某機(jī)槍槍管內(nèi)膛損傷特征

胡春東， 董瀚， 趙洪山， 喬自平， 李峻松

(1.上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200444； 2.中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所， 北京 102202)

0 引言

身管是槍、炮等常規(guī)武器的關(guān)鍵部件，其主要功能是賦予彈頭或彈丸一定的初速和射向。射擊時(shí)身管經(jīng)受高溫、高壓、高速氣流等作用，內(nèi)膛表面發(fā)生損傷，內(nèi)膛直徑擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致初速下降、射程減小和精度降低[1-4]。美國(guó)在20世紀(jì)70～80年代對(duì)二戰(zhàn)后身管(主要為炮管)的燒蝕機(jī)理、燒蝕模型及相關(guān)防治措施進(jìn)行了研究[5-7]。Lawton[8]建立了炮管燒蝕磨損率與初始溫度、瞬時(shí)最高溫度和發(fā)射火藥燒蝕性的關(guān)系式，他總結(jié)得出每輪射擊炮管的徑向磨損量w=Aexp(bTmax)，A為與火藥成分有關(guān)的常數(shù)，b為與內(nèi)表面硬度有關(guān)的常數(shù)，Tmax為內(nèi)表面瞬時(shí)最高溫度。Lawton經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式可用于炮管的壽命預(yù)測(cè)。Sopok等[3,9]詳細(xì)分析了熱- 化學(xué)- 機(jī)械燒蝕理論和機(jī)制。Johnton[2]對(duì)身管燒蝕磨損機(jī)制、緩解燒蝕方法、燒蝕模擬預(yù)測(cè)方法等方面也作了較為詳細(xì)的評(píng)述。以上幾項(xiàng)工作建立了較為完善的身管失效理論，但上述理論多是采用炮管失效數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、總結(jié)、推導(dǎo)等逐漸完善的。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也比較重視身管失效研究。20世紀(jì)60年代，劉智英[10]出版了關(guān)于身管失效方面的專著，就身管壽命問題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的論述，主要包括燒蝕磨損過程、壽命假說和經(jīng)驗(yàn)公式等。20世紀(jì)80年代張樹松[11]研究了炮管燒蝕與疲勞問題，指出改善身管用鋼的韌性，能夠提高身管的疲勞壽命；改善鋼的熱強(qiáng)性，能夠提高中、小口徑速射武器身管的燒蝕壽命。卓穗如[12]進(jìn)行了機(jī)槍壽命預(yù)測(cè)研究，指出熱作用是導(dǎo)致鍍鉻層開裂的主要原因。張坤等[13-14]研究了機(jī)槍槍管的燒蝕機(jī)理，發(fā)現(xiàn)身管基體材料的燒蝕有界面燒蝕、次界面燒蝕、穿透性燒蝕等燒蝕方式。近年來喬自平等[1]在大口徑機(jī)槍的失效機(jī)理方面也有研究，認(rèn)為內(nèi)膛四錐、五錐的損傷是造成槍管產(chǎn)生橢圓彈孔的重要因素。

