線罩既是彈頭的組成部分，又是導彈制導系統(tǒng)的重要組成部分。在飛行器實際工作狀態(tài)下，天線罩承受的力學載荷幅值、方向和事變特性非常復雜，但依據(jù)實際工程經(jīng)驗，絕大部分氣動載荷為作用于天線罩表面法向壓力和吸力[1]。飛行器在空氣動力作用下會產(chǎn)生變形和彈性振動運動，進而會引起附加的氣動力[2]。隨著導彈技術的發(fā)展,導彈射程越來越遠，速度越來越快，這使得導彈彈頭面臨的使用環(huán)境越來越惡劣。對導彈天線罩材料也提出了越來越高的使用要求。石英陶瓷是目前國內(nèi)外應用最廣泛的導彈天線罩材料，我院目前產(chǎn)品的天線罩均采用該類材料。石英陶瓷材料是一種多孔陶瓷材料，石英陶瓷天線罩在成型、燒結和加工過程中，可能在產(chǎn)品表面或內(nèi)部產(chǎn)生各種微小缺陷，導致天線罩存在安全隱患，另外，在正常的搬運、試驗、使用過程中也會由于材料自身的缺陷、產(chǎn)品裝配應力、氣動加載應力、氣動熱應力以及磕碰等因素，導致天線罩出現(xiàn)開裂。由于材料自身的特性以及使用環(huán)境條件的影響，引起天線罩失效開裂的因素較多，有必要對材料力學特性進行測試，結合斷口宏觀、微觀分析，對材料在經(jīng)受不同外加載荷的作用下，產(chǎn)生失穩(wěn)碎裂的特征進行研究和歸納。因成本因素，采用實物進行試驗分析是不可取的。因此，需要借助基本試樣的性能測試，對于陶瓷材料的基本力學特性以及失效特征開展分析，增加我們對于該類材料的特性分析技術及經(jīng)驗積累。本文從材料基本力學特性試驗入手，通過對典型加載模式下的斷裂力學性能測試及斷口特征歸納，斷口宏觀、微觀形貌分析，力求獲得材料力學特性及其在不同負載條件下失穩(wěn)開裂斷口宏觀和微觀特征的差異與變化。

1 實 驗

1.1 試 樣

上海玻璃鋼研究院有限公司，采用陶瓷標準彎曲試樣，尺寸為GB/T6569-2006《精細陶瓷彎曲強度試驗方法》規(guī)定標準尺寸40 mm×4 mm×3 mm。

1.2 儀器設備

40倍體視顯微鏡，德國，LEICA S6D。電子拉力試驗機，美國，英斯特朗5581型。掃描電子顯微鏡，日本，島津SSX-550型。

1.3 試 驗

(a)不同加載速度下的彎曲試驗。參照GB/T6569-2006，選用三點彎曲，跨距30 mm，加載速度分別為：0.1 mm/min，0.5 mm/min，2 mm/min，10 mm/min，50 mm/min，250 mm/min。

(b)抗壓試驗(低速、高速)。選取0.5 mm/min，50 mm/min加載速度進行抗壓試驗。

(c)低應力彎曲負載靜壓。選取設計應力仿真負載3.3 MPa、15.9 MPa和80%彎曲斷裂負載作為靜壓負載值，分別靜壓5 min。

(d)沖擊試驗。分別選擇錐面沖頭、球面沖頭、平面沖頭，以20 kg·cm的沖擊強度對樣件表面進行正向沖擊。

(e)利用LEICA S6D 40倍體視顯微鏡觀察樣件斷口宏觀形態(tài)，進行彎曲試驗和沖擊試驗樣件斷口形態(tài)宏觀比對。

(f)利用島津SSX-550型掃描電鏡觀察樣件5000倍下的微觀形貌，進行高速、低速極端加載條件下的彎曲試驗樣件斷口微觀形貌分析。

2 結果及討論

2.1 試驗結果

(a)彎曲試驗

不同加載速度下的彎曲試驗結果見表1。將表1中的彎曲強度與加載時間數(shù)據(jù)通過計算換算為應力增長速度，形成材料彎曲強度與應力增長速度之間的關系如圖1所示。裂紋擴展形態(tài)均為偏轉，低速下裂紋長度較短，高速下裂紋長度較長。

(b)抗壓試驗

抗壓試驗結果見表2。

(c)彎曲負載靜壓

低應力彎曲負載5 min靜壓試驗結果見表3。

(d)沖擊試驗

錐面、球面、平面沖擊試驗結果為：錐面沖擊下樣件呈發(fā)射狀開裂，沖擊點小范圍粉碎性破壞。球面沖擊下樣件呈粉碎性開裂，伴有較少的發(fā)射狀裂紋擴展。平面沖擊下樣件呈碎裂。具體見宏觀斷口分析圖2所示。

