張 金，趙 亮，王 鑫，董子華

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院，合肥 230031）

0 引言

隨著國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，提高武器裝備的制造和檢測(cè)技術(shù)水平顯得十分重要。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，火炮作為重要常規(guī)武器，具有不可替代的地位，因此，高精度火炮的制造及如何提高火炮的修理與保障水平己經(jīng)成為整個(gè)火炮武器研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。而身管是火炮的關(guān)鍵部件，身管內(nèi)膛質(zhì)量也是影響火炮射擊精度、初速、壽命等主要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的重要因素，同時(shí)也關(guān)系到整個(gè)武器系統(tǒng)在使用過(guò)程中的安全可靠性?；鹋诘陌l(fā)射是一種在高溫高壓和高速摩擦的環(huán)境下，身管、火藥燃?xì)夂蛷棊еg發(fā)生的一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)的綜合，如傳熱、擴(kuò)散、相變、腐蝕、疲勞及磨損等，這就引起了身管內(nèi)膛燒蝕的產(chǎn)生。在火炮身管燒蝕破壞過(guò)程中，熱是起主導(dǎo)、控制作用的因素，在熱化學(xué)和機(jī)械等眾多因素綜合作用與交互作用下產(chǎn)生燒蝕破壞［1］?；鹋诎l(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的高溫使火炮內(nèi)膛表面發(fā)生熔化和相變，導(dǎo)致內(nèi)膛表面的機(jī)械強(qiáng)度和硬度降低，進(jìn)而促使銹蝕、裂紋、掛銅、膛線(xiàn)磨損、脫落、斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生。這些損傷達(dá)到一定程度后就會(huì)影響火炮的射擊精度，甚至產(chǎn)生安全事故，因此，必須對(duì)火炮進(jìn)行定期的檢測(cè)與維修。同時(shí)，在火炮的每次使用后也需要對(duì)身管內(nèi)表面質(zhì)量狀況進(jìn)行檢測(cè)，確定該火炮是否需要維修及維修的范圍和等級(jí)，對(duì)火炮身管內(nèi)膛的損傷進(jìn)行機(jī)理分析和損傷分類(lèi)，有利于使用超聲手段對(duì)火炮內(nèi)膛損傷進(jìn)行檢測(cè)。

1 身管內(nèi)膛損傷的一般規(guī)律

1.1 身管內(nèi)膛損傷的3 個(gè)階段

一般根據(jù)身管從開(kāi)始使用到壽命結(jié)束，可將身管損傷分成3 個(gè)階段［1］，如圖1 所示。其中Δd 表示身管內(nèi)膛燒蝕損傷量，Δdmax表示最大損傷量。

圖1 身管內(nèi)膛損傷量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖

1.1.1 磨合階段

新的火炮在投入使用時(shí)，身管內(nèi)壁難免會(huì)存在微小的凹凸不平的情況，因?yàn)楸砻娴牟黄秸?，?huì)在火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生部分區(qū)域應(yīng)力集中效應(yīng)，該處損傷就隨之加快，隨著火炮射彈數(shù)的增加，這些凹凸不平的地方就會(huì)逐漸被磨平，如圖1 所示OA 段。

1.1.2 穩(wěn)定損傷階段

身管內(nèi)膛表面在熱、化學(xué)、應(yīng)力的作用下基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)身管單位時(shí)間的損傷基本保持不變，損傷率也保持恒定，這時(shí)也是檢測(cè)身管壽命的最佳時(shí)期，如圖1 中AB 段所示。

1.1.3 劇烈損傷階段

隨著射彈數(shù)的增加，身管內(nèi)部損傷也會(huì)不斷增加，身管內(nèi)徑增大，彈帶與內(nèi)膛之間縫隙也不斷變大，導(dǎo)致火藥氣體密封不嚴(yán)，彈帶削光等現(xiàn)象，射擊精度明顯降低，最終達(dá)到身管的使用壽命。隨著如圖1 所示點(diǎn)B 后的曲線(xiàn)段，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大損傷量Δdmax時(shí)，壽命終止。