以上這些研究重點(diǎn)研究了身管損傷最嚴(yán)重的位置，如膛線起始位置，并提出了一些減緩損傷措施。

總結(jié)國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期以來的研究，發(fā)現(xiàn)關(guān)于燒蝕的機(jī)理研究，槍管遠(yuǎn)少于炮管，后者的燒蝕理論體系較為完善。而槍管損傷研究多集中于損傷最嚴(yán)重的位置——膛線起始位置，缺乏沿軸向各個(gè)區(qū)域損傷特征的系統(tǒng)研究。隨著身管武器技術(shù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求不斷提高，新的身管材料、鍍鉻、內(nèi)膛結(jié)構(gòu)、彈頭結(jié)構(gòu)、火藥等不斷涌現(xiàn)，新的槍彈體系下身管損傷特征發(fā)生了改變，新特征急需歸納總結(jié)。本文對(duì)某機(jī)槍槍管(新材料)的損傷演變、特征進(jìn)行了歸納總結(jié)，并對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行了探索。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB3484—1998《槍械性能試驗(yàn)方法》，研究槍管綜合壽命試驗(yàn)過程中槍管損傷的變化規(guī)律。每一個(gè)射擊循環(huán)按常溫(室溫)、高溫((50±2)℃)、低溫((-49±2)℃)3個(gè)階段進(jìn)行。其中常溫和高溫試驗(yàn)射擊60發(fā)后空氣冷卻3 min，120發(fā)后空氣冷卻2 min+水中冷卻3 min，低溫試驗(yàn)每射擊60發(fā)后，低溫冷卻3 min后繼續(xù)射擊，120發(fā)后低溫冷卻大于5 min. 每一階段試驗(yàn)結(jié)束后，用內(nèi)窺鏡觀察和拍攝內(nèi)膛鍍鉻層的剝落情況，用通尺量規(guī)測(cè)量?jī)?nèi)膛不同軸向位置的陽(yáng)線直徑。內(nèi)膛陽(yáng)線直徑測(cè)量方法見文獻(xiàn)[1]。為了分析方便，每一階段試驗(yàn)條件不加以區(qū)別。射彈量為全壽命的2%、7%、14%、……、100%時(shí)，分別標(biāo)記為2%壽命、7%壽命、14%壽命、……、100%壽命。槍管壽命試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)為: 初速下降率≥15%；橢圓彈孔(長(zhǎng)軸與短軸比大于1.25倍)數(shù)超過射彈數(shù)的50%；連續(xù)3靶散布密集度平均值R50≥30 cm；出現(xiàn)肉眼可見裂紋；試驗(yàn)中達(dá)到任意一項(xiàng)，宣布槍管壽終。

壽終槍管解剖后，把試樣放進(jìn)丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，內(nèi)表面采用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的Quanta650掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。橫截面試樣用牙托粉鑲嵌后，分別用120目、320目、600目、1 000目砂紙磨去劃痕，再拋光，拋光后試樣用2%的硝酸酒精進(jìn)行輕微侵蝕，目的是分清鍍層和基體界面，采用德國(guó)Leica 公司生產(chǎn)的DM2700M光學(xué)顯微鏡(OM)觀察橫截面。

2 全壽命槍管失效特征

2.1 失效槍管內(nèi)徑及分區(qū)

某槍管壽終時(shí)，損傷槍管陽(yáng)線內(nèi)徑從膛線起始位置(0 mm)至槍管口部(870 mm)變化曲線如圖1所示。圖1中顯示了不同軸向位置內(nèi)徑不同。從膛線起始位置0～80 mm這一區(qū)域，內(nèi)徑直線下降；在80～450 mm區(qū)域，內(nèi)徑不斷增加；在450～870 mm區(qū)域，內(nèi)徑保持平穩(wěn)，平穩(wěn)區(qū)占總長(zhǎng)約49%. 為了分析方便，根據(jù)內(nèi)膛表面Cr層主要損傷特征，對(duì)槍管沿軸向進(jìn)行了分區(qū)，并分別命名為剝落區(qū)、過渡區(qū)和磨損區(qū)。在各個(gè)區(qū)截取試樣，如A、B、C和D，用以觀察基體與鉻層形貌。為了便于尺寸比較，定義陽(yáng)線內(nèi)徑合格尺寸為12.72 mm.

圖1 失效槍管陽(yáng)線內(nèi)徑沿軸向變化Fig.1 Change of inner diameter of failure barrel along axis

2.2 剝落區(qū)形貌特征

圖2 壽終槍管剝落區(qū)A位置形貌Fig.2 Morphology of Positionin A in spalling zone of gun barrel

圖2為槍管壽終時(shí)(100%壽命)剝落區(qū)A位置形貌。從橫截面可以看出，Cr層完全脫落，內(nèi)表面覆蓋一層白色物質(zhì)，通常稱為化學(xué)影響區(qū)或影響層，也可稱為白層[2,8]，厚度40～70 μm. 白層中存有許多裂紋，裂紋延伸至基體，有局部地方相鄰裂紋閉合(見圖2(a))。從內(nèi)表面看，表面裂紋呈龜裂紋，局部區(qū)域表面凸凹不平，SEM形貌顯示了網(wǎng)狀龜裂紋內(nèi)有很多球形顆粒，可能是火藥殘留或火藥氣體與內(nèi)表面反應(yīng)的產(chǎn)物(見圖2(b)和圖2(c))。

