低溫環(huán)境下電作動器殼體破口失效機理研究

王科偉，楊正才，王海軍，付一鳴，習(xí)渭鋒，崔 琴

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低溫環(huán)境下電作動器殼體破口失效機理研究

王科偉，楊正才，王海軍，付一鳴，習(xí)渭鋒，崔 琴

（北方特種能源集團西安慶華公司，陜西 西安，710025）

針對0Cr17Ni4Cu4Nb材料作為電作動器的殼體在低溫環(huán)境下作用后出現(xiàn)破口失效問題，通過試驗研究了經(jīng)過不同熱處理條件的0Cr17Ni4Cu4Nb材料低溫環(huán)境下承受火藥爆炸能力，得到了該材料在低溫環(huán)境下承力能力出現(xiàn)減小時的臨界溫度；通過掃描電鏡分析了殼體低溫斷裂形貌，分析和驗證了低溫環(huán)境下作動器殼體破口失效機理，研究表明材料熱處理時效溫度是主要影響因素。本研究可為小型高強度收口結(jié)構(gòu)的電作動器設(shè)計提供參考。

電作動器；0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼；殼體；熱處理；失效

電作動器是一種以火工藥劑爆炸產(chǎn)生氣體和爆轟能量實現(xiàn)輸出的作動類火工裝置，具有體積小、重量輕、做功迅速等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)多種預(yù)定功能，是彈藥引信安全系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件[1-2]。不銹鋼材料0Cr17Ni4Cu4Nb是一種綜合性能優(yōu)良的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，其強度高（σ≥1 300MPa）[3]，是電作動器殼體常用材料，但以該材料作為殼體的電作動器在低溫環(huán)境下易出現(xiàn)殼體破口失效問題。關(guān)于該材料在不同時效溫度、不同固溶溫度、冷卻方式等工藝條件下的性能很多人進行了研究[4-7]，但對該材料作為電作動器的殼體材料，在低溫環(huán)境下藥劑爆炸作用后結(jié)構(gòu)是否能保持完整，以及殼體出現(xiàn)破口的機理等方面未見相關(guān)研究。本文研究了在不同熱處理條件下的0Cr17Ni4Cu4Nb材料作為殼體在低溫環(huán)境下承受火藥爆炸的能力，得到了該材料低溫環(huán)境下承力能力出現(xiàn)減小時的臨界溫度，研究了破口失效機理。

1 電作動器結(jié)構(gòu)組成與工作原理

所研究的電作動器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，該電作動器的工作過程為電作動器通電發(fā)火，內(nèi)部產(chǎn)生的高壓高溫氣體膨脹，剪斷螺桿端部薄弱環(huán)節(jié)，推動螺桿向前運動至一定行程并止動，完成推沖功能。

圖1 電作動器結(jié)構(gòu)簡圖

2 實驗

2.1 樣品準(zhǔn)備

電作動器尺寸為φ6mm×10mm，要求活塞運動行程大于4.0mm，選用綜合性能優(yōu)良的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb材料作為管殼材料。該材料力學(xué)性能與熱處理條件參數(shù)關(guān)系見表1。

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb熱處理條件與性能關(guān)系[3]

Tab.1 Relation between heat treatment conditions and properties of 0Cr17Ni4Cu4Nb

藥劑采用火焰感度好、威力適中的點火藥，其主要成分為：PbCrO4、KClO3、Pb(CNS)2，藥量5.5～6.5mg。電極塞采用AL2O3燒結(jié)而成。為了考察不同熱處理條件下的0Cr17Ni4Cu4Nb材料承受火藥爆炸的能力，設(shè)計了在2種時效溫度的熱處理條件下的0Cr17Ni4Cu4Nb材料作為電作動器的殼體材料，其熱處理條件及性能測試結(jié)果見表2所示。殼體采用收口方式實現(xiàn)銷桿、電極塞的固定。

