朱夢(mèng)然,曹京華,先 赫,劉 瑛,王經(jīng)濤

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210094)

0 引言

火炮以自身膛壓高、射程遠(yuǎn)、威力大的特性,在現(xiàn)代陸軍武器裝備中占有極其重要的地位。隨著科技的進(jìn)步以及提高火炮威力的需要,人們對(duì)膛壓和發(fā)射溫度的需求逐漸升高,同時(shí)火炮身管的燒蝕也將隨之增加。這不僅影響火炮的壽命,同時(shí)也會(huì)對(duì)火炮的射程、精度等性能造成影響。

燒蝕和磨損最早在1886年就被認(rèn)為是影響身管壽命的重要問(wèn)題[1],它們會(huì)導(dǎo)致身管內(nèi)徑增加、藥室增長(zhǎng)、膛線變形和內(nèi)表面破壞[2]等,從而導(dǎo)致炮彈發(fā)射時(shí)氣體逸出,降低了炮彈的速度、射程并增大圓概率偏差。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)身管直徑增加5%時(shí),身管就會(huì)報(bào)廢[3]。而影響身管燒蝕的因素主要有3種:熱因素、化學(xué)因素和機(jī)械因素,這些因素對(duì)于燒蝕的貢獻(xiàn)有所不同,且相互交織、互相影響,其中熱因素是主導(dǎo)因素。因?yàn)闊嵋蛩乇旧頃?huì)導(dǎo)致身管內(nèi)表面低溫物質(zhì)熔化,有嚴(yán)重的燒蝕作用,同時(shí)還會(huì)促進(jìn)化學(xué)因素的作用。

目前火炮使用Cr-Ni-Mo-V系列鋼,該系列鋼在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒峒庸ぬ幚砗罂蓾M足所身管對(duì)力學(xué)性能的需要[4],但是耐燒蝕性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,因此研究身管的燒蝕磨損問(wèn)題是延長(zhǎng)身管壽命的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 燒蝕磨損的產(chǎn)生

膛內(nèi)燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)3 000 K、壓力可達(dá)500 MPa,持續(xù)時(shí)間大約為十幾毫秒[5]。在這種環(huán)境下,射管內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生軟化、表層組織會(huì)發(fā)生相變組織退化,甚至化學(xué)反應(yīng)生成的表層低熔點(diǎn)物質(zhì)會(huì)發(fā)生熔化。身管內(nèi)壁極高的加熱溫度還受到彈帶和炮膛內(nèi)壁摩擦的促進(jìn)作用,并因?yàn)闅鈩?dòng)加熱和不均勻氣流而產(chǎn)生局部化。由于燒蝕過(guò)程十分復(fù)雜,多種因素相互影響,許多學(xué)者對(duì)于影響燒蝕的3種因素中哪種因素作用最大進(jìn)行了研究。射擊時(shí),身管內(nèi)壁最高溫度可達(dá)1 400 K左右[6],在幾毫秒后溫度下降為大約一半。在膛線初始處所受的熱度最高,同時(shí)磨損程度也最高。在內(nèi)表面下不同深度處溫度差別很大,0.5 mm深度處的溫度通常為420 K[7]。極大的溫差導(dǎo)致的溫度梯度不但會(huì)引起很高的熱應(yīng)力,同時(shí)也降低了內(nèi)表面的硬度。根據(jù)發(fā)射時(shí)氣體推動(dòng)炮彈所產(chǎn)生的動(dòng)能、身管表面熱應(yīng)力水平和硬度的不同,平均每發(fā)炮彈造成的內(nèi)壁表層燒蝕/磨損厚度在0.1～100 μm。Ahmad[6]認(rèn)為發(fā)射過(guò)程中,內(nèi)膛表面碳化形成的碳化物導(dǎo)致的共晶熔點(diǎn)比炮鋼基體低,射擊時(shí)產(chǎn)生的高速氣流會(huì)將熔化物沖刷走,造成燒蝕。1975年Montgomery[8]對(duì)炮膛與彈帶間的相互作用進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)即使在靜滴實(shí)驗(yàn)中銅也會(huì)與身管內(nèi)壁材料發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng),但在射擊的環(huán)境下由于反應(yīng)時(shí)間過(guò)短二者并無(wú)反應(yīng),之后通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究燒蝕的產(chǎn)生過(guò)程[9],實(shí)驗(yàn)得出磨損的機(jī)制為熔化-擦除。1984年Montgomery在對(duì)前30年間的研究進(jìn)行了總結(jié)和探討,得出結(jié)論:熱因素是燒蝕過(guò)程中起關(guān)鍵作用的因素[10],在文獻(xiàn)中被認(rèn)為是造成熱燒蝕的原因有以下幾種:在熔化-擦除過(guò)程中,通過(guò)推進(jìn)劑氣流中夾帶的固體顆?；蛘邭饬鞅旧淼臋C(jī)械作用,使身管內(nèi)表面熔化,表面熔體被沖刷掉。