剝落區(qū)域位于膛線起始位置附近，連續(xù)射擊后，是整個(gè)槍管溫度最高的位置[4]，同時(shí)也是膛壓最高的位置。此位置從內(nèi)表面到基體溫度梯度大，產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力。內(nèi)表面瞬時(shí)溫度超過基體材料的相變點(diǎn)，內(nèi)表面層形成未回火馬氏體，硬度高、塑性差，容易產(chǎn)生裂紋[15]。故此位置容易產(chǎn)生龜裂紋，內(nèi)表面損傷嚴(yán)重。

2.3 過渡區(qū)形貌特征

過渡區(qū)是從剝落區(qū)向磨損區(qū)過渡的區(qū)域。圖3是壽終槍管過渡區(qū)后端B位置形貌。此位置陽(yáng)線內(nèi)徑較小。從橫截面看，內(nèi)表面基體部分區(qū)域附有Cr層，陽(yáng)線上較厚的Cr層厚度約160 μm(見圖3(a))。從內(nèi)表面看，陽(yáng)線摩擦痕跡明顯，陰線則燒蝕痕跡明顯(見圖3(b))。內(nèi)窺圖片顯示陽(yáng)線非導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)保留有部分Cr層，陰線中間Cr層已剝落，兩側(cè)留有部分Cr層(見圖3(c))。此區(qū)域既有明顯的摩擦痕跡(陽(yáng)線)也有明顯的燒蝕痕跡(陰線中部)。相比剝落區(qū)，此區(qū)域的基體燒蝕較弱，陽(yáng)線摩擦痕跡較多。由于使用量規(guī)測(cè)量?jī)?nèi)徑，所以陽(yáng)線未脫落Cr層決定了所測(cè)內(nèi)徑偏小。由此可知，內(nèi)徑并不能真實(shí)反映損傷程度。

圖3 壽終槍管過渡區(qū)B位置形貌Fig.3 Morphology of Position B in transitional zone of gun barrel

圖4 壽終槍管過渡區(qū)C位置形貌Fig.4 Morphology of Position C in transitional zone of gun barrel

圖4為壽終槍管過渡區(qū)前端C位置形貌。此位置內(nèi)徑已增至12.78 mm. 從橫截面看，大部分區(qū)域還保留Cr層，陽(yáng)線Cr層的厚度減薄，小于30 μm，一些區(qū)域陽(yáng)線鍍層已被磨至和陰線齊平(見圖4(a))。Cr層中很多裂紋已貫穿至基體，有些在基體內(nèi)繼續(xù)延伸，有些截止于基體表面。局部Cr層浮起，呈即將脫落狀。從內(nèi)表面看，陰線部有燒蝕沖刷痕跡，陽(yáng)線部位局部Cr層有塊狀剝落(見圖4(b)～圖4(d))。

C位置損傷情況與B位置有所不同，B位置Cr層脫落嚴(yán)重。由于局部Cr層較厚，造成陽(yáng)線內(nèi)徑較小，陽(yáng)線Cr層的損傷方式是以脫落為主；而C位置Cr層脫落減小，陽(yáng)線Cr層的損傷方式以減薄為主。

2.4 磨損區(qū)形貌特征

圖5是壽終槍管磨損區(qū)D位置形貌。從橫截面形貌來看，陰陽(yáng)線上的鉻層都已減薄，陽(yáng)線較厚Cr層厚度約40 μm，陽(yáng)線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的鍍層被磨至和陰線齊平，裸露基體(見圖5(a))。從內(nèi)表面形貌來看：陽(yáng)線Cr層較為致密(彈頭擠壓造成)，陰線則Cr層裂紋密度較大，Cr層較為疏松，且有沖刷痕跡；在導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)附近的鍍層，呈被沖刷狀，鍍層有塊狀剝落(見圖5(b))。應(yīng)當(dāng)說明此區(qū)域Cr層損傷方式是以磨損為主，同時(shí)也發(fā)生了剝落。