表1 不同加載速度下的彎曲試驗結果Tab.1 Results of bending strength under different loading rate

表2 不同加載速度下的抗壓試驗結果Tab.2 Results of compression intensity at different loading rate

表3 低應力彎曲負載靜壓試驗結果Tab.3 Results of bend-hold testing under lower stress

(e)彎曲、沖擊斷口宏觀形貌

三點彎曲及錐面、球面、平面沖擊斷裂樣件的宏觀形貌見圖2所示。

(f)彎曲斷口微觀形貌

樣件正常表面、彎曲斷裂斷口微觀形貌對比見圖3(a)、圖3(b)。低速(0.1 mm/min)加載彎曲斷口與高速(250 mm/min)加載彎曲斷口微觀形貌比對見圖3(c)和圖3(d)。

2.3 討論分析

(a)基本力學性能試驗

圖2 樣件斷裂宏觀形態(tài)Fig.2 Macro morphologies of bend fracture samples∶ (a) bend fracture sample, (b) cone impact sample, (c) ball impact sample, d) plane impact sample

圖3 樣件微觀形貌Fig.3 SEM morphologies of samples∶ (a) normal sample, (b) bend fracture sample, (c) lower rate loading sample, (d) higher rate loading sample

通過不同加載速度下的材料彎曲強度測試，在低速加載和高速加載條件下，樣件均為過載斷裂。從表1不同加載速度下的樣件彎曲強度和圖1彎曲強度隨應力增長速度的變化趨勢看出：材料的彎曲強度與加載速度具有明顯的關聯(lián)性。加載速度越大，即應力增長速度快，材料的表觀彎曲強度越低，反之越高。

對于陶瓷材料的斷裂模式，鄭光明等在“陶瓷刀具材料斷口形貌及裂紋擴展的分形特征”中指出：陶瓷材料的斷裂為穿晶／沿晶的混合模式[3]。本項目中石英陶瓷材料采用阿基米德排水法測定的石英陶瓷天線罩材料的開氣孔率為8%-12%，石英陶瓷正常尺寸開口氣孔孔徑分布范圍主要集中在100 nm-400 nm之間[4]。氣孔的存在，對于材料的力學特性有一定的影響。郎瑩等在中等氣孔率多孔陶瓷在受壓過程中的斷裂行為一文中指出：當材料中出現(xiàn)大量微氣孔時，微孔在應力作用下形成裂紋，裂紋擴展到另一孔洞時，孔洞起到裂紋鈍化作用，使裂紋無法繼續(xù)擴展[5]。

在本文中，低速加載條件下，石英陶瓷材料發(fā)生彎曲失穩(wěn)斷裂的持續(xù)時間明顯延長，彎曲強度明顯高于高速加載條件下，表明在持續(xù)外力作用下，材料內(nèi)部大量氣孔構成微裂紋源，在外力作用下得到幾乎是“同步”的擴展，直至達到材料裂紋快速擴展臨界值，發(fā)生失穩(wěn)擴展而斷裂。正是因為材料中分布有大量的微小氣孔，每個微小氣孔都是一個獨立的裂紋源，按照Griffith自由界面能理論，微裂紋擴展形成更多的新界面，可以吸收更多的能量。這些微小裂紋在低速加載條件下得到了較為充分的初期擴展，吸收了更多的外加載荷，從而使得材料在發(fā)生失穩(wěn)之前能夠表現(xiàn)出較高的強度。而高速加載條件下，眾多的微裂紋在來不及擴展的情況下，材料局部就發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴展，相應的宏觀強度相對低速加載條件下低很多。這可能是低速加載下材料強度大于高速加載的一個原因。

另外，龔江宏《陶瓷材料斷裂力學》提出：在彎曲梁中，外力達到或超過裂紋擴展臨界應力KⅠc之后，裂紋開始擴展；裂紋的擴展導致裂紋擴展動力KⅠ的降低，使得KⅠ≤ KⅠc，裂紋止裂；隨著外加應力的逐漸增大，這一開裂-止裂過程持續(xù)進行，裂紋尺寸也由初始值開始逐漸增大，而裂紋在這一擴展過程中則始終處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。直至外加應力增大至材料斷裂強度時，裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展[6]。從發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴展必須要達到一個應力臨界值或能量臨界值的角度來看，高速加載具有較高的初始動量，一方面加劇了材料應力集中的形成，另一方面具有較高的初始動能，從而可以在較低的外加應力水平下跨過裂紋快速擴展的能壘。