關(guān)于燒蝕磨損導(dǎo)致的身管內(nèi)表面裂紋,研究重點(diǎn)關(guān)注的是裂紋的形成與演變。田桂軍[11]將內(nèi)膛表面的燒蝕磨損過(guò)程分為網(wǎng)裂和龜裂2個(gè)階段,根據(jù)身管內(nèi)徑的變化量預(yù)測(cè)火炮的內(nèi)彈道性能變化量,測(cè)算出1 800發(fā)后坡膛的磨損量約為50 μm[12]。李洪廣[13]總結(jié)了燒蝕磨損一般規(guī)律,在網(wǎng)裂和龜裂2個(gè)階段中,第一階段陽(yáng)線上出現(xiàn)徑向裂紋,之后逐漸閉合形成網(wǎng)狀裂紋。后一階段膛線起始部出現(xiàn)氣流小溪,裂紋加深,最后膛線被磨平,產(chǎn)生貝殼狀龜裂紋[14],嚴(yán)重時(shí)有燒蝕坑和沖刷溝。裂紋分張開型 (Ⅰ)、滑開型 (Ⅱ)和撕開型 (Ⅲ)[15]。當(dāng)身管內(nèi)徑和內(nèi)表面出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷時(shí),會(huì)導(dǎo)致火炮威力降低,身管壽命也就此終結(jié)。

圖1 燒蝕磨損過(guò)程[16]

圖2 3種典型裂紋形態(tài)[17]

2 影響燒蝕磨損的因素

2.1 熱因素

推進(jìn)劑爆燃溫度可以在高達(dá)3 700 K的溫度下產(chǎn)生混合氣體[18],熱在身管中的主要傳播途徑是氣流的邊界層,10%～20%的熱量被身管內(nèi)表面吸收。除了氣體的對(duì)流之外,彈帶對(duì)膛線的擠壓也會(huì)產(chǎn)生大量的熱[19]。推進(jìn)劑從燃燒開始到身管表面的熱傳遞時(shí)間跨度僅有20～30 ms,大量的熱量通常只積累在身管內(nèi)壁表面約1 mm以內(nèi)。氣體的溫度隨著膨脹而降低,因此單純熱因素對(duì)身管的燒蝕在身管的初始部分表現(xiàn)最為嚴(yán)重。