圖5 壽終槍管磨損區(qū)D位置形貌Fig.5 Morphology of Position D in wear zone of gun barrel

槍口磨損區(qū)，受彈頭高速運(yùn)動(dòng)磨損與高速火藥氣體沖刷最為嚴(yán)重，而燒蝕較輕。膛線逐漸被磨平，內(nèi)徑尺寸擴(kuò)大，容易漏氣和使彈頭運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)。此區(qū)域是控制槍彈精度的關(guān)鍵部位。

3 不同壽命階段形貌特征

3.1 內(nèi)徑

圖6為不同射彈量時(shí)內(nèi)徑沿軸向的變化。圖6中顯示，過渡區(qū)后端及磨損區(qū)內(nèi)徑隨射彈量的增加而增加。當(dāng)射彈量從7%壽命增至14%壽命時(shí)，內(nèi)徑發(fā)生了突變，槍口內(nèi)徑從12.69 mm增大至12.77 mm. 可見磨損區(qū)內(nèi)徑與射彈量是正相關(guān)的。

圖6 不同射彈量?jī)?nèi)徑Fig.6 Inner diameters for different numbers of rounds

3.2 剝落區(qū)損傷演變

圖7為不同壽命階段剝落區(qū)的內(nèi)窺形貌。圖7中顯示：隨著射彈量的增加，剝落區(qū)剝落損傷逐漸加重。當(dāng)射彈量為2%壽命時(shí)，剝落區(qū)無(wú)明顯剝落，但摩擦痕跡明顯；19%壽命時(shí)，此區(qū)域陰線出現(xiàn)掉Cr現(xiàn)象，而陽(yáng)線呈光亮狀，表明此時(shí)陽(yáng)線還未發(fā)生明顯剝落；27%壽命時(shí)，陰線出現(xiàn)大塊掉Cr，陽(yáng)線局部也出現(xiàn)掉Cr；55%壽命時(shí)，陰線部位Cr層幾乎全部掉落，陽(yáng)線保留有少量Cr層；87%壽命時(shí)，陽(yáng)線Cr層也全部掉落，陰陽(yáng)線已模糊不清，裸露的基體布滿龜裂紋。

從不同壽命階段的形貌特征可知，槍管剝落大致經(jīng)歷Cr層開裂及擴(kuò)展、Cr層剝落與基體金屬剝落，與單永海等[16]所得結(jié)論一致。剝落區(qū)剝落從陰線開始，陰線剝落較為嚴(yán)重，陽(yáng)線燒蝕相對(duì)滯后。

應(yīng)當(dāng)說明，剝落區(qū)Cr層損傷是以剝落為主，同時(shí)也發(fā)生了磨損。

3.3 過渡區(qū)損傷演變

圖7 不同壽命階段的剝落區(qū)形貌Fig.7 Spalling zone morphologies in different phases of lifetime

圖8 不同壽命階段的過渡區(qū)C位置形貌Fig.8 Transverse zone morphologies in Position C in different phases of lifetime

圖8為不同壽命階段過渡區(qū)后端C位置內(nèi)窺形貌。相比剝落區(qū)，此區(qū)域的Cr層損傷較小。射彈量增至63%壽命時(shí)陽(yáng)線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)Cr層發(fā)生脫落現(xiàn)象。陰線的Cr層保持較好，直至100%壽命時(shí)才發(fā)生局部脫Cr現(xiàn)象。與剝落區(qū)不同的是陽(yáng)線Cr層先于陰線Cr層發(fā)生損壞。

3.4 磨損區(qū)損傷演變

圖9為磨損區(qū)槍口位置不同射彈量時(shí)內(nèi)膛的形貌。由圖9可知，當(dāng)少量射彈量(7%壽命)時(shí)，陽(yáng)線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)已發(fā)生明顯磨損。射彈量增至75%壽命時(shí)，陰陽(yáng)線已模糊，難以分辨。這一區(qū)域損傷方式主要是磨損。

