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        水激活電池待發(fā)繩斷裂分析研究

        2019-11-15 09:46:54,
        失效分析與預(yù)防 2019年5期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        張 濤 , 鄭 剛 , 周 康

        (1. 海軍裝備部,山西 侯馬 043000;2. 山西平陽重工機械有限責(zé)任公司,山西 侯馬 043000)

        0 引言

        水激活電池是一種傳統(tǒng)電源,可以用海水或淡水激活,并在非激活狀態(tài)下貯存時間長,安全性好。目前普遍應(yīng)用于救生設(shè)備、科技設(shè)備及武器裝備[1-3]。某水下航行器入水后需要靠水激活電池提供啟動電源,而水激活電池啟動需要拔掉其上的待發(fā)繩方可激活。這要求待發(fā)繩鋼絲必須具有一定的可靠性。根據(jù)技術(shù)要求,此類水激活電池待發(fā)繩是由70 鋼鋼絲加工而成。雖然,目前許多生產(chǎn)企業(yè)對鋼絲產(chǎn)品加工的質(zhì)量要求越來越嚴格、精細,但在其加工過程中往往會出現(xiàn)裂紋、異常斷裂和表面銹蝕等缺陷,直接影響了鋼絲產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率[4-7]。張文彪、張翠芝等[8-9]對70 高碳鋼鋼絲在冷拉拔加工過程中出現(xiàn)斷裂及力學(xué)性能不合格的問題進行了研究,利用掃描電鏡和能譜儀對斷口進行了觀察分析,指出鋼絲斷面主要有平面狀和杯錐狀兩大類,并表明該鋼絲斷裂是由于存在較大的夾雜物,C、P、S 等元素的偏析及表面缺陷等因素造成的,建議鋼絲在生產(chǎn)過程中需要精煉,提高其化學(xué)均勻性和純凈度;吳春雷[10]對發(fā)生斷裂故障的82B 鋼絲以及其原料毛坯分別進行了低倍檢驗和金相檢驗,發(fā)現(xiàn)不論是82B 鋼絲還是原料毛坯斷口的橫、縱截面中心處都有中心偏析和縮孔缺陷存在,并提出82B 鋼絲斷裂是由于連鑄坯中心偏析和縮孔等缺陷導(dǎo)致。因此,為了提高待發(fā)繩的可靠性,確保水激活電池正常啟動,就必須預(yù)防70 鋼鋼絲出現(xiàn)裂紋、異常斷裂或表面銹蝕等缺陷,以降低產(chǎn)品的故障發(fā)生率。

        水下航行器在進行掛機空投試驗時,發(fā)現(xiàn)與空投掛架相連的水激活電池待發(fā)繩未拔出而被拉斷,導(dǎo)致該產(chǎn)品入水后水激活電池未激活。一方面,該故障不僅直接導(dǎo)致產(chǎn)品上的動力裝置、能供系統(tǒng)未能啟動,致使該產(chǎn)品被迫超深停止航行,而且給使用單位、人員造成了重大影響,也造成了一定的經(jīng)濟損失;另一方面,空投試驗是檢驗驗證該產(chǎn)品可靠性設(shè)計的重要項目,工作人員在準(zhǔn)備掛機空投試驗時耗時長耗力多,試驗失敗浪費了大量的人力、物力資源。針對這一故障,本研究將簡單介紹水激活電池的組成結(jié)構(gòu),對待發(fā)繩鋼絲的斷裂情況進行宏觀形貌、微觀形貌、金相組織、能譜及硬度分析,進而綜合分析該待發(fā)繩斷裂失效機理,最后提出幾點有效措施以減少該故障發(fā)生率。研究對水激活電池待發(fā)繩的可靠性設(shè)計具有一定實際意義,可為完善相應(yīng)的技術(shù)工藝提供必要依據(jù)。

        1 結(jié)構(gòu)組成及掛機連接狀態(tài)