為了確認(rèn)溫度這一單獨(dú)因素對(duì)身管燒蝕的影響,Lawton[7]在原始的壓力-溫度-磨損量關(guān)系曲線的基礎(chǔ)上又加入了暴露時(shí)間這一參數(shù),發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)燒蝕的作用是最為顯著的。不改變推進(jìn)劑成分的情況下,對(duì)于典型的炮鋼,最高膛溫Tmax每增加10%,燒蝕增加250%。如果身管內(nèi)壁溫度高于其相變點(diǎn)～750 ℃,則具有體心立方晶格的馬氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻嫘牧⒎骄Ц竦膴W氏體。Paul[20]對(duì)身管在一個(gè)完整熱循環(huán)期間產(chǎn)生的體積膨脹進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)奧氏體相變過(guò)程會(huì)在750 ℃附近產(chǎn)生體積收縮。加熱停止后由于奧氏體(～25×10-6/℃)的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于馬氏體(～12.5×10-6/℃),從基本無(wú)應(yīng)力的高溫條件下快速收縮產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。在燃燒測(cè)試中身管內(nèi)表面溫度可達(dá)1 127 ℃,表面以下1 mm處最高溫度僅為147 ℃[7]。溫度差異會(huì)產(chǎn)生不同大小的膨脹變形,導(dǎo)致金屬表面產(chǎn)生壓應(yīng)力并導(dǎo)致塑性變形。燃燒結(jié)束之后,身管內(nèi)表面表層溫度會(huì)急劇下降,但內(nèi)部基體會(huì)保持相對(duì)較高溫度,這會(huì)在表面上產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。高低溫和拉壓應(yīng)力不斷往復(fù)循環(huán),最終會(huì)導(dǎo)致身管內(nèi)表面出現(xiàn)微裂紋[21](如圖3)。

圖3 身管內(nèi)壁上的局部損傷(20倍)

圖4 身管熱-化學(xué)-機(jī)械燒蝕作用模型[28]

2.2 化學(xué)因素

身管的化學(xué)影響區(qū)或化學(xué)影響層又被稱為白層[21-23],深度大概為一至數(shù)十微米,通常會(huì)被裂紋所貫穿。目前已有研究表明白層影響了化學(xué)侵蝕,白層經(jīng)過(guò)加熱會(huì)導(dǎo)致相變、熔化、裂紋的產(chǎn)生,白層通常由明顯的外白層和內(nèi)白層組成,外白層含有表面化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物,包括碳化物、氧化物、氮化物、馬氏體和殘余奧氏體。內(nèi)白層主要是碳和氮滲入、分布在殘余奧氏體和馬氏體中。最常提到的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程包括滲碳、氧化、滲氫,及由此導(dǎo)致的脆化和開裂。

推進(jìn)劑燃?xì)怏w有CO、CO2、H2、H2O和N2等5種主要成分和OH、H、O2、O、N、NO等6種還原成分組成[24],知道這些氣體每種的侵蝕作用就可以通過(guò)改變推進(jìn)劑組成來(lái)降低侵蝕。一些研究人員通過(guò)大量的實(shí)彈射擊結(jié)果分析不同氣體和侵蝕程度的相關(guān)性,同時(shí)還有一部分研究人員通過(guò)研究理論上的化學(xué)反應(yīng)去推斷侵蝕產(chǎn)生的進(jìn)程。

通過(guò)對(duì)模擬發(fā)射試驗(yàn)的分析,發(fā)現(xiàn)了侵蝕和氣體種類間的關(guān)系。每輪發(fā)射的直徑燒蝕量可以通過(guò)以下公式計(jì)算[7]：

ω=Aexp(bTmax)

(1)

式(1)中:Tmax為燃燒期間達(dá)到的最高膛溫,b為身管內(nèi)表面硬度相關(guān)的常數(shù),A取決于推進(jìn)劑氣體的成分。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的多元線性回歸得到A的計(jì)算式為(以米為單位):

A=exp(0.23fCO2+0.27fCO+0.28fH2O+0.74fH2+

0.16fN2+1.55fR-31.36)

(2)

Lawton[27]提出了2個(gè)氣體和侵蝕程度相關(guān)性的半經(jīng)驗(yàn)公式,并畫出身管內(nèi)壁化學(xué)反應(yīng)示意圖(如圖3)。但是Lawton的2個(gè)公式并不能解釋為什么侵蝕程度依賴于推進(jìn)劑氣體成分。Kimura[21]接著在分析相關(guān)關(guān)系時(shí)假設(shè)是由于從氣體到身管內(nèi)表面的傳熱不同來(lái)影響對(duì)身管的侵蝕。他將氣體組成的熱影響和化學(xué)影響分開,總結(jié)出來(lái)不同成分對(duì)于侵蝕程度的貢獻(xiàn)為:

