激光淬火基體對身管鍍鉻層界面裂紋形成的影響

摘 要:身管鍍鉻層失效解剖分析表明:鍍鉻層界面裂紋的形成起源于鉻層/基體界面自由邊的斷裂。在此基礎(chǔ)上，采用激光離散淬火基體再鍍鉻的復(fù)合工藝，新工藝鍍鉻身管靶場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:激光淬火基體可以提高界面自由邊抗斷裂的能力。通過對界面結(jié)構(gòu)和鉻層界面研究和激光淬火鋼基體的特點(diǎn)分析，得出提高的結(jié)論是:提高了界面兩側(cè)材料的強(qiáng)度和改變了鉻層界面的生長方式以及基體殘余壓應(yīng)力緩解了界面剝落應(yīng)力。

關(guān)鍵詞:界面 斷裂 鉻層 激光淬火

中圖分類號:TN24文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2012)07(b)-0115-02

由于鉻的低摩擦系數(shù)和高熔點(diǎn)以及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，幾十年來，采用鍍鉻方法對身管基體進(jìn)行防護(hù)成為提高身管壽命的主要手段，但鉻層從基體上剝落成為影響鍍鉻身管壽命的關(guān)鍵問題[1-2]，為此提高鉻層的抗剝落能力也就成為鍍鉻身管延壽的技術(shù)難點(diǎn)。

鋼基體上鍍鉻的界面結(jié)合屬于金屬鍍層結(jié)合，在良好的工藝條件下，其界面結(jié)合強(qiáng)度等于甚至高于基體的強(qiáng)度。根據(jù)涂層和基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度差異，可將涂層分為強(qiáng)界面和弱界面涂層兩種情況，而金屬鍍層結(jié)合屬于前者。目前，對界面裂紋形成過程的失效分析主要集中在弱界面涂層，其結(jié)論是:涂層表面裂紋在界面處偏折，演化成界面裂紋。對大口徑加農(nóng)炮的鍍鉻炮管和小口徑機(jī)槍鍍鉻槍管解剖實(shí)驗(yàn)表明:前者鉻層表面裂紋進(jìn)入基體，但鉻層失效形式為沿界面剪切剝落，不形成界面裂紋;而后者以鉻層表面裂紋進(jìn)入基體后分叉形成次界面裂紋，相鄰次界面裂紋匯合導(dǎo)致鉻層剝落失效。由此可見，由于不同口徑的身管工況條件不同，其鉻層剝落失效的方式也不同。

為了解決我國某種型號鍍鉻身管壽命問題，利用激光離散淬火預(yù)處理基體提高鍍鉻身管壽命的工藝措施被提出來，其效果達(dá)到了預(yù)期目的，具體射擊技術(shù)參數(shù)在文獻(xiàn)已做了報(bào)導(dǎo)。為了揭示該新工藝提高鍍鉻身管壽命的機(jī)理，本文先對該型號原始鍍鉻身管進(jìn)行解剖，對界面裂紋形成過程進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，對新工藝的鍍鉻身管進(jìn)行同樣的解剖，對激光淬火區(qū)和原始區(qū)的界面裂紋形成情況作對比分析。并利用離子刻蝕研究界面結(jié)構(gòu)的方法和研究鉻層界面組織形貌的化學(xué)腐蝕去基體法以及激光淬火可以得到高強(qiáng)度的馬氏體和殘余壓應(yīng)力的特點(diǎn)，就激光淬火對鉻層界面自由邊斷裂的影響機(jī)理進(jìn)行探討。

1 鍍鉻層界面裂紋形成過程分析

取某種型號鋼基體上鍍鉻的壽終身管作研究對象。利用線切割設(shè)備，沿軸向方向，將身管一分為二，先作軸截面內(nèi)的裂紋形貌分析。為了分析界面裂紋形成過程，在沿軸線方向的不同位置取小試樣，進(jìn)行磨、拋后，得到圖1所示的界面裂紋形成過程演化圖。a)表明:鉻層表面裂紋進(jìn)入基體，并沒有形成界面裂紋。根據(jù)表面裂紋在界面處偏折的判斷準(zhǔn)則[13]可知:界面結(jié)合強(qiáng)度要高于基體的，這和金屬鍍層的界面結(jié)合強(qiáng)度要高于基體的電鍍理論解釋是相一致的。(b)表明:當(dāng)裂紋在基體擴(kuò)展到一定的長度時(shí)，在鉻層表面裂紋與界面相交的根部，形成界面裂紋。(a)和(b)的鉻層厚度不同，是由于前者比后者更靠近槍口，受到彈丸磨損小的緣故。由于本文研究的內(nèi)容是界面裂紋形成過程，因此不影響界面裂紋形成過程的演化分析。

圖1可以表明:對于鋼基體上鍍鉻界面，即使表面裂紋直接進(jìn)入基體，并沒有在界面偏折，但隨著裂紋在基體內(nèi)部擴(kuò)展長度的增加，才形成界面裂紋。如果表面裂紋在界面偏折后演化成界面裂紋，表面裂紋不會在基體內(nèi)繼續(xù)延續(xù);而裂紋分叉又是指在裂紋尖端處形成新的裂紋。很顯然，本文的界面裂紋形成不屬于裂紋偏折和分叉情況。