4 討論

壽終槍管各區(qū)域的損傷特征匯總在表1中。各區(qū)域的損傷方式、次序、速率和程度不同是由于各區(qū)域工況條件的不同造成的。

剝落區(qū)內(nèi)表面損傷有兩個(gè)特點(diǎn)：1)槍管損傷速度較快，少量的射彈量(19%壽命)可導(dǎo)致此區(qū)域嚴(yán)重?fù)p傷。喬自平等[1]也發(fā)現(xiàn)大口徑機(jī)槍在1 200發(fā)時(shí)就發(fā)生了Cr層嚴(yán)重脫落。在連續(xù)射擊時(shí)這里的鍍Cr層首先發(fā)生開裂和脫落，暴露在火藥氣流下的基體金屬隨之出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)g。2)陰線先于陽(yáng)線發(fā)生損傷。其原因是二者的載荷條件和Cr層剝落方式不同。彈頭擠進(jìn)時(shí)，陽(yáng)線受到的擠壓力較陰線大，陽(yáng)線Cr層受到擠壓后，變得致密，裂紋不易擴(kuò)展，從而保護(hù)了基體，也同時(shí)在一定程度上保護(hù)了Cr層。陰線受到較小擠壓力，Cr層的致密性稍差，容易遭到高溫火焰腐蝕。這個(gè)現(xiàn)象也從另一方面說明，火藥氣體穿過Cr層貫穿裂紋燒蝕基體的機(jī)制。陰線先于陽(yáng)線發(fā)生損傷這一現(xiàn)象與Duke等[17]和張坤等[13]觀察到的結(jié)果恰恰相反，他們觀察到陽(yáng)線首先發(fā)生損傷，他們認(rèn)為基體和Cr層強(qiáng)度不足，造成陽(yáng)線塌陷。而在本文研究的基體有較高的高溫強(qiáng)度(700 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度約400 MPa)，在熱、機(jī)械及化學(xué)三者作用下，能抵抗陽(yáng)線塌陷。

圖9 不同壽命階段的磨損區(qū)形貌Fig.9 Wear zone morphologies in different phases of lifetime

表1 各區(qū)域損傷特征

槍管磨損區(qū)內(nèi)徑對(duì)射擊精度有重要影響，槍口內(nèi)徑與射彈量呈正相關(guān)(見圖7)。磨損區(qū)尺寸內(nèi)徑增加迅速，射彈量從7%壽命增至14%壽命時(shí)，槍口部?jī)?nèi)徑從12.69 mm升至12.75 mm，內(nèi)徑呈現(xiàn)突增現(xiàn)象。磨損區(qū)是槍彈加速的最后階段，是槍彈線速度和角速度最高的區(qū)域，由此區(qū)域的內(nèi)表面摩擦形貌可知，彈頭與內(nèi)膛表面產(chǎn)生了劇烈摩擦。

5 結(jié)論

1)從槍尾至槍口Cr層主要損傷方式由剝落向磨損轉(zhuǎn)變。根據(jù)這個(gè)特征，壽終槍管沿軸向位置可分為剝落區(qū)、過渡區(qū)和磨損區(qū)。

2)剝落區(qū)陰線先于陽(yáng)線發(fā)生損傷。19%壽命時(shí)，陰線出現(xiàn)掉Cr現(xiàn)象；27%壽命時(shí)，陰線出現(xiàn)大塊Cr層掉落；55%壽命時(shí)，Cr層完全剝落；87%壽命后，基體布滿龜裂紋。剝落區(qū)損傷特點(diǎn)是損傷速度較快，高膛壓、高溫度、高火藥濃度條件造成損傷速度加快。

3)過渡區(qū)損傷速率減緩。后端和前端分別以陰線燒蝕和陽(yáng)線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)Cr層脫落方式首先發(fā)生損傷。射彈量為63%壽命時(shí)，前端陽(yáng)線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)Cr層發(fā)生脫落；壽終時(shí)，后端陰線Cr層幾乎全部掉落，前端陽(yáng)線Cr層局部掉落、厚度減薄。膛壓、溫度、火藥濃度較燒蝕區(qū)下降和彈頭未達(dá)到出口速度等條件是過渡區(qū)損傷速率低的原因。

4)磨損區(qū)損傷速率高。少量射彈量(7%壽命)時(shí)，陽(yáng)線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)已發(fā)生明顯磨損；射彈量增至75%壽命時(shí)，陰陽(yáng)線已難以分辯，說明導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)遭到磨損；壽終時(shí)，陽(yáng)線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)可觀察到裸露的基體。