CO2>CO>H2>H2O>0>N2

因此研究人員發(fā)現(xiàn)氮?dú)庠诨瘜W(xué)上具有保護(hù)作用,Kimura隨后利用這一結(jié)果開發(fā)了低侵蝕性、高氮含量、不易侵蝕的推進(jìn)劑。

推進(jìn)劑產(chǎn)生的侵蝕是由2個(gè)不同的過(guò)程引起的。首先在高溫條件下氣體與身管內(nèi)壁表面產(chǎn)生易反應(yīng)的、熔點(diǎn)較低的化合物會(huì)很快被熱和機(jī)械過(guò)程去除。之后少量氣體會(huì)在熱梯度的驅(qū)動(dòng)下沿徑向迅速擴(kuò)散,從身管內(nèi)壁表面擴(kuò)散到身管基體材料中,在身管金屬的晶格中形成間隙原子,從而改變鋼的晶體結(jié)構(gòu),影響了身管的物理性能和熔點(diǎn)。這一系列因素使得身管材料的強(qiáng)度降低,脆性增加,更容易受到侵蝕。

大多數(shù)研究人員認(rèn)為大部分的化學(xué)侵蝕是由氧化和滲碳導(dǎo)致的,但是也有部分研究人員認(rèn)為氫是主要的侵蝕氣體成分。根據(jù)Lawton[7]的相關(guān)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,雙原子氫是最具侵蝕性的氣體。Kimura對(duì)此作出的解釋是:由于氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)比氮?dú)飧?倍,因此氫氣會(huì)傳導(dǎo)更多的熱量。一些科研人員認(rèn)為侵蝕是因?yàn)闅湓訑U(kuò)散到身管中與碳發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致脫碳。由于滲碳增加脆性和開裂促進(jìn)了侵蝕,脫碳又導(dǎo)致身管內(nèi)壁表面過(guò)度軟化導(dǎo)致更容易被侵蝕。

2.3 機(jī)械因素

高壓下反應(yīng)氣體的速度高達(dá)800～1 400 m/s[26],這些氣體會(huì)與固液混合的反應(yīng)產(chǎn)物以及未完全燃燒的顆粒結(jié)合,對(duì)身管內(nèi)表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的作用,導(dǎo)致內(nèi)表面軟化甚至熔化。長(zhǎng)此以往會(huì)使表面金屬開始產(chǎn)生裂紋、碎裂,產(chǎn)生的顆粒會(huì)被氣體裹挾去除[29]。當(dāng)彈帶逐漸擠入膛線坡膛處時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)百兆帕的壓應(yīng)力[24,30],旋轉(zhuǎn)的彈丸在陽(yáng)線的頂部以及導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)也會(huì)產(chǎn)生100～200 MPa的壓力,從而產(chǎn)生大量的機(jī)械磨損,將陽(yáng)線磨為圓形、三角形甚至扁平形[31]。

化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的白層極易被機(jī)械侵蝕破壞,而帶有鍍層的身管容易受到在鍍層下松散堆積的氧化物的影響,引起體積膨脹,使表面涂層鼓脹,在發(fā)射過(guò)程中受到彈帶作用被刮除。在發(fā)射過(guò)程中,推進(jìn)劑氣體通過(guò)彈帶與膛線間的空隙時(shí)會(huì)產(chǎn)生噴射,增加了氣流的侵蝕程度。這種現(xiàn)象被叫做彈帶與膛線之間的氣流沖蝕,裂紋的方向也被認(rèn)為是氣流沖蝕存在的重要證據(jù)。

機(jī)械因素作為其他2種因素的剝落手段,在身管內(nèi)壁表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或熔化后進(jìn)行沖刷,增加了內(nèi)徑,對(duì)火炮威力和精度造成影響。