2 界面自由邊斷裂分析

為了進(jìn)一步分析界面裂紋形成的演化過程，在上述軸截面內(nèi)對鉻層表面裂紋形貌分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行鉻層表面形貌的分析，得到圖2。圖2表明:鉻層表面裂紋形貌是很不規(guī)則，采用化學(xué)去掉鉻層的方法，就會發(fā)現(xiàn)這些表面裂紋就是軸截面內(nèi)進(jìn)入基體的裂紋，把這些裂紋稱之為主裂紋。結(jié)合(a)和(2)可知:由這些主裂紋將鉻層和部分基體同其它部分隔離開，形成“孤島”。為了分析方便，將這些不規(guī)則的“孤島”取出，簡化成圖3所示的矩形立方體雙材料結(jié)構(gòu)，圖中的上層表示鉻層，下層表示基體，基體的厚度(h2)是進(jìn)入基體裂紋的長度與鉻層厚度(h2)之差。圖3表明:由表面裂紋的面和界面相交所形成的線，就是界面自由邊。則鉻層界面裂紋的形成就屬于界面自由邊斷裂問題，即界面裂紋的形成起源于鉻層/基體在界面自由邊的斷裂，而非表面裂紋在界面偏折或基體內(nèi)分叉的原因。

由于自由邊的存在，在該處存在應(yīng)力奇異性現(xiàn)象，即該處的界面應(yīng)力(稱之為剝落應(yīng)力)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離自由邊的數(shù)值，界面斷裂先從自由邊開始。自由邊應(yīng)力強(qiáng)度因子隨雙材料層厚度比值(h1/h2)的變化關(guān)系理論結(jié)果表明:隨著比值的減小，應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，即增加了界面自由邊斷

裂的可能性。(a)、(b)的厚度對比和界面裂紋形成現(xiàn)象與上述理論結(jié)果相一致，則說明界面自由邊斷裂與進(jìn)入基體的裂紋長度有關(guān)。這也與鉻層剪切剝落與進(jìn)入基體的裂紋長度呈正比關(guān)系的炮管解剖現(xiàn)象相吻合。

3 激光淬火基體對界面自由邊斷裂的影響

3.1 激光離散淬火處理基體

利用YAG激光器對上述分析的同種型號身管的內(nèi)膛進(jìn)行周期性離散淬火預(yù)處理，然后鍍鉻。形成了圖4所示的沿基體界面離散化的激光淬火區(qū)、原始基體區(qū)相結(jié)合的鍍鉻層/基體結(jié)構(gòu)。

3.2 靶場實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對上述離散激光處理的鍍鉻身管進(jìn)行3000發(fā)靶場實(shí)驗(yàn)，對射擊后的身管進(jìn)行同樣的失效解剖分析。取淬火區(qū)和原始區(qū)上的鉻層均斷裂的軸向試樣，進(jìn)行磨、拋光后，利用0.3%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，得到如圖5所示的垂直激光掃描方向的軸截面圖。圖5表明:在激光淬火區(qū)和原始區(qū)上的鉻層均發(fā)生斷裂、并且裂紋進(jìn)入基體，激光淬火基體的裂紋明顯要長于原始基體的。

為了比較激光淬火區(qū)和原始區(qū)的界面裂紋形貌，對表面裂紋與界面相交處進(jìn)行放大，得到圖6。圖6表明:盡管激光淬火區(qū)的表面裂紋要長于原始基體的，但激光淬火區(qū)沒有形成界面裂紋，而原始基體的則形成了界面裂紋。說明激光淬火基體提高了界面自由邊抵抗斷裂的能力。

4 激光淬火基體影響因素分析

4.1 基體殘余壓應(yīng)力的影響

眾所周知，激光淬火鋼基體，可以在基體表面形成殘余壓應(yīng)力，這就在鉻層和原始基體之間形成了一個(gè)具有殘余壓應(yīng)力的中間層。對殘余應(yīng)力與外載荷產(chǎn)生的自由邊應(yīng)力進(jìn)行疊加，利用有限元進(jìn)行殘余應(yīng)力對自由邊剝落的影響分析表明:殘余壓應(yīng)力可以降低界面自由邊的剝落應(yīng)力值，故也提高了鉻層界面自由邊抗斷裂的能力。

4.2 激光處理區(qū)硬度提高的影響

激光淬火基體增加了基體表面的硬度，進(jìn)而提高了界面的強(qiáng)度，提高了鉻層與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，因此控制了激光處理區(qū)的界面裂紋的形成。

5 結(jié)論

通過對鍍鉻身管失效解剖分析表明:鋼基體上鍍鉻的界面裂紋形成是界面自由邊斷裂的結(jié)果。激光淬火基體可以提高鍍鉻層界面自由邊抗斷裂的能力，其原因是:

(1)通過改變鉻層生長方式，消除鉻層和基體之間的中間層，提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。

(2)激光淬火基體得到的高強(qiáng)度馬氏體和鉻層初始生長層強(qiáng)度的提高，增加了界面附近材料的強(qiáng)度。

(3)激光淬火得到的基體表面殘余壓應(yīng)力減緩了自由邊的剝落應(yīng)力。

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