镀铬衬管钢烧蚀的失效分析

田青超31　樊新民2　张　越3　吴建生1

(1—上海交通大学材料科学与工程学院　上海200030)

(南京理工大学　2—材料科学与工程系　3—机械学院　江苏南京210094)

摘　要　研究了某镀铬优质衬管钢射击后的烧蚀情况，作了电镀和金相观察；计算了火药燃气的温度，并根据实弹射击过程，模拟了枪管所承受的温度变化历程。温度的计算结果能很好地解释试验结果，表明根据枪管材料是否发生相变来验证温度计算是正确的。最后，分析了枪管失效破坏的原因。

主题词　枪管　烧蚀　失效分析

1　引　言

枪管的烧蚀是一个传统的话题。射击时，枪管要承受火药气体的高压、高温及冲刷作用，同时还承受弹丸的挤压及其冲击，工作环境极其恶劣。一般枪管烧蚀沿径向从内到外可分为烧蚀层、热影响区和未变化层。烧蚀层是由发射药气体和内层金属反应的生成物[1]，又称“白层”。

降低枪管烧蚀主要有两个途径：一是降低火药气体对膛壁的热输送率，二是提高枪管内膛的热阻。前者，可以使用冷火药或火药添加剂如聚氨脂泡沫，这是由于燃气的一部分随弹丸沿膛壁运动时，缓蚀添加剂的加入，为边界层提供了较冷的气体而减轻燃气对膛壁的加热[2]，以及形成润滑涂层，减少了弹丸和膛壁间的摩擦力而减轻烧蚀。而后者，需要能抗烧蚀的材料，即应有高的熔点(>1500℃)、高温硬度和高温强度，不与燃气发生化学反应，热传导率应尽量低且不发生相变，要有些延性，镀层的弹性模量与膨胀系数应与钢基体相适应。

根据弹性模量的差异，耐烧蚀材料又可分为两类，一类是弹性模量低于钢的材料如钽和铌，这类材料能有效地把应力传递给枪管，相对易延展，因此成为优良的被选材料。另一类是弹性模量高于钢的如铬、钼和钨。这类材料能承受比枪管钢更高的应力，但不能有效地把应力传递给枪管，容易开裂。枪管一般都是镀铬的。因此，枪管实际为铬镀层与钢基体的双金属结构，高温下二者在物理、化学、力学性能上均存在显著差异，基体钢对铬层的支撑能力减弱。当枪管镀层在载荷作用下，所产生的最大张应力接近其屈服极限时，铬层很易开裂。裂纹使得枪管工作条件更为苛刻，再加上由于膨胀系数不同，相变应力、热疲劳等因素共同作用而快速烧蚀。对于不镀铬枪管，由于没有铬层保护，烧蚀更为严重。热作用贯穿着烧蚀的全过程，是导致烧蚀的最主要因素。因此，对枪管温度的预测十分重要，而枪管温度的变化是怎样影响材料烧蚀性能，这方面的研究尚未见报道。本工作分析枪管镀层失效的原因。枪管材料对枪管的使用寿命具有决定性的影响，所以选择优质的枪管钢。某优质B钢的主要成分(X，%)：0.04C、5.0Cr、1.0Mo、1.0V、1.0Si，其大致相变点Ac1：875℃；Ac3：935℃。所研究的某机枪枪管各层结构见表1。

2　衬管烧蚀观察及分析

实弹射击(600发ömin，13发/组，300发点射，间隔2.5s)后，对衬管进行烧蚀分析，用扫描电镜和光学显微镜观察烧蚀后的组织形貌。

由于循环射击的作用，枪膛表面承受的热脉冲使阳线产生热龟裂，并有小块铬层脱落(见图1)。由于弹丸和火药燃气的冲刷作用，裂纹易于沿枪膛的轴线方向扩展。对铬层脱落坑尖端的球状颗粒(图2A颗粒)作电子探针成分分析，可见它除了含有基体钢中存在的铁、铬、硅、钒外，还有硫等(见表2)，说明基体钢和火药燃气发生了反应。显然镀铬层脱落后，高温、高压的火药气体直接将内膛表面的极薄层加热到高温甚至熔化，并与之反应生成低熔点化合物，冷却时因表面张力的收缩作用而凝固成球状颗粒，在继续射击过程中这种低熔点的化合物被吹蚀、刮削。

                       图1　阳线龟裂                                 图2　球状颗粒

把衬管试样抛光，用4%硝酸酒精轻微腐蚀后，可以发现衬管没有发生相变，但发现裂纹已经在镀铬层中扩展而贯通(图3a)，并发现裂纹向铬层纵向扩展(图3b)。但镀铬径向贯通裂纹没有沿两者的界面扩展，说明镀铬层和衬管钢结合力尚可。观察过程中，没有发现“白层”和“热影响区”等明显烧蚀特征，材料也没有发生相变，说明所选用的衬管钢是一种优良的耐烧蚀材料。但射击过程中镀层却因裂纹扩展导致铬层脱落破坏，镀铬层质量还有待改进。