        1.1 結(jié)構(gòu)組成

        水激活電池結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要由待發(fā)繩、活動蓋、殼體、插座等組成。由下而上,電池殼體下端有插座,與相應(yīng)的插頭相連接,電池蓋中部是一只裝有彈簧的活動蓋,待發(fā)繩穿過其端部,將活動蓋提起固定。待發(fā)繩在2 個彎曲點處彎成40°±2°夾角,固定好的活動蓋將入水口關(guān)閉,使水不能進入電極內(nèi),此時內(nèi)部電路處于斷開狀態(tài)。使用時,拔掉待發(fā)繩,水進入電池內(nèi)即有電壓輸出。

        圖 1 水激活電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural schematic diagram of water-activated battery

        1.2 掛機連接狀態(tài)

        拉繩是兩端帶套環(huán)的柔性鋼絲拉繩,如圖2所示。掛機時,帶有彈簧環(huán)一端的拉繩與水激活電池待發(fā)繩相連,拉繩另一端連接到直升機掛架上。直升機投放時,在水下航行器重力的作用下,水激活電池拉繩將待發(fā)繩拉出,電池進水管路開通。

        圖 2 繩索連接示意圖Fig.2 Connection schematic diagram of wire

        2 試驗結(jié)果分析

        2.1 宏觀形貌分析

        用輔具擴大八字型卡箍上端的孔口,使下方的孔口張開,輕松取出待發(fā)繩,保證斷口原貌。對被拉斷的水激活電池待發(fā)繩進行宏觀檢查。斷裂待發(fā)繩與試驗件宏觀形貌如圖3 所示,斷裂位置位于八字型卡箍的邊緣(圖3a),卡箍內(nèi)的待發(fā)繩呈黑色,該黑色區(qū)域為八字型卡箍裝夾的部位(其表面沒有鍍層)。待發(fā)繩左右側(cè)彎角角度與下方的試驗件基本相同,但左側(cè)彎角后的直線段局部明顯彎曲變形,變形位置距離彎角3.6 mm。對左側(cè)變形位置進行觀察發(fā)現(xiàn),變形后的待發(fā)繩與電池頂面的角度變?yōu)?7°,減小了13°;圖3b 為鋼絲斷口形貌,斷口表面較為平坦,可見褐色與黃色痕跡,四周剪切唇顯著。

        2.2 斷口微觀分析

        將待發(fā)繩鋼絲斷口置于掃描電鏡中進行觀察,結(jié)果如圖4 所示。圖4a 為斷口整體形貌照片,從圖中可看出,斷口表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物且中心腐蝕產(chǎn)物較多,這是由于斷裂后長時間擱置所致。經(jīng)觀察,斷口表面未發(fā)現(xiàn)有冶金缺陷,四周邊緣可見顯著剪切唇,裂紋起始于待發(fā)繩的斷口邊緣處,斷口分為裂紋源區(qū)、裂紋快速擴展區(qū)和瞬斷區(qū)3 個部分。在斷面中心處的裂紋擴展區(qū)可以觀察到典型的等軸韌窩花樣,其應(yīng)力狀態(tài)為均勻應(yīng)變形(圖4b)。剪切區(qū)為剪切韌窩(圖4c)。

        2.3 能譜分析

        圖 3 斷裂待發(fā)繩宏觀形貌Fig.3 Macroscopic feature of fractured inactive wire

        圖 4 待發(fā)繩斷口微觀形貌Fig.4 Microcosmic feature of inactive wire fracture

        查閱該待發(fā)繩完好時的檢驗記錄,可知其化學(xué)成分符合GB/T 699—2015 中相關(guān)的技術(shù)要求。對斷裂待發(fā)繩的斷口處進行能譜分析,結(jié)果如表1所示。其結(jié)果表明,斷面內(nèi)含有Cd 元素。根據(jù)技術(shù)條件規(guī)定,待發(fā)繩基體材料采用70 鋼,外表面鍍層進行鍍鎘處理,內(nèi)部成分是不含有Cd 的。由此可知,Cd 成分是在電鍍處理時出現(xiàn)的,這說明待發(fā)繩在做表面鍍鎘處理時,裂紋已產(chǎn)生或在電鍍過程中產(chǎn)生裂紋,致使待發(fā)繩內(nèi)部摻雜了Cd元素。