3 燒蝕與磨損的保護(hù)措施

3.1 鍍層

由于熱推進(jìn)劑氣體中有許多具有腐蝕性的成分,為了減少氣體腐蝕以及隔絕熱量,可用鉻、鉭或者其他材料在身管內(nèi)表面鍍上鍍層。Spok[32]繪制了不同鍍層發(fā)生氧化反應(yīng)的曲線,發(fā)現(xiàn)鉻和鉭鍍層氧化難度大且氧化物熔點(diǎn)高,使基體不容易產(chǎn)生易熔化的氧化物導(dǎo)致磨損。Cote[33]對(duì)鉻鍍層的破壞機(jī)制進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)使用較高燃燒溫度的推進(jìn)劑時(shí),沿鉻和基體間界面的腐蝕會(huì)大大破壞鉻鍍層,因此很少的外力就可以使鉻層脫落。燃燒溫度更低的推進(jìn)劑則不容易形成大的鍍層燒蝕區(qū)域,機(jī)械磨損導(dǎo)致的鉻疲勞斷裂是導(dǎo)致鉻層脫落的主要因素。Underwood[34]對(duì)3種鍍層材料在極端燃燒環(huán)境下的熱機(jī)械磨損進(jìn)行了觀察,并且建立了熱損傷模型,發(fā)現(xiàn)在炮彈發(fā)射過(guò)后Ta涂層和SiAlON陶瓷涂層的熱裂紋與Cr涂層相似:垂直于身管內(nèi)壁恒定深度的裂紋,以及平行于身管內(nèi)壁表面的開裂,導(dǎo)致表面鍍層的剝落。這幾種不同鍍層的區(qū)別在于,SiAlON陶瓷鍍層的裂紋一開始垂直于表面,后很快轉(zhuǎn)向并平行于表面方向,破壞了更多的鍍層材料。Cr和Ta則僅觀察到獨(dú)立的垂直裂紋以及平行裂紋,這兩樣裂紋結(jié)合起來(lái)僅僅破壞了少部分表面。由于SiAlON陶瓷具有低導(dǎo)熱性,進(jìn)行有限元計(jì)算后得到的身管表面溫度最高約為1 900 K。而Cr和Ta涂層最高溫度分別為1 250 K和1 400 K,這是因?yàn)門a的熱容量低于前者,因此溫度更高。

原始的裂紋失效準(zhǔn)則適用于Cr和Ta涂層,涂層的預(yù)測(cè)熱膨脹應(yīng)力與其高溫強(qiáng)度的比值在5～10,因此冷卻后產(chǎn)生的壓縮屈服和拉伸殘余應(yīng)力可能是涂層中垂直裂紋形成的機(jī)制。對(duì)于SiAlON陶瓷涂層來(lái)說(shuō)這一比值僅為0.6,說(shuō)明陶瓷的適用破壞機(jī)制與其他二者不同。在裂紋產(chǎn)生之后會(huì)導(dǎo)致表面鍍層的分離,這一剝落機(jī)制Cr和Ta相同:被裂紋包圍的基體附近的預(yù)測(cè)剪切應(yīng)力與其高溫抗剪切強(qiáng)度之比在1.6～1.8,也就是鍍層會(huì)發(fā)生燒蝕和剝落現(xiàn)象。對(duì)于SiAlON陶瓷來(lái)說(shuō)這一比例為0.6,表明陶瓷鍍層的失效機(jī)制與金屬鍍層不同。

鍍層對(duì)身管內(nèi)壁有很好的保護(hù)作用,雖然制造費(fèi)用高,但是壽命的提高彌補(bǔ)了這部分的成本。目前最大的問(wèn)題是如何提高基體與鍍層的結(jié)合效果,使其不易剝落。