　　　　　    (a)　　　　200×　　　　　                            (b)　　　　300×

图3　裂纹在铬层的扩展

3　温度场的数值分析

3.1　火药燃气的温度

火药燃气的温度可由下式给出：

式中　f—火药力；X—装药量；W—火药相对已燃体积；H=k-1，k为比热容比，即定压比热和定容比热之商；对于一般火药，约为1.2～1.33；P、V—分别为火药气体压力和弹丸速度，由内弹道方程解得。

计算结果图4表明，火药燃气的温度可高达2600～1400℃，若镀铬层脱落，燃气直接和基体表面极薄层金属发生作用，甚至可以使其熔化。

图4　火药燃气的温度

3.2　枪管传热分析

把枪管壁内热传导问题简化为一维瞬态不稳定导热问题，利用有限差分法对枪管的温度场变化历程进行模拟求解[7]。选取合适的半径步长(见表1)和时间步长(见表3)，根据实弹射击过程用FORTRAN语言编制程序进行计算。计算点即所研究的衬管区，计算结果见图5、图6。可见，第1组点射枪管内表面承受的热脉冲变化幅度达400℃以上，镀铬层和衬层界面处的温度脉冲也达200℃；以后逐步变小，但内膛表面最后幅度也将近200℃，界面处也仍有100℃。镀铬层有效地削减了热脉冲的峰值及其幅度，在铬层和基体的界面上，每组点射的热脉冲幅度均被削减一半。

图5　内膛表面温度的变化历程

图6　镀铬层和衬层界面处温度的变化历程

当物体的各部分因温度变化而发生膨胀或收缩时，若物体某一部分不能自由胀缩，则各部分之间因相互制约而产生热应力。在均质物体中，如果温度变化不均匀，物体内也会产生热应力。当热应力超过材料的弹性极限时将发生局部塑性变形，经过一定的循环次数后，即产生疲劳裂纹。

温度场上计算表明，枪管镀铬层内膛表面与其和衬管钢的接触界面均存在很大的温差，由于火药气体作用于膛内的时间很短，膛壁的温度变化具有瞬态脉冲的特性。急剧的加热使内膛壁产生剧烈的温度变化，相应产生很大的非定常热应力，很容易使内膛材料疲劳破坏。这是产生热龟裂的根本原因。射击结束后温度的径向分布的计算表明，在铬层不发生破坏的前提下，单发射击时，膛壁表面温度可升至400℃，连续射击温度峰值则可达1000℃，镀铬层和基体钢接触界面温升也可达850℃左右。但是由于衬管钢的相变点很高(875℃)，因此尚未发生相变，计算结果和试验观察相一致。由于射击时温度的变化很快，并且很难测量，根据枪管材料是否发生相变来验证温度计算是可行的，显然是有一定的实际意义。

4　枪管烧蚀失效分析

枪管的失效在于镀铬层的破坏，源于镀层裂纹的形成和扩展。

4.1　裂纹的来源

(1)镀层固有微裂纹　电镀铬时开始沉积出的铬是六方点阵的晶体，随着晶粒的长大，它们转变为稳定的立方点阵[8]。在晶型转变过程中镀层体积缩小，于是有内应力产生。此外镀层在电沉积过程中带入的夹杂将通过扩散进行重新分布，也会产生内应力。这些内应力都是拉应力，当其值大于铬本身的抗拉强度时，铬镀层将产生微裂纹。

(2)疲劳裂纹　主要包括冷热疲劳裂纹和应力疲劳裂纹。

冷热疲劳裂纹。　在连续的热冲击下，铬层的膨胀和收缩被基体金属所制约，虽然基体金属后来也受热膨胀，由于线膨胀系数的差异仍然相互制约。因而铬层有皱裂的倾向，在反复的热疲劳下铬层损伤而产生热龟裂。

应力疲劳裂纹。多次在火药燃气高温高压的载荷下，以及高速弹丸的多次机械冲击使裂纹沿铬层晶界产生。另外，高温下的材料软化，应力超过材料的强度极限，高压气流使之发生塑性流动，也可以产生微裂纹[9]。

(3)相变裂纹　在本工作中，由于材料没有发生相变而不存在。

(4)其它原因引起的裂纹　如燃气透过铬层的裂纹与基体接触时发生化学反应生成低熔点的渗碳体或硬脆的氧化亚铁，它们附着于裂纹尖端，将造成高温应力腐蚀疲劳。

4.2　裂纹的扩展

上述的热应力、火药气体的高压以及冲刷、弹丸的冲击等不仅使裂纹产生，而且也促进裂纹扩展。裂纹切向扩展时由于受到切向压应力的制约而易于终止；而轴向扩展时却受到火药气体冲刷力和弹丸冲击力的推动使用更易于扩展，所以典型的脱铬层形貌是沿轴向的长方形剥落。

5　结　论

(1)射击时镀铬层径向存在的温差导致材料热疲劳是产生热龟裂的根本原因，裂纹的形成及扩展使镀层剥落而失效。

(2)射击后衬管钢没有发生相变，裂纹没有沿镀层和基体的界面普遍扩展，说明衬管钢是一种良好的耐烧蚀材料，与铬镀层结合尚可。

(3)温度计算结果与试验观察一致，根据枪管材料是否发生相变来验证温度计算是可行的。