某型發(fā)射裝藥尾座開(kāi)裂研究

李便花，潘會(huì)平，尤 楊，和海亮，苑 哲，趙 云

(1.山西北方晉東化工有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000；2.陸軍駐太原地區(qū)第三軍事代表室，山西 太原 030000)

維護(hù)國(guó)家安寧，武器裝備必不可少，隨著國(guó)際格局的不斷變化，裝備新技術(shù)的不斷更新，智能化、信息化彈藥發(fā)展迅速，但常規(guī)彈藥也是必不可少的，發(fā)射裝藥是常規(guī)彈藥的起始元件，為彈丸飛離炮膛提供動(dòng)能，因此發(fā)射裝藥的可靠性與安全性也是武器裝備的重要特性。

1 發(fā)射裝藥

發(fā)射裝藥由基本裝藥與附加裝藥組成。其作用原理為：擊針擊發(fā)基本裝藥底火，底火發(fā)火點(diǎn)燃基本裝藥中的火藥，達(dá)到一定的壓力后燃體沖破基本藥管殼經(jīng)彈尾管孔流入彈后空間，再引燃附加裝藥，形成高溫高壓氣體，賦予彈丸一定初速?；狙b藥是小號(hào)裝藥，又是附加裝藥的點(diǎn)火元件。基本裝藥的性能對(duì)彈道穩(wěn)定性有重要的影響[1]。

1.1 某型發(fā)射裝藥結(jié)構(gòu)

某型發(fā)射裝藥由基本裝藥、附加裝藥及尾架組合件組成，基本裝藥裝入尾架組合件內(nèi)，附加裝藥裝配于尾架組合件外(見(jiàn)圖1)。

圖1 某型發(fā)射裝藥

1.2 作用原理

尾架組合件由尾座、尾管、尾桿等通過(guò)螺紋聯(lián)接的方式組合而成，發(fā)射前，發(fā)射裝藥與彈丸通過(guò)尾架組合件前部的尾桿連接后送入火炮內(nèi)膛，尾架組合件底部的尾座卡滯于火炮炮管尾部特制的斜45°臺(tái)面上。發(fā)射時(shí)，彈丸受發(fā)射裝藥作用產(chǎn)生的火藥氣體推動(dòng)向炮口運(yùn)動(dòng)，同時(shí)尾架組合件受力被剪切，彈丸與尾架組合件從尾桿處脫開(kāi)連接，彈丸飛出炮口，尾架組合件留于炮膛，開(kāi)閂后取出尾架，可進(jìn)行下一發(fā)彈丸的裝填、射擊，原理圖如圖2所示。

圖2 彈丸發(fā)射前狀態(tài)示意圖

2 產(chǎn)品故障及影響

2.1 產(chǎn)品故障

在進(jìn)行某型殺爆彈射擊試驗(yàn)時(shí)，1發(fā)彈丸在距離目標(biāo)區(qū)2 000 mm處爆炸，炮膛內(nèi)只剩尾座，尾座螺紋處縱向開(kāi)裂(見(jiàn)圖3)。

圖3 尾座開(kāi)裂狀態(tài)

2.2 危害分析

彈丸發(fā)射時(shí)，發(fā)射藥正常作用，尾架組合件正常被剪切留于炮膛，彈丸在炮膛內(nèi)受基本裝藥與附加裝藥火藥燃燒產(chǎn)生的壓力獲得飛行初速，飛離炮膛，按照既定軌道飛行至目標(biāo)區(qū)，實(shí)現(xiàn)其功能。如果尾架組合件未正常剪切，它會(huì)隨著彈丸一起飛行，尾架組合件對(duì)于彈丸飛行狀態(tài)時(shí)是多余物，它改變了彈丸的重量及定心部位，影響彈丸在飛行中的穩(wěn)定性，導(dǎo)致彈丸飛行異常，出現(xiàn)近彈，形成安全隱患。

3 原因分析

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及作用原理分析，形成故障的因素主要有：基本裝藥燃燒形成壓力較大，對(duì)尾座造成損傷；尾座自身存在缺陷，在基本裝藥作用時(shí)擴(kuò)大其缺陷形成故障。

3.1 基本裝藥

基本裝藥裝配于尾架組合件內(nèi)，底火受到外力擊發(fā)而發(fā)火，點(diǎn)燃發(fā)射藥，發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體通過(guò)尾管?chē)娀鹂讎姵鳇c(diǎn)燃附加裝藥。根據(jù)基本裝藥的作用原理可知，發(fā)射藥燃燒熱、發(fā)射藥燃燒層厚度、發(fā)射藥藥量、尾管?chē)娀鹂壮叽缡怯绊懳补茳c(diǎn)火壓力的因素。點(diǎn)火壓力高，瞬間釋放的壓力會(huì)對(duì)尾座、尾管等形成沖擊，如果壓力超出尾座可承受力，尾座可能形成損傷。

