一種石英陶瓷天線罩材料力學(xué)特性研究

田共有

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

導(dǎo)彈天線罩既是彈頭的組成部分，又是導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分。在飛行器實(shí)際工作狀態(tài)下，天線罩承受的力學(xué)載荷幅值、方向和事變特性非常復(fù)雜，但依據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，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(yùn)動，進(jìn)而會引起附加的氣動力[2]。隨著導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展,導(dǎo)彈射程越來越遠(yuǎn)，速度越來越快，這使得導(dǎo)彈彈頭面臨的使用環(huán)境越來越惡劣。對導(dǎo)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(yīng)用最廣泛的導(dǎo)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(jié)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(dǎo)致天線罩存在安全隱患，另外，在正常的搬運(yùn)、試驗(yàn)、使用過程中也會由于材料自身的缺陷、產(chǎn)品裝配應(yīng)力、氣動加載應(yīng)力、氣動熱應(yīng)力以及磕碰等因素，導(dǎo)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(xué)特性進(jìn)行測試，結(jié)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(jìn)行研究和歸納。因成本因素，采用實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)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(xué)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(shù)及經(jīng)驗(yàn)積累。本文從材料基本力學(xué)特性試驗(yàn)入手，通過對典型加載模式下的斷裂力學(xué)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(xué)特性及其在不同負(fù)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(shí) 驗(yàn)

1.1 試 樣

上海玻璃鋼研究院有限公司，采用陶瓷標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣，尺寸為GB/T6569-2006《精細(xì)陶瓷彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)尺寸40 mm×4 mm×3 mm。

1.2 儀器設(shè)備

40倍體視顯微鏡，德國，LEICA S6D。電子拉力試驗(yàn)機(jī)，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(yàn)

(a)不同加載速度下的彎曲試驗(yàn)。參照GB/T6569-2006，選用三點(diǎn)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(yàn)(低速、高速)。選取0.5 mm/min，50 mm/min加載速度進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

(c)低應(yīng)力彎曲負(fù)載靜壓。選取設(shè)計(jì)應(yīng)力仿真負(fù)載3.3 MPa、15.9 MPa和80%彎曲斷裂負(fù)載作為靜壓負(fù)載值，分別靜壓5 min。

(d)沖擊試驗(yàn)。分別選擇錐面沖頭、球面沖頭、平面沖頭，以20 kg·cm的沖擊強(qiáng)度對樣件表面進(jìn)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(jìn)行彎曲試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)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(jìn)行高速、低速極端加載條件下的彎曲試驗(yàn)樣件斷口微觀形貌分析。

2 結(jié)果及討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

(a)彎曲試驗(yàn)

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

(b)抗壓試驗(yàn)

抗壓試驗(yàn)結(jié)果見表2。

(c)彎曲負(fù)載靜壓

低應(yīng)力彎曲負(fù)載5 min靜壓試驗(yàn)結(jié)果見表3。

(d)沖擊試驗(yàn)

錐面、球面、平面沖擊試驗(yàn)結(jié)果為：錐面沖擊下樣件呈發(fā)射狀開裂，沖擊點(diǎn)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(kuò)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(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of compression intensity at different loading rate

表3 低應(yīng)力彎曲負(fù)載靜壓試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of bend-hold testing under lower stress

(e)彎曲、沖擊斷口宏觀形貌

三點(diǎn)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(xué)性能試驗(yàn)

