火炮內(nèi)膛破壞機理

劉志偉，王其林，余朋明

(海軍士官學(xué)校 兵器系，安徽 蚌埠 233012)

在火炮的使用過程中，隨著累積射彈數(shù)的增加，身管內(nèi)膛結(jié)構(gòu)會受到不同程度的破壞。一般情況下，膛線起始部破壞速度最快，徑向磨損量最大［1-2］。隨著彈丸在炮膛內(nèi)向前運動以及火藥的燃燒，沿著身管長度方向內(nèi)膛破壞程度逐漸減?。?］?；鹋趦?nèi)膛結(jié)構(gòu)的破壞將會導(dǎo)致火炮內(nèi)彈道起始條件的變化，對火炮的使用性能及彈道性能影響很大。為了保持火炮武器系統(tǒng)良好的使用效能，需要對火炮內(nèi)膛的破壞機理進行深入的分析，并提出可行的方案。

1 內(nèi)膛破壞特點

隨著累積射彈數(shù)的增加，火炮內(nèi)膛首先在膛線起始部附近出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，如圖1(a)所示。繼續(xù)發(fā)射，裂紋向炮口方向延伸，原有的裂紋連成網(wǎng)狀并不斷的加寬、加深，如圖1(b)、(c)所示。由于彈帶對炮膛的機械磨損和火藥氣體的沖刷作用，使表層金屬逐漸剝落，炮膛徑向尺寸擴大，在陰線底部常形成縱向燒蝕溝，如圖1(d)、(e)所示。

圖1 內(nèi)膛破壞特點

一般情況下，火炮發(fā)射時，火炮內(nèi)膛會受到炮膛內(nèi)高溫、高壓的火藥氣體的燒蝕、沖刷和彈丸的沖擊與摩擦等作用而導(dǎo)致內(nèi)膛結(jié)構(gòu)的變化。圖2為沿身管長度方向上，火炮陽線的破壞情況曲線。從圖2中可以很明顯的看出膛線起始部A處的陽線破壞最嚴重，向前逐漸減輕，到炮口D處破壞程度又有所增加。

圖2 陽線破壞情況曲線

另外，在內(nèi)膛同一軸向位置斷面上的破壞情況也不同，具體表現(xiàn)為陽線頂端和導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的破壞程度比陰線的破壞要快得多。

2 內(nèi)膛破壞機理分析

影響內(nèi)膛破壞的因素是多方面的，主要有熱燒蝕效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和機械磨損效應(yīng)等3個方面。

2.1 熱燒蝕效應(yīng)

在影響內(nèi)膛破壞諸多因素中，熱燒蝕效應(yīng)起到主導(dǎo)作用［3］，具體表現(xiàn)為以下3個方面:① 熱軟化;② 熱相變;③熔化。

2.1.1 熱軟化

熱軟化的影響與發(fā)射條件有關(guān)。對于射速較低的火炮，內(nèi)膛表面的軟化程度隨射彈數(shù)的增加而增加，另外，出現(xiàn)熱軟化的內(nèi)膛表面對火藥氣體和氣體壓力侵蝕作用的敏感性也會逐漸增加。對于速射火炮，由于持續(xù)的傳入熱量，壁面軟化層就具有相當(dāng)?shù)暮穸?，這種情況下彈丸的擠進壓力將會減小。相關(guān)文獻資料中已證明，在高加熱速率條件下火炮內(nèi)膛內(nèi)會產(chǎn)生一個非彈性熱軟化的溫度區(qū)間，同時會產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象。熱軟化現(xiàn)象是引起火炮內(nèi)膛破壞的原因之一。

2.1.2 熱相變

火炮發(fā)射時，由于快速地加熱和冷卻，使內(nèi)膛表面的材料體積交替地脹縮，同時也進行著急劇的相變。膛內(nèi)溫度超過750℃時，形成奧氏體。在膛內(nèi)溫度低于750℃時，又轉(zhuǎn)變?yōu)楸３植糠謯W氏體的馬氏體。由于同火炮內(nèi)膛內(nèi)表層相鄰的外層金屬溫度很低不存在相變，因此它限制了內(nèi)表層金屬回到原來位置。但由于已產(chǎn)生的壓縮塑性變形使內(nèi)表層金屬內(nèi)產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，這樣就會在連續(xù)的相變過程中造成受熱最嚴重的膛線起始部出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋。隨著射彈發(fā)數(shù)的增多，裂紋也隨之增多，并向炮口方向延伸，如圖1所示。