1.2 沿身管長(zhǎng)度上內(nèi)膛損傷的特點(diǎn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察和數(shù)據(jù)檢測(cè)，身管內(nèi)膛的陽(yáng)線(xiàn)沿膛線(xiàn)方向上的損傷規(guī)律［2］，可以用圖2 來(lái)表示，其中用“Ⅰ”表示是身管內(nèi)膛最大損傷段，距離膛線(xiàn)起始處大約1～1.5 倍口徑；用“Ⅱ”表示次要損傷段，損傷量比最大損傷段小一些且沿著膛線(xiàn)方向損傷量不斷減小，一般距離膛線(xiàn)起始處大約10 倍口徑的地方；用“Ⅲ”表示均勻損傷段，這一段損傷量比較小且分布均勻；用“Ⅳ”表示炮口損傷段，損傷量比均勻損傷段稍大一點(diǎn)，距離炮口越近損傷量有些許增加，距離炮口大約1.5～2 倍口徑的地方?；鹋谏砉軆?nèi)膛的損傷隨著火炮不同，彈藥種類(lèi)不同，裝藥量不同會(huì)有所差別，例如高速滑膛炮還存在第二嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)的現(xiàn)象。

圖2 沿身管長(zhǎng)度陽(yáng)線(xiàn)徑向破壞的一般規(guī)律

1.3 身管內(nèi)膛橫斷面上的損傷特點(diǎn)

在同一斷面上，由于陽(yáng)線(xiàn)上受到彈帶擠壓摩擦和火藥氣體沖刷作用，受力比陰線(xiàn)大，所以陽(yáng)線(xiàn)的損傷比陰線(xiàn)大很多，膛線(xiàn)導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)在彈丸的相互作用下，陽(yáng)線(xiàn)斷面被損傷成圓弧形或者三角形，如圖3所示［3］。

圖3 膛線(xiàn)損傷破壞情況

某大口徑加農(nóng)炮射擊100 發(fā)后的陰線(xiàn)和陽(yáng)線(xiàn)損傷量［4］，如表1 所示，可以看到，沿身管軸線(xiàn)陽(yáng)線(xiàn)的損傷都比陰線(xiàn)的損傷稍大一些。

身管內(nèi)膛損傷主要發(fā)生在穩(wěn)定損傷階段，在藥室和膛線(xiàn)初始處，由于火藥氣體的爆燃和高速?zèng)_刷，損傷較嚴(yán)重；其次是炮口處，火炮內(nèi)膛高速氣流帶出的微小金屬片會(huì)劃傷身管內(nèi)膛；最后是身管中段，損傷主要來(lái)自于炮彈的高速旋轉(zhuǎn)和火藥氣體沖刷，且身管內(nèi)膛陽(yáng)線(xiàn)的損傷一般都比陰線(xiàn)損傷要大。

表1 某加農(nóng)炮射擊100 發(fā)后不同位置的陽(yáng)線(xiàn)和陰線(xiàn)的損傷量

2 損傷的5 種形式

火炮在發(fā)射過(guò)程中，在高溫高壓作用下，內(nèi)膛表面會(huì)發(fā)生較多的物理和化學(xué)反應(yīng)，使身管內(nèi)膛表面強(qiáng)度硬度降低，長(zhǎng)期發(fā)射后，身管內(nèi)膛表面會(huì)留下較多損傷。本文從身管內(nèi)膛表面常見(jiàn)的損傷形式入手，分析形成常見(jiàn)損傷的成因，并探究了損傷的常見(jiàn)位置。

2.1 裂紋損傷

身管內(nèi)膛中最常見(jiàn)的損傷就是許多細(xì)小的裂紋，這些裂紋隨著火炮不斷發(fā)射，不斷變多、變密，最后直至影響發(fā)射精度，甚至炸膛，在高倍電鏡下的裂紋如圖4 所示。裂紋損傷是常見(jiàn)的物理反應(yīng)損傷，彈丸擠進(jìn)過(guò)程中身管受到的作用力主要有火藥燃?xì)鈮毫?、坡膛壓力、膛線(xiàn)導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)壓力3 種，在這3種不同作用力的作用下，會(huì)使身管內(nèi)膛表面出現(xiàn)不同種類(lèi)的裂紋。