3.2 緩蝕劑

控制燒蝕的關(guān)鍵因素是傳熱率,如果推進(jìn)劑的火焰溫度較低,則傳熱率和燒蝕速度會(huì)減慢。然而火焰溫度低的推進(jìn)劑提供的動(dòng)力不足,彈丸的初速度低[35]。于是研究人員在推進(jìn)劑中添加緩蝕劑,即將導(dǎo)熱系數(shù)低的無(wú)機(jī)材料混合到有機(jī)相變材料或聚合物中,制成片狀或粉末狀復(fù)合材料后裝入推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)中[36]。早在20世紀(jì)50年代中期,加拿大就發(fā)明了聚氨酯泡沫襯套,將它用于105 mm M68坦克炮的脫殼穿甲彈中,身管壽命由100發(fā)提高到400發(fā)[37]。20世紀(jì)60年代,瑞典發(fā)明了一種TiO2-石蠟型人造纖維素內(nèi)襯,發(fā)現(xiàn)它比聚氨酯泡沫襯套有更好的降燒蝕效果。這種緩蝕劑得到迅速推廣,成為應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)緩蝕劑。 20世紀(jì)70年代初,Picard等研究了滑石粉-石蠟的降燒蝕性能,發(fā)現(xiàn)它的降燒蝕效果比TiO2-石蠟優(yōu)越,但容易形成殘?jiān)黐13]。為了抑制殘?jiān)漠a(chǎn)生,我國(guó)研究人員研究出稀土緩蝕劑,使鍍鉻身管使用壽命提升了40%[38]。

Sopok[39]對(duì)榴彈炮和坦克炮進(jìn)行了數(shù)值模擬,表明了添加劑對(duì)身管的保護(hù)性。藥室內(nèi)部分區(qū)域的絕熱燃燒使雙原子氫分解為單原子氫,從而降低了雙原子氫的侵蝕。在常用緩蝕劑的基礎(chǔ)上,新型緩蝕劑的配方也在不斷的研究中。劉波等[40]通過(guò)密閉爆發(fā)器試驗(yàn)和5.8 mm內(nèi)彈道實(shí)驗(yàn),對(duì)比測(cè)試了新型有機(jī)硅緩蝕劑801#緩蝕劑的靜態(tài)燃燒性能和內(nèi)彈道性能,采用了燒蝕管實(shí)驗(yàn)以及氧彈法對(duì)比測(cè)試了燒蝕性和燃燒完全性。試驗(yàn)結(jié)果表明加入5%新型有機(jī)硅緩蝕劑與采用相同量801#緩蝕劑相比,前者燒蝕量降低了13.8%具有明顯的降燒蝕效果。

由于推進(jìn)劑的燃燒溫度與能量是相對(duì)應(yīng)的,因此很難做到在降低溫度減少燒蝕的同時(shí)不影響其性能,因此并未得到廣泛應(yīng)用。

3.3 彈帶的材質(zhì)

改進(jìn)彈帶材質(zhì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)燒蝕也有明顯的改善作用。在身管中,彈帶主要起到以下作用:(a)增加膛線與彈丸間的壓力;(b)阻止彈丸與身管內(nèi)壁間的氣體逸出:(c)當(dāng)炮身升高時(shí),將彈丸保持在裝彈的位置;(d)控制發(fā)射時(shí)對(duì)炮彈的沖擊力。在表面之間產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力時(shí)彈帶和管壁會(huì)在(b)(c)階段直接參與,以及在(d)階段參與部分時(shí)間。彈丸的外徑通常被設(shè)計(jì)為小于身管膛線內(nèi)陽(yáng)線直徑,在發(fā)射之前彈丸進(jìn)入坡膛部分,彈帶與坡膛接觸擠壓,使炮彈固定在正確的位置。一旦推進(jìn)劑被點(diǎn)燃,生成的氣體產(chǎn)生足夠的壓力來(lái)克服最初的阻力從而使彈丸發(fā)射。因此彈帶的徑向尺寸會(huì)在經(jīng)過(guò)坡膛時(shí)逐漸減小直到完全進(jìn)入膛線部分,這一過(guò)程被稱為內(nèi)彈道中彈帶的嵌入過(guò)程。

在某些彈丸上會(huì)有密封帶,通常由尼龍或塑料制成位于彈帶后方,防止氣體從彈丸周圍逸出。在身管內(nèi)有2種相反的力作用于炮彈,一是由高壓推進(jìn)氣體推動(dòng)彈丸底部而產(chǎn)生的推動(dòng)力,二是彈丸與炮膛之間的摩擦力。