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(qiáng)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(qiáng)度和圖1彎曲強(qiáng)度隨應(yīng)力增長速度的變化趨勢看出：材料的彎曲強(qiáng)度與加載速度具有明顯的關(guān)聯(lián)性。加載速度越大，即應(yīng)力增長速度快，材料的表觀彎曲強(qiáng)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(kuò)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(xiàng)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(xué)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(dāng)材料中出現(xiàn)大量微氣孔時，微孔在應(yīng)力作用下形成裂紋，裂紋擴(kuò)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(kuò)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(qiáng)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(gòu)成微裂紋源，在外力作用下得到幾乎是“同步”的擴(kuò)展，直至達(dá)到材料裂紋快速擴(kuò)展臨界值，發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。正是因?yàn)椴牧现蟹植加写罅康奈⑿饪?，每個微小氣孔都是一個獨(dú)立的裂紋源，按照Griffith自由界面能理論，微裂紋擴(kuò)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(kuò)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(qiáng)度。而高速加載條件下，眾多的微裂紋在來不及擴(kuò)展的情況下，材料局部就發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，相應(yīng)的宏觀強(qiáng)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(qiáng)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(xué)》提出：在彎曲梁中，外力達(dá)到或超過裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力KⅠc之后，裂紋開始擴(kuò)展；裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展動力KⅠ的降低，使得KⅠ≤ KⅠc，裂紋止裂；隨著外加應(yīng)力的逐漸增大，這一開裂-止裂過程持續(xù)進(jìn)行，裂紋尺寸也由初始值開始逐漸增大，而裂紋在這一擴(kuò)展過程中則始終處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。直至外加應(yīng)力增大至材料斷裂強(qiáng)度時，裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展[6]。從發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展必須要達(dá)到一個應(yīng)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(yīng)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(yīng)力水平下跨過裂紋快速擴(kuò)展的能壘。

結(jié)合表1、表2、表3的彎曲、抗壓、靜壓彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出，在正壓及低應(yīng)力水平的彎曲負(fù)載作用下，材料均表現(xiàn)出力學(xué)穩(wěn)定性，尤其是正壓負(fù)載下的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于彎曲強(qiáng)度。說明材料在高速加載的彎曲負(fù)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(fù)載斷裂是材料的主要破壞形式。通過低應(yīng)力靜壓試驗(yàn)可以確定：在低于材料破壞強(qiáng)度的應(yīng)力水平下，材料在短期內(nèi)沒有發(fā)生應(yīng)力延遲斷裂。從而可以推斷：一旦發(fā)生低應(yīng)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(yīng)力集中。

(b)斷口斷面分析

從沖擊試驗(yàn)結(jié)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(kuò)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?yàn)椋哄F面沖擊應(yīng)力集中明顯，在高能沖擊下，斷面以應(yīng)力作用下的裂紋定向擴(kuò)展和能量釋放為特點(diǎn)。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(yīng)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(diǎn)。平面沖擊以碎裂為主，斷口較平整。這是因?yàn)槠矫鏇_擊方式下，能量較前面兩種分散，端面邊沿又有一定的應(yīng)力集中情況，相較錐面的應(yīng)力集中小，相較球面能量分散，因此，其特點(diǎn)應(yīng)兼具錐面和球面沖擊的特點(diǎn)。

結(jié)合表1和圖2(a)，在彎曲負(fù)載斷裂模式下，樣件的斷口宏觀特征：裂紋擴(kuò)展以偏轉(zhuǎn)為主。高速加載斷裂樣件的裂紋擴(kuò)展路徑相對較長，低速加載斷裂的裂紋擴(kuò)展路徑相對較短。宏觀裂紋擴(kuò)展長度的差異，應(yīng)與加載速度不同對樣件提供了不同的初始沖擊動能相關(guān)。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(kuò)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(yuǎn)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(kuò)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(kuò)展，隨著加載應(yīng)力的持續(xù)增大，從最先達(dá)到失穩(wěn)臨界應(yīng)力的微裂紋處發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)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(kuò)展提供了有力證據(jù)。

3 結(jié) 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(yàn)、低應(yīng)力靜壓試驗(yàn)、抗壓試驗(yàn)、不同面型的沖擊試驗(yàn)，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(xué)特性及其失穩(wěn)碎裂特征形成以下結(jié)論：

(a)高速沖擊加載條件下的彎曲負(fù)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(yīng)力增長速度越快，材料的表觀彎曲強(qiáng)度越低。

(c)材料在低應(yīng)力靜壓作用下，短期內(nèi)沒有發(fā)生應(yīng)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(zhuǎn)裂紋的擴(kuò)展為特征，沖擊載荷下的破壞以碎裂和多向裂紋擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展。平面沖擊以碎裂為主，斷口較平整。