試驗在P711低溫恒溫恒濕試驗箱中進行，發(fā)火能量通過延長線在試驗箱外部施加。

2.2 試驗條件及試驗項目

2.2.1 不同高溫條件下的結(jié)構(gòu)及功能試驗

通過正常使用溫度和1.2倍使用溫度條件下的大藥量試驗，驗證高溫對結(jié)構(gòu)完整性的影響。

2.2.2 不同低溫條件下的結(jié)構(gòu)及功能試驗

在不同溫度梯度條件下，進行正常藥量條件下的低溫試驗，驗證低溫環(huán)境對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完整性的影響。

表2 管殼熱處理條件及性能測試結(jié)果

Tab.2 Heat treatment conditions and performance test results of shell

2.2.3 不同收口方式的結(jié)構(gòu)及功能試驗

當(dāng)?shù)蜏丨h(huán)境下出現(xiàn)殼體開裂時，對A類、B類材料狀態(tài)在低溫極限條件下采用正交試驗法進行試驗，驗證是否存在收口導(dǎo)致應(yīng)力集中。

具體試驗方案見表3。

表3 電作動器試驗條件

Tab.3 Test parameters of electric actuator

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 高溫條件下試驗結(jié)果及分析

A類、B類熱處理條件下產(chǎn)品的高溫試驗結(jié)果如圖2、表4所示。

圖2 兩種狀態(tài)下的電作動器高溫試驗照片

從圖2和表4可以看出，兩種熱處理狀態(tài)的殼體在50℃、60℃的高溫條件下，藥量5.5～6.0 mg、7.5～8.0mg時電作動器作用后結(jié)構(gòu)完整。說明溫度不超過60℃時，A類、B類殼體強度均能承受藥劑爆炸后產(chǎn)生的沖擊，且有較大溫度、爆炸沖擊裕度。

表4 電作動器高溫試驗結(jié)果

Tab.4 High temperature test result of electric actuator

3.2 低溫條件下試驗結(jié)果分析

A類、B類熱處理條件下產(chǎn)品的低溫試驗結(jié)果如圖3、表5所示。從表5、圖3可以看出，A類殼體在正常藥量5.5～6.0mg條件下，在-35℃開始出現(xiàn)大量殼體開裂；B類殼體正常藥量5.5～6.0mg條件下，在-50℃出現(xiàn)個別殼體開裂現(xiàn)象，較A類情況開裂數(shù)量明顯降低，開裂數(shù)量隨著溫度的降低而增加。開裂形態(tài)如圖4所示，可見銷桿未向前運動，殼體從收口處意外斷裂，電極塞脫落。

圖3 殼體開裂數(shù)隨試驗溫度變化曲線

表5 電作動器低溫試驗結(jié)果

Tab.5 Low temperature test result of electric actuator

圖4 電作動器結(jié)構(gòu)開裂圖片

3.3 不同收口方式正交試驗結(jié)果分析

低溫下不同收口方式正交試驗結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，增加收口次數(shù)能夠減少殼體的開裂。材料在630℃條件下時效（B類），采用5次收口的殼體能夠承受藥劑爆炸時產(chǎn)生的沖擊力，殼體強度明顯提高。圖5為不同次數(shù)收口時殼體的剖面圖。

表6 低溫條件下“殼體狀態(tài)-收口方式”試驗結(jié)果

Tab.6 Test results of shell material type with different times of nosing at low temperature

圖5 殼體不同次數(shù)收口后的剖面圖

4 殼體低溫斷裂形貌及失效機理分析

對圖4所示的開裂殼體斷口進行電鏡掃描，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，管殼斷口分為內(nèi)、外兩層，均為明顯的塑性變形，靠近內(nèi)層微觀斷面機械韌窩較大，方向指向與軸線平行，為軸向拉伸形成；靠近外層微觀斷面機械拉伸韌窩較小且細密，方向指向為斜向上擴散狀態(tài)，為受爆炸氣體作用后拉伸形成斷面，斷口平整，為典型脆性斷裂形貌。結(jié)合表6正交試驗結(jié)果，證明開裂殼體存在兩次斷裂面，內(nèi)層斷面為收口一次裂紋源，外層斷面為受火藥氣體作用下引發(fā)的二次裂紋。0Cr17Ni4Cu4Nb材料熱處理時，隨著時效溫度的升高伸長率增加，材料的塑性、韌性提高，且在525~600℃以上溫度時效時，材料韌性上升幅度較大，其變化規(guī)律如圖7所示[8]。