圖4 膛線(xiàn)損傷破壞情況

2.1.1 火藥燃?xì)鈮毫?/p>

火藥燃?xì)鈮毫κ巧砉芩幨姨幨艿降闹饕饔昧?，主要是火藥燃?xì)獗己螽a(chǎn)生的瞬態(tài)載荷導(dǎo)致，受力圖如圖5 所示。根據(jù)內(nèi)彈道氣動(dòng)力模型連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程分別為［5］

式中，ρ 是氣體和正在燃燒藥粒的混合密度，u 為混合流的流速，p 為彈丸所受壓力。假設(shè)彈后空間的混合氣體密度是均勻分布的，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程

彈后空間火藥燃?xì)馄骄鶋毫?/p>

式中，pd為彈底壓力，S 為彈底面積，m 為彈丸質(zhì)量，ω 為裝藥質(zhì)量，F(xiàn)R為擠進(jìn)阻力，φ1是考慮彈丸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功及摩擦功的系數(shù)。

圖5 火藥燃?xì)獗▋?nèi)膛所受壓力

2.1.2 坡膛阻力

當(dāng)彈丸在火炮內(nèi)裝填到位，彈帶抵住坡膛，彈丸啟動(dòng)后，膛內(nèi)氣體壓力逐漸上升，迫使彈丸沿身管膛線(xiàn)加速運(yùn)動(dòng)，彈帶受坡膛擠壓產(chǎn)生塑性變形并逐漸擠進(jìn)膛線(xiàn)。圖6 是彈帶擠進(jìn)時(shí)所受坡膛阻力示意圖。彈帶與坡膛的接觸表面承受法向接觸力FN，切向產(chǎn)生與相對(duì)滑移方向相反的摩擦阻力Ff，μ 為彈帶和坡膛的摩擦系數(shù)，考慮膛線(xiàn)纏角α 的情況下，所受力在炮膛軸線(xiàn)方向上的合力F 為［5］

圖6 彈帶擠進(jìn)時(shí)所受坡膛阻力

法向接觸力載荷FN是接觸面正應(yīng)力σN與接觸面積s 的乘積

2.1.3 膛線(xiàn)導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)作用力

彈帶擠進(jìn)膛線(xiàn)過(guò)程中，彈丸受彈底壓力推動(dòng)，一方面沿炮膛軸線(xiàn)向前直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，另一方面沿膛線(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，膛線(xiàn)導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)與彈帶之間有相互作用力，包括正壓為和摩擦力，如圖7 所示。計(jì)算分析時(shí)假定擠進(jìn)過(guò)程中每條膛線(xiàn)導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)對(duì)彈帶的作用壓力大小相等。

圖7 彈帶擠進(jìn)時(shí)所受膛線(xiàn)導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)作用力

火炮膛線(xiàn)方程為y=f（x），每條膛線(xiàn)的導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)作用力為FN，μ 為彈帶和膛線(xiàn)導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的摩擦系數(shù)，所以膛線(xiàn)導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)與彈帶刻槽之間的摩擦力為μFN，彈丸作用半徑為r，彈丸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，相對(duì)軸線(xiàn)的角位移為Ω。彈丸的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)方程為［5］

彈丸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程為

角速度為

角加速度為

把角速度和角加速度帶入以上各式，可得彈帶擠進(jìn)時(shí)所受膛線(xiàn)導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)作用力FN為