        2.4 金相觀察分析

        切取斷裂的待發(fā)繩試樣,經(jīng)過打磨及拋光后用4%(體積分數(shù))硝酸酒精腐蝕[11-12],使用光學(xué)顯微鏡進行觀察。結(jié)果顯示:拋光態(tài)材料截面可見夾雜,材料表面可見鍍層,也說明鋼絲在做表面鍍層處理時,其外表面已有裂紋或在電鍍過程中產(chǎn)生裂紋(圖5a);腐蝕態(tài)材料組織為細珠光體,邊緣處由于變形原因顏色發(fā)亮(圖5b)。

        表 1 待發(fā)繩斷面能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù) /%)Table 1 Results of energy spectrum analysis of inactive wire fracture(mass fraction /%)

        圖 5 斷裂待發(fā)繩金相組織形貌Fig.5 Metallographic structure feature of fractured inactive wire

        2.5 硬度及其他測試

        沿待發(fā)繩直徑從左至右的方向抽取5 個點進行硬度測試,結(jié)果見表2,可見,待發(fā)繩的平均硬度為HV 300,符合技術(shù)要求規(guī)定。

        根據(jù)待發(fā)繩完好時的檢測記錄,待發(fā)繩抗拉強度為1 100~1 110 MPa,滿足大于1 000 MPa 的要求,同時對待發(fā)繩規(guī)格進行檢測,結(jié)果也滿足相應(yīng)要求。

        表 2 待發(fā)繩硬度測試結(jié)果Table 2 Hardness testing results of inactive wire

        2.6 斷裂機理

        從能譜分析和金相分析中都可看出,待發(fā)繩在做表面鍍層處理時,其外表面已有裂紋或在電鍍過程中產(chǎn)生裂紋。根據(jù)微觀分析可知,待發(fā)繩表面的裂紋是斷面的裂紋源區(qū),斷口分為3 個區(qū)域:裂紋源區(qū)、裂紋快速擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。在待發(fā)繩彎制成型過程中,鋼絲在工裝上的受力情況如圖6 所示。折彎鋼絲前,待發(fā)繩彎環(huán)外側(cè)表面存在裂紋,當(dāng)鋼絲折彎時,裂紋處成為裂紋源區(qū),同時該處應(yīng)力集中,在彎折力作用下裂紋快速擴展。

        圖 6 鋼絲折彎示意圖Fig.6 Schematic diagram of steel wire bending

        綜合上述分析可知,彎環(huán)成型后的待發(fā)繩鋼絲表面存在裂紋,該裂紋是在電鍍前或電鍍過程中產(chǎn)生的。在水下航行器與直升機分離過程中,待發(fā)繩承受產(chǎn)品下墜的瞬時作用力,從裂紋處斷開并與八字型卡箍徹底分離,因而待發(fā)繩未從水激活電池上抽出,最終導(dǎo)致該產(chǎn)品入水后水激活電池未激活。

        3 改進措施

        為了有效防止待發(fā)繩鋼絲斷裂,進一步提高水下航行器掛機試驗的成功率,對待發(fā)繩的檢驗工序做出優(yōu)化改進:1)在表面處理電鍍前和鋼絲折彎后增加一道檢驗工序,檢驗待發(fā)繩鋼絲表面及彎環(huán)處應(yīng)無裂紋等損傷;2)對掛機試驗中有類似工作環(huán)境的鋼絲進行檢查,并且將檢驗技術(shù)條件也進行相應(yīng)完善;3)要求生產(chǎn)企業(yè)完善該類鋼絲的技術(shù)條件,確保后續(xù)生產(chǎn)的鋼絲滿足質(zhì)量要求。

        4 結(jié)論

        1)水激活電池待發(fā)繩未拔出而被拉斷的原因是由于彎環(huán)成型后的待發(fā)繩鋼絲表面存在裂紋所致。

        2)完善該類鋼絲的技術(shù)條件及相應(yīng)檢驗工序,確保待發(fā)繩鋼絲表面及彎環(huán)處應(yīng)無裂紋等損傷,以保證待發(fā)繩滿足質(zhì)量要求和減少故障的發(fā)生。

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