圖6 殼體斷口掃描電鏡

由圖6（a）及圖7可知，對于以0Cr17Ni4Cu4Nb材料作為殼體的收口類結(jié)構(gòu)，在滿足殼體強度的條件下，時效溫度在620℃時，其抗爆炸沖擊的能力優(yōu)于550℃的時效溫度。電作動器殼體、螺桿剪切環(huán)受火藥爆炸沖擊，其對殼體薄弱處、螺桿剪切環(huán)產(chǎn)生的破壞形式為剪切破壞，根據(jù)材料力學(xué)第三強度理論，其剪切力為：

=Kб·=Kб·π（1）

式（1）中：為常數(shù)，一般取0.5～0.6；為剪切面直徑；為剪切面厚度。通過計算得殼體、螺桿的剪切力如表7所示。

圖7 時效溫度對0Cr17Ni4Cu4Nb材料熱處理參數(shù)的影響

表7 殼體、螺桿的剪切力計算結(jié)果

Tab.7 Calculation results of shearing force of shell and screw

由表7可知，殼體收口部位存在內(nèi)部微裂紋情況下，剪切強度計算值由4 288N下降為1 215N，而螺桿剪切環(huán)剪切強度最大為851N，因此殼體在內(nèi)部高壓氣體的快速作用下強度裕度不足。在低溫環(huán)境時，由于材料機械性能下降，發(fā)生管殼斷裂的概率偏高。

綜上所述，材料熱處理時效溫度是電作動器殼體低溫開裂的主要影響因素，主要原因是殼體材料熱處理參數(shù)選擇與收口工藝不匹配，材料處理后韌性較差，在產(chǎn)品收口彎折部位形成應(yīng)力集中損傷或應(yīng)力微裂紋，在藥劑爆炸壓力的作用下引發(fā)收口部位裂紋加深而斷裂，內(nèi)部高壓氣體急速泄漏，無法剪斷作動器螺桿剪切環(huán)并推動螺桿運動，導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效。

5 結(jié)論

（1）0Cr17Ni4Cu4Nb材料在作為藥劑爆炸承力殼體時，材料的時效處理溫度對殼體在高溫試驗條件下的承力能力影響不大，但在低溫條件下，其承力能力在-30℃后急劇下降。

（2）增加收口次數(shù)能夠減小殼體在收口過程中的應(yīng)力集中，提高抗沖擊的強度。

（3）提高熱處理時效溫度能夠提高材料的韌性，是收口承力類殼體設(shè)計需重點考慮的工藝參數(shù)之一。

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Study on Failure Mechanism of Electric Actuator Shell in Low Temperature Condition

WANG Ke-wei，YANG Zheng-cai, WANG Hai-jun，F(xiàn)U Yi-ming，XI Wei-feng，CUI Qin

(North Special Energy Group, Xi’an Qinghua Company, Xi’an,710025)

Aimed at the problem of broken shell of electric actuator in low temperature test, which used 0Cr17Ni4Cu4Nb as shell materials, the tests of 0Cr17Ni4Cu4Nb material in different heat treatment conditions were conducted to withstand the explosive ability of the gun powder under low temperature environment, and the critical temperature corresponding to the bearing capacity of the material becoming decrease was obtained. Meanwhile, the fracture morphology of the electric actuator shell in low temperature was analyzed by electron microscopy, as well as the mechanism of low temperature failure of the actuator shell was analyzed, which show the aging temperature in heat treatment of material is main influence factor. The study can provide reference for the design of the small electric actuator with high strength nozzle structure.

Electric actuator；0Cr17Ni4Cu4Nb stainless steel；Shell；Heat treatment；Failure

1003-1480（2017）05-0004-04

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.002

2017-08-13

王科偉（1979 -），男，研究員級高級工程師，主要從事火工品技術(shù)研究。