對(duì)于等齊膛線(xiàn)，膛線(xiàn)導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)作用在彈帶上的正壓力隨彈丸行程的變化規(guī)律與膛內(nèi)火藥燃?xì)鈮毫﹄S彈丸行程的變化規(guī)律是一致的。對(duì)于漸速膛線(xiàn)，膛線(xiàn)導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)作用的正壓力與纏角、彈底壓力和彈丸速度均有關(guān)，在彈帶擠進(jìn)的起始階段緩慢上升，之后緩慢增加，變化規(guī)律比較平坦。

根據(jù)以上的分析，本文把身管內(nèi)不同作用力產(chǎn)生的裂紋分為3 種形式：張開(kāi)型（Ⅰ型）、滑開(kāi)型（Ⅱ型）、撕開(kāi)型（Ⅲ型）［6］。在藥室部分因?yàn)橹饕腔鹚帤怏w迅速燃燒膨脹對(duì)藥室內(nèi)壁產(chǎn)生沖擊，內(nèi)壁受到比較大的沖擊載荷，主要產(chǎn)生的是I 型裂紋；在膛線(xiàn)起始處，因?yàn)樵撎幧砉苁艿交鹚帤怏w的沖擊和彈帶與膛線(xiàn)高速摩擦和剪切作用，所以該處產(chǎn)生的這3種裂紋均較多，其中II 型和III 型裂紋較多；在距離膛線(xiàn)起始較遠(yuǎn)的地方由于彈丸和膛線(xiàn)摩擦產(chǎn)生的剪切力，此處裂紋主要以III 型裂紋為主，如表2所示。

表2 裂紋的3 種形式及成因

隨著射彈數(shù)的增加，裂紋不斷沿著徑向和周向擴(kuò)展，原本微小的裂紋連在一起，形成網(wǎng)狀裂紋，如下頁(yè)圖8（a）所示。隨著射彈數(shù)繼續(xù)增加，原本細(xì)小的網(wǎng)狀裂紋繼續(xù)增多且沿著徑向不斷擴(kuò)展、加深，網(wǎng)狀裂紋變多，如圖8（b）、（c）所示。又由于長(zhǎng)期的火藥氣體沖刷和彈丸的擠壓作用，部分強(qiáng)度變低的火炮內(nèi)膛表層金屬逐漸變脆、脫落并隨著火藥氣體沖出炮膛，使得火藥氣體可以進(jìn)一步對(duì)裂紋下的內(nèi)膛進(jìn)行燒蝕，在陰線(xiàn)底部就形成了縱向燒蝕溝，如圖8（d）、（e）所示［7］。

2.2 鍍鉻層脫落

現(xiàn)代火炮身管通常會(huì)電鍍一層鉻在內(nèi)膛表面，因?yàn)殂t的熔點(diǎn)和硬度都比炮鋼要高，所以鍍鉻可以增加內(nèi)膛的抗燒蝕和抗磨損性能，較大幅度地延長(zhǎng)了火炮身管壽命?，F(xiàn)在電鍍鉻由于工藝水平有限，往往電鍍鉻層上會(huì)出現(xiàn)微小難以被檢測(cè)的裂紋，裂紋隨著射彈數(shù)的增加，向徑向不斷擴(kuò)展，貫穿鉻層，這時(shí)火藥燃?xì)庵苯訉?duì)鉻層下的鋼進(jìn)行直接沖刷，在高溫高壓下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氣相化合物Fe（CO）5，化學(xué)反應(yīng)式如式（12）所示。Fe（CO）5隨著火藥氣體被帶走，鉻層下就會(huì)形成空穴，在彈丸擠進(jìn)的過(guò)程中，使得鉻層的熱裂紋擴(kuò)展，表面鉻層在彈丸擠壓作用下脫落，隨著高速火藥氣體沖出身管，還會(huì)對(duì)身管表面造成二次劃傷，如圖9 所示。

圖8 內(nèi)膛破壞特點(diǎn)