2.1.3 熔化

發(fā)射單基藥的火炮內(nèi)膛表面溫度低于鋼的熔點，在表面局部熔解之前存在一個“結(jié)渣殼”時期。由于高溫高壓的火藥氣體與炮鋼相互作用形成了低熔點的混合物，這些混合物逐漸溶解并被氣流帶走。發(fā)射雙基藥的火炮內(nèi)膛表面溫度高于鋼的熔點，因此可直接被融化，并被氣流帶走?？傊?，火炮內(nèi)膛表面材料在被氣流帶走之前先被加熱轉(zhuǎn)變成塑性或熔解狀態(tài)，因此磨損率正比于發(fā)射時單位表面積輸入的總熱量。

2.2 化學(xué)效應(yīng)

射擊時火炮內(nèi)膛表面存在著化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)進行的速率取決于所用火藥的類型及氣體混合物的溫度。射擊過程中，高溫高壓的火藥氣體與火炮內(nèi)膛熱變化層反應(yīng)生成易被碳、氮等元素滲入的白體。隨著射彈數(shù)的增加，碳、氮等元素的滲透量也隨之增加，統(tǒng)稱為滲碳體。

由于滲碳體和奧氏體的存在，火炮內(nèi)膛表層會出現(xiàn)表面顆?；蜔衢_裂現(xiàn)象。它們可以促進表面熔化和龜裂，促使材料表面容易被剝離，對火炮內(nèi)膛起到破壞作用。

2.3 機械磨損效應(yīng)

機械磨損效應(yīng)對火炮內(nèi)膛的破壞作用具體表現(xiàn)在火藥燃氣流的機械沖刷作用和彈丸對火炮內(nèi)膛表面的摩擦作用2個方面。

2.3.1 火藥燃氣流的機械沖刷

火藥燃氣流的機械沖刷作用是內(nèi)膛表面材料耗損的主要原因。松散的氧化膜和與燃氣反應(yīng)生成的脆性固相物質(zhì)很容易被氣流帶走。通常氣流沿彈丸前進方向有很強的剪應(yīng)力夾帶著液態(tài)和固態(tài)的生成物一起運動。氣流中的固體粒子是由未燃燒的發(fā)射藥顆粒和由燒蝕表面剝落下來的生成物組成的。由于它們的速度很高，對膛壁的機械磨損作用很大。

火藥燃氣流的其它機械作用包括內(nèi)膛表面的龜裂和炮膛的膨脹。雖然氣體的壓應(yīng)力不對材料的遷移起直接的作用.但它引起的內(nèi)膛龜裂，可以使裂紋伸長分叉，直到最后剝離，促進了燒蝕。在身管溫度上升時，特別是在快速射擊的火炮中，炮管彈性極限下降。彈丸的反復(fù)擠進.使陽線部分撐大，火藥燃氣流的吹蝕也會引起火炮內(nèi)膛永久變形，可導(dǎo)致彈丸擠進失效。

2.3.2 彈丸對火炮內(nèi)膛表面的摩擦

在彈丸沿火炮內(nèi)膛壁向前運動時.彈丸的外殼和彈帶都會對內(nèi)壁表面產(chǎn)生摩擦。由于彈丸擠進需要相當(dāng)大的力，因此彈帶對火炮內(nèi)膛的壓力在膛線起始部最大，對該部分的破壞程度也就最大。

3 降低內(nèi)膛破壞的措施

針對影響內(nèi)膛破壞的各種因素，降低內(nèi)膛破壞的措施主要有:①改進發(fā)射藥，降低膛內(nèi)爆溫;②采用表面處理技術(shù)，增強內(nèi)膛抗性;③優(yōu)化內(nèi)膛結(jié)構(gòu)，減小機械摩擦。