Montgomery[41]研究了彈帶表面的熔化過(guò)程,認(rèn)為彈帶沿身管滑行的過(guò)程應(yīng)該引入流體動(dòng)力潤(rùn)滑的過(guò)程,摩擦因數(shù)應(yīng)該由薄膜特性決定而不是滑動(dòng)表面本身的特性決定,并且認(rèn)為彈帶的磨損僅僅取決于發(fā)射過(guò)程中傳遞給彈帶的熱量。Wu[42]研究了嵌入過(guò)程中彈帶與炮身之間的摩擦磨損,在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)沖擊加載條件下,對(duì)銅、鋁青銅合金和尼龍彈帶進(jìn)行了嵌入實(shí)驗(yàn),得出以下結(jié)論:① 彈帶在嵌入過(guò)程中會(huì)發(fā)生摩擦和變形,這說(shuō)明彈帶與身管之間有相互作用。彈帶結(jié)構(gòu)(彈帶直徑和寬度)和炮孔結(jié)構(gòu)(陽(yáng)線、陰線、坡膛)都對(duì)嵌入過(guò)程有影響。② 銅、鋁青銅合金彈帶產(chǎn)生的壓力比尼龍彈帶高出幾個(gè)數(shù)量級(jí),說(shuō)明為了匹配現(xiàn)代大口徑的炮膛,彈帶材料需要經(jīng)過(guò)精心選擇。③ 銅彈帶在嵌入過(guò)程中經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)沖擊加載后的變形行為與彈帶在實(shí)際燃燒條件下的變形行為非常相似,說(shuō)明應(yīng)變速率和溫度對(duì)于嵌入過(guò)程有重要的影響。

4 結(jié)論

身管的燒蝕磨損問(wèn)題與身管的壽命息息相關(guān),一直是火炮發(fā)展技術(shù)中的難題。目前研究人員對(duì)火炮燒蝕的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究,得出燒蝕理論模型,并從鍍層、彈帶設(shè)計(jì)、火藥配比、內(nèi)膛設(shè)計(jì)等方面增加內(nèi)膛的壽命周期,大大提高了身管服役壽命,同時(shí)通過(guò)內(nèi)徑變化來(lái)大致預(yù)測(cè)身管壽命周期,并且提出裂紋的發(fā)展階段。但是目前的研究還無(wú)法得出能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)身管壽命的方法,僅通過(guò)檢驗(yàn)內(nèi)膛坡膛處內(nèi)徑的變化量得到的結(jié)果較為粗略,因?yàn)閮?nèi)膛的燒蝕除了導(dǎo)致內(nèi)徑增大,還會(huì)使內(nèi)徑表面形成坑洼不平的溝槽,這也會(huì)對(duì)炮彈的威力和精度產(chǎn)生影響。目前研究有關(guān)身管內(nèi)裂紋的形貌描述較少,大多從裂紋深度和寬度2個(gè)方向進(jìn)行研究,并沒(méi)有對(duì)裂紋表面的形貌和分布進(jìn)行觀察,僅僅簡(jiǎn)略的分為起始階段、擴(kuò)展階段和網(wǎng)裂階段,從這些階段也無(wú)法得出與之對(duì)應(yīng)的身管壽命。

對(duì)將來(lái)身管研究提出以下幾點(diǎn)建議:

1) 在研究?jī)?nèi)徑變化和裂紋徑向特征的同時(shí)也要同時(shí)關(guān)注內(nèi)表面形貌的變化;

2) 壽命預(yù)測(cè)模型應(yīng)同時(shí)考慮更多因素并將它們結(jié)合,同時(shí)這些模型應(yīng)當(dāng)考慮到相變以及組織演變對(duì)身管的影響以及內(nèi)表面粗糙度對(duì)彈丸的影響;

3) 應(yīng)在進(jìn)行數(shù)值模擬的同時(shí)進(jìn)行對(duì)照的模擬實(shí)驗(yàn),并判斷未考慮到的因素。