3.1.1 發(fā)射藥燃燒熱

發(fā)射藥的燃燒熱是能量的來(lái)源，根據(jù)Q=PV原理，體積一定，燃燒熱Q與壓力P成正比關(guān)系，因此發(fā)射藥的燃燒熱決定著產(chǎn)品在作用過(guò)程中尾管及尾座承受的壓力。對(duì)故障批產(chǎn)品基本裝藥所用發(fā)射藥進(jìn)行質(zhì)量追溯，其發(fā)射藥的燃燒熱為(Q+52) J/g，符合指標(biāo)(Q±90) J/g，對(duì)故障批產(chǎn)品剩余藥劑隨機(jī)抽取3份進(jìn)行燃燒熱檢測(cè)，結(jié)果分別為(Q+54) J/g、(Q+10) J/g和(Q+36) J/g。通過(guò)排查，發(fā)射藥燃燒熱無(wú)異常。

3.1.2 發(fā)射藥燃燒層厚度

產(chǎn)品用發(fā)射藥為多孔單基發(fā)射藥，燃燒層厚度決定著藥劑燃燒的速度，燃燒層尺寸越薄，藥劑燃燒越快；反之，燃燒層尺寸越厚，藥劑燃燒越慢。根據(jù)Q=Ft，能量Q一定，燃燒時(shí)間t越短，瞬間釋放的力F越大。對(duì)故障批使用發(fā)射藥剩余的藥劑隨機(jī)抽取1 000粒進(jìn)行燃燒層檢測(cè)，每顆藥粒經(jīng)放大顯微鏡檢測(cè)，藥劑的燃燒層厚度范圍為(δ-0.01)～(δ+0.02) mm，符合發(fā)射藥燃燒層厚度(δ±0.03) mm的技術(shù)要求。發(fā)射藥燃燒層厚度無(wú)異常。

3.1.3 發(fā)射藥藥量

發(fā)射藥裝配為發(fā)射裝藥配裝于彈丸，在炮膛內(nèi)燃燒，炮膛容積確定，發(fā)射藥燃燒熱確定，藥量越多，藥劑燃燒產(chǎn)生的壓力越大，可能會(huì)對(duì)尾座造成影響。隨機(jī)抽取故障樣品批產(chǎn)品50套逐一進(jìn)行藥量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為(m-0.13)～(m+0.16) g，符合選定藥量(m±0.5) g的要求。發(fā)射藥藥量無(wú)異常。

3.1.4 尾管?chē)娀鹂壮叽?/p>

火藥在一定容器內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體，容器釋放壓力面積越小，輸出的壓力越高，容器各部件承受的壓力越大。如果產(chǎn)品尾管?chē)娀鹂壮叽绯睿∮谝?guī)定尺寸時(shí)，發(fā)射藥燃燒后壓力驟增，可能會(huì)對(duì)尾座造成影響。對(duì)故障批產(chǎn)品隨機(jī)抽取50發(fā)逐發(fā)進(jìn)行噴火孔尺寸檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為(D-0.01)～(D+0.02) mm，符合(D±0.03) mm的技術(shù)要求。尾管?chē)娀鹂壮叽鐭o(wú)異常。

3.1.5 尾管點(diǎn)火壓力

尾管點(diǎn)火壓力超出規(guī)定指標(biāo)上限時(shí)，會(huì)帶來(lái)安全及質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)對(duì)尾座造成影響。對(duì)故障批產(chǎn)品選定藥量后尾管點(diǎn)火壓力檢測(cè)的記錄進(jìn)行檢查，10發(fā)產(chǎn)品點(diǎn)火壓力范圍為(Pmax-24)～(Pmax-13) MPa，符合產(chǎn)品規(guī)定的(Pmax-32)～PmaxMPa的要求。隨機(jī)在故障批中抽取20發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行尾管點(diǎn)火壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為(Pmax-26)～(Pmax-12) MPa。尾管點(diǎn)火壓力無(wú)異常。

3.2 尾座

尾座是由45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼通過(guò)熱處理加工而成。如果原材料成分、原材料內(nèi)部質(zhì)量、尾座熱處理后的硬度有異常，基本裝藥發(fā)火形成瞬間釋放的壓力對(duì)尾座、尾管等形成沖擊，尾座自身可能無(wú)法正常承受點(diǎn)火壓力而形成損傷。

3.2.1 尾座硬度

尾座在該發(fā)射裝藥產(chǎn)品中要承載藥劑燃燒產(chǎn)生的火藥壓力，因此其必須有一定的強(qiáng)度，如果其強(qiáng)度弱，承受不了火藥壓力，就會(huì)給產(chǎn)品帶來(lái)質(zhì)量及安全隱患。對(duì)故障尾座進(jìn)行多點(diǎn)硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1，平均硬度為261.7 HBW，符合技術(shù)要求為257～283 HBW的規(guī)定。

表1 故障尾座硬度檢測(cè)結(jié)果 (HBW)

3.2.2 原材料成分

原材料的質(zhì)量直接決定尾座的質(zhì)量。對(duì)故障尾座所用材料的化學(xué)成分進(jìn)行了分析檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果各元素化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)表2)。依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，對(duì)故障尾座材料中非金屬夾雜物的含量進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)表3，非金屬夾雜物如圖4所示。檢測(cè)結(jié)果表明：該故障尾座顯微組織中存在一定的硫化物、氧化鋁、環(huán)狀氧化物等夾雜物。