3.1 改進發(fā)射藥，降低膛內(nèi)爆溫

3.1.1 使用粒狀發(fā)射藥代替管狀發(fā)射藥

由于管狀發(fā)射藥在膛內(nèi)不易流動，所以其燃燒時產(chǎn)生的熱量往往集中在膛線起始部，使該部位燒蝕磨損加重;而粒狀發(fā)射藥在發(fā)射時隨火藥氣體一起流動，可使熱量均勻分布，從而可緩釋膛線起始部的高溫，減緩燒蝕磨損的速率。

3.1.2 添加緩蝕添加劑

緩蝕添加劑在發(fā)射瞬間可使身管內(nèi)壁形成絕熱、潤滑或冷氣層，顯著減小火炮內(nèi)膛的熱輸入，是一種能有效減小火炮內(nèi)膛燒蝕磨損的方法。目前正在研制的湍流粒子護膛劑能有效的降低膛內(nèi)爆溫。

3.1.3 發(fā)展液體發(fā)射藥

液體發(fā)射藥是利用液體燃料作為能源的化學(xué)推進劑，是利用液體推進劑燃燒產(chǎn)生的高壓燃氣做功來推動彈丸的，分為單元液體發(fā)射藥和雙元液體發(fā)射藥.由于液體發(fā)射藥的能量比固體發(fā)射藥一般要高30%～50%，故其可顯著提高彈丸的初速，增大射程，且其低的爆溫以及低的最大膛壓，可有效減小火炮身管內(nèi)膛的破壞。

3.2 采用表面處理技術(shù)，增強內(nèi)膛抗性

3.2.1 表面熱處理

表面熱處理是利用固態(tài)相變，并通過表面加熱的方法來對材料表層進行淬火。激光技術(shù)是近年來研究的熱點，從膛外激光器發(fā)出的高能激光束，經(jīng)膛內(nèi)的反射鏡轉(zhuǎn)向，可快速照射到火炮身管內(nèi)膛表面，并使炮膛被照處溫度急劇上升到相變溫度以上、熔點溫度以下，從而發(fā)生加熱相變，使材料組織變?yōu)閵W氏體;且激光束離開后，該處溫度可急劇下降，發(fā)生冷卻相變。淬火后材料的組織主要為細化馬氏體M，它不僅硬度高，還有利于阻礙裂紋擴展。

3.2.2 內(nèi)膛表面涂層

火炮內(nèi)膛表面鍍鉻或?qū)鹋趦?nèi)膛表面采用熱熔覆技術(shù)，均可增強火炮內(nèi)膛抗性。對內(nèi)膛鍍鉻的身管，內(nèi)膛鉻層在經(jīng)過激光強化后，將使鉻層表面原始裂紋消失、臨近鉻層的基體金屬硬度增加，從而可提高其抗熱沖擊性能和基體的防熱能力。另外火炮內(nèi)膛經(jīng)過熱處理后可獲得鐵素體的再結(jié)晶組織，從而可提高其延性，使鉻層不易脫落。美國新研制的熱熔覆技術(shù)更能增強在火炮內(nèi)膛使用的耐久性。

3.3 優(yōu)化內(nèi)膛結(jié)構(gòu)，減小機械摩擦

3.3.1 優(yōu)化坡膛結(jié)構(gòu)

坡膛的具體結(jié)構(gòu)包括坡膛的軸向長度、錐度、膛線纏角、膛線寬等結(jié)構(gòu)參量。它決定了內(nèi)彈道起始條件和彈丸起動壓力值。彈丸起動壓力值對火炮內(nèi)膛破壞程度影響很大。火炮經(jīng)過實彈射擊以后，坡膛的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸等均隨射彈發(fā)數(shù)的增加而逐漸變化:坡膛錐度減小、軸向長度增大等。為了減小實彈射擊對火炮內(nèi)膛結(jié)構(gòu)的破壞，需對坡膛結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使其與彈帶結(jié)構(gòu)設(shè)計相互協(xié)調(diào)進行。

3.3.2 優(yōu)化膛線展開曲線

等齊膛線由于彈帶在導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)不斷磨損，在另一側(cè)會出現(xiàn)間隙，形成火藥氣體沖出的通道。為了降低膛線起始部的磨損，可以令起始部纏角減小;為了降低炮口部的磨損可在炮口段采用等齊纏度膛線。這種混合纏度膛線可有效地減小火炮內(nèi)膛的破壞程度。

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