結合表1、表2、表3的彎曲、抗壓、靜壓彎曲試驗數(shù)據(jù)，可以看出，在正壓及低應力水平的彎曲負載作用下，材料均表現(xiàn)出力學穩(wěn)定性，尤其是正壓負載下的抗壓強度遠大于彎曲強度。說明材料在高速加載的彎曲負載作用下最易發(fā)生失穩(wěn)碎裂失效，即高速沖擊加載條件下的彎曲負載斷裂是材料的主要破壞形式。通過低應力靜壓試驗可以確定：在低于材料破壞強度的應力水平下，材料在短期內(nèi)沒有發(fā)生應力延遲斷裂。從而可以推斷：一旦發(fā)生低應力作用下的短期延遲斷裂情況，表明材料本身已存在較大的裂紋缺陷或應力集中。

(b)斷口斷面分析

從沖擊試驗結果，彎曲裂紋形態(tài)，以及圖2的樣件破壞宏觀形貌可以看出，彎曲載荷下的斷裂以單一裂紋的擴展斷裂為特征，沖擊載荷下的破壞以碎裂為典型特征。其中不同的沖擊接觸面，產(chǎn)生的破壞形態(tài)也有差異，錐面沖擊產(chǎn)生發(fā)射狀裂紋和碎裂，斷口極不規(guī)則。究其原因為：錐面沖擊應力集中明顯，在高能沖擊下，斷面以應力作用下的裂紋定向擴展和能量釋放為特點。球面沖擊產(chǎn)生碎裂和較少的發(fā)射狀裂紋。主要是球面沖擊對樣件受沖擊部位形成的應力集中作用較小，沖擊能量集中在樣件受沖擊面上，斷面以樣件能量吸收的碎裂為特點。平面沖擊以碎裂為主，斷口較平整。這是因為平面沖擊方式下，能量較前面兩種分散，端面邊沿又有一定的應力集中情況，相較錐面的應力集中小，相較球面能量分散，因此，其特點應兼具錐面和球面沖擊的特點。

結合表1和圖2(a)，在彎曲負載斷裂模式下，樣件的斷口宏觀特征：裂紋擴展以偏轉為主。高速加載斷裂樣件的裂紋擴展路徑相對較長，低速加載斷裂的裂紋擴展路徑相對較短。宏觀裂紋擴展長度的差異，應與加載速度不同對樣件提供了不同的初始沖擊動能相關。高速加載條件下樣件承受的初始沖擊動能較大，樣件發(fā)生失穩(wěn)碎裂，額外的動能通過更長裂紋的擴展得以釋放。

從圖3(a)和圖3(b)看出，正常樣件的界面平整，晶粒排布緊密，分布有較為均勻的微孔，微孔尺寸在1 μm左右。彎曲斷裂界面較為粗糙，穿晶和沿晶斷裂界面清晰，微孔和裂紋分布不均，裂紋尺寸明顯增大，個別連續(xù)的微裂紋尺寸超過10 μm。從圖3(c)和圖3(d)看出，低速加載和高速加載斷裂樣件斷面中均存在大量的微裂紋，這些微裂紋的尺寸遠大于材料原有氣孔(圖3(a)所示)的尺寸，說明樣件在斷裂過程中同時伴有大量微裂紋的擴展。從圖3(c)和圖3(d)還可以看出，斷裂界面不僅有較大的完整解理面，還存在大量的碎裂顆粒。碎裂顆粒的存在表明材料內(nèi)部發(fā)生了多個界面的微裂紋擴展，隨著加載應力的持續(xù)增大，從最先達到失穩(wěn)臨界應力的微裂紋處發(fā)生失穩(wěn)擴展而斷裂。這一微觀特征為前面所提出的材料內(nèi)部存在微裂紋擴展提供了有力證據(jù)。

3 結 論

通過陶瓷天線罩材料彎曲樣件的不同加載速度下的彎曲試驗、低應力靜壓試驗、抗壓試驗、不同面型的沖擊試驗，以及斷口宏觀、微觀形貌比對分析，對于一種石英陶瓷天線罩材料力學特性及其失穩(wěn)碎裂特征形成以下結論：

(a)高速沖擊加載條件下的彎曲負載斷裂是該種石英陶瓷天線罩材料的主要破壞形式，屬于過載斷裂。

(b)應力增長速度越快，材料的表觀彎曲強度越低。

(c)材料在低應力靜壓作用下，短期內(nèi)沒有發(fā)生應力延遲斷裂。

(d)材料在不同的加載破壞方式下，失穩(wěn)形態(tài)具有一定的宏觀和微觀特征。其中，彎曲載荷下的斷裂以單一偏轉裂紋的擴展為特征，沖擊載荷下的破壞以碎裂和多向裂紋擴展為典型特征，斷裂界面分布有大量的微裂紋。

(e)不同的沖擊接觸面，產(chǎn)生的破壞形態(tài)有差異。錐面沖擊碎裂伴有多個發(fā)射狀裂紋擴展，斷口極不規(guī)則。球面沖擊產(chǎn)生碎裂伴有較少的發(fā)射狀裂紋擴展。平面沖擊以碎裂為主，斷口較平整。