表2 故障尾座化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表3 故障尾座非金屬夾雜物分析

圖4 非金屬夾雜物

對(duì)尾座斷裂部位進(jìn)行電鏡檢測(cè)，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 尾座裂口橫斷面的電鏡掃描圖

圖6 尾座裂口處的電鏡掃描圖

由圖5中明顯可以看出，該尾座裂口橫斷面存在深色區(qū)域，該深色區(qū)域?yàn)樘?或其他非金屬雜質(zhì))的偏析。圖6中從尾座裂口處明顯可見(jiàn)縱向分布的帶狀組織，對(duì)材料進(jìn)行熱處理后帶狀組織處應(yīng)力較集中，塑性比正常組織差，容易在外力作用下產(chǎn)生開(kāi)裂。從上述分析可知，原材料成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但故障尾座材料成分不均勻且存在一定程度的非金屬夾雜物及偏析，熱處理后呈現(xiàn)帶狀組織，為原材料內(nèi)部缺陷。

3.2.3 尾座原材料內(nèi)部質(zhì)量

故障尾座螺紋處有2條貫通整個(gè)高度的對(duì)稱(chēng)裂紋，斷裂處可復(fù)原(見(jiàn)圖7)，斷口為層狀斷口，無(wú)塑性變形(見(jiàn)圖8)[2]。

圖7 尾座裂紋狀態(tài)

圖8 尾座裂紋斷口狀態(tài)

對(duì)斷口處的組織進(jìn)行清洗，用1 400倍高倍放大電鏡觀察斷口組織(見(jiàn)圖9)，與典型脆性斷口的電鏡掃描圖(見(jiàn)圖10)進(jìn)行對(duì)比可見(jiàn)：故障尾座開(kāi)裂斷口的晶體圓滑，無(wú)撕裂，晶體與晶體間無(wú)相互作用，與典型脆性斷口的電鏡掃描圖相似。上述分析可知，尾座在斷裂時(shí)材料幾乎沒(méi)有發(fā)生明顯的變形，為典型沿晶脆性斷裂。這種斷裂多因材料本身存在類(lèi)似裂紋性的缺陷，這種缺陷易在較大載荷的作用下高速擴(kuò)展導(dǎo)致出現(xiàn)斷裂[3]。

圖10 典型脆性斷口的電鏡掃描圖

3.3 原因定位

由上述分析可知形成尾座開(kāi)裂的原因如下：由于尾座使用的原材料45鋼存在一定的非金屬夾雜物及偏析，降低了材料性能，破壞了金屬基體的連續(xù)性，材料本身存在隱性裂紋或在熱處理時(shí)形成微小裂紋，當(dāng)彈丸發(fā)射瞬間，尾座因膛內(nèi)高溫氣體作用發(fā)生熱膨脹、尾座裂紋擴(kuò)展的同時(shí)，尾座承受彈丸啟動(dòng)時(shí)的強(qiáng)大拉拽作用，尾座裂紋迅速擴(kuò)大并最終導(dǎo)致尾座從螺紋處斷裂，尾座與尾管的連接失效，尾管失去約束隨彈丸飛出。

4 采取的措施及驗(yàn)證

4.1 采取的措施

4.1.1 原材料無(wú)損檢測(cè)

尾座加工前，對(duì)尾座原材料進(jìn)行100%超聲波探傷，剔除不合格材料。

4.1.2 熱處理后無(wú)損檢測(cè)

在尾座完成調(diào)質(zhì)處理后(加工螺紋前)，對(duì)尾座螺紋加工部位進(jìn)行磁粉探傷，剔除熱處理造成的不合格品。

4.1.3 硬度檢測(cè)

對(duì)尾座進(jìn)行序號(hào)管理，在尾座熱處理后逐一進(jìn)行硬度檢測(cè)并進(jìn)行記錄，將不合格品及時(shí)剔除，降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

4.1.4 生產(chǎn)過(guò)程中的檢測(cè)

在尾座完成螺紋加工后、表面處理前對(duì)螺紋部位采用高倍放大鏡進(jìn)行檢查。

4.2 驗(yàn)證

采取上述改進(jìn)措施后，經(jīng)超過(guò)1 500余發(fā)尾座的射擊試驗(yàn)驗(yàn)證，未出現(xiàn)該類(lèi)故障。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)尾座的開(kāi)裂處為典型脆性斷口。

2)尾座開(kāi)裂的原因是尾座使用的原材料45鋼存在一定的非金屬夾雜物及偏析，降低了材料性能，破壞了金屬基體的連續(xù)性，材料本身存在隱性裂紋或在熱處理時(shí)形成微小裂紋，在發(fā)射裝藥火藥氣體壓力的作用下，尾座裂紋迅速擴(kuò)大并最終導(dǎo)致尾座從螺紋處斷裂，屬材料本身缺陷。

3)原材料的檢測(cè)及過(guò)程檢測(cè)是質(zhì)量形成的重點(diǎn)，預(yù)防是質(zhì)量控制的關(guān)鍵，強(qiáng)化原材料的檢測(cè)及過(guò)程控制可有效降低產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。