圖9 身管內(nèi)膛鍍鉻層脫落

2.3 內(nèi)膛掛銅

彈丸的彈帶多為銅制材料，在火炮進(jìn)行射擊時(shí)，彈帶在火藥燃燒的作用下切入膛線(xiàn)并沿著膛線(xiàn)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，高溫高壓會(huì)使部分彈帶上的銅熔化，一部分會(huì)隨著火藥氣體沖出身管，一部分會(huì)殘留在身管內(nèi)膛表面，造成身管內(nèi)膛掛銅，是內(nèi)膛常見(jiàn)的物理反應(yīng)損傷。掛銅現(xiàn)象對(duì)火炮的彈道性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，但影響不大。這是因?yàn)殂~微粒與身管內(nèi)膛貼合的并不牢固，在火炮的下一次發(fā)射時(shí)，彈丸和火藥氣體會(huì)將內(nèi)膛的銅微粒帶走一部分。因此，火炮身管內(nèi)膛的的掛銅厚度并不會(huì)無(wú)限地增加，一般達(dá)到0.04 mm 左右就不會(huì)繼續(xù)增加了［8］，如圖10 所示。

圖10 身管內(nèi)部出現(xiàn)掛銅現(xiàn)象

2.4 內(nèi)膛磨損

身管內(nèi)膛磨損主要是物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的共同作用導(dǎo)致的。身管在發(fā)射過(guò)程中受到物理反應(yīng)磨損主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：

1）身管表面剝落的未熔化的結(jié)渣殼和沒(méi)完全燃燒的火藥顆粒會(huì)隨著彈丸高速?zèng)_刷脫落，被氣流攜帶著高速?zèng)_出炮管的過(guò)程中會(huì)劃傷身管內(nèi)膛，加劇了熱燒蝕損傷。

2）彈丸在擠進(jìn)過(guò)程中彈丸獲得極大的加速度，使彈帶和膛線(xiàn)起始處產(chǎn)生極大的摩擦，劇烈放熱，所以對(duì)膛線(xiàn)起始處產(chǎn)生的破壞也就最大。

身管內(nèi)膛表面在高溫高壓作用下，也會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的磨損。當(dāng)高溫高壓的火藥燃?xì)馔瑑?nèi)膛熱影響區(qū)反應(yīng)生成易被碳、氮元素滲入的白體，內(nèi)膛表面白體的厚度只與內(nèi)膛溫度有關(guān)。大口徑加農(nóng)炮發(fā)射時(shí)，由于其裝藥量大，內(nèi)膛溫度較高，F(xiàn)e 被氧化，其白體主要成分為FeO；而在小口徑火炮發(fā)射時(shí)，其裝藥量較少，內(nèi)膛溫度較低，較少的Fe 被氧化，大部分的Fe 與C 在高溫高壓下發(fā)生反應(yīng)白體的主要成分為Fe3C。由于發(fā)生反應(yīng)之后白體的強(qiáng)度大不如前，內(nèi)膛表面會(huì)出現(xiàn)顆?；蜔衢_(kāi)裂現(xiàn)象，會(huì)加劇表面的開(kāi)裂現(xiàn)象，網(wǎng)狀裂紋進(jìn)一步加深變密，使得內(nèi)膛表面更易被剝離，使內(nèi)膛表面磨損加劇。

不僅身管基體在高溫下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，高溫火藥氣體也會(huì)與內(nèi)膛表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?；鹚幫七M(jìn)劑發(fā)射藥尾氣通常都含有CO、O2、H2、H2O、N2、H2S 等成分。其中尾氣中的CO 和H2S 對(duì)身管內(nèi)膛的危害最為嚴(yán)重，它們與炮鋼基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生低熔點(diǎn)化合物FeC3（1 252℃）和FeS（1 188℃），反應(yīng)方程式分別如式（13）、式（14）所示。同時(shí)它們會(huì)與Fe 生成熔點(diǎn)較低的共晶相FeC3-Fe（1 153℃）和FeS-Fe（988℃）［9］。當(dāng)這兩種低熔點(diǎn)物質(zhì)被高溫氣體沖刷時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生局部熔化現(xiàn)象，加劇了熱燒蝕損傷。

2.5 內(nèi)膛燒蝕

身管內(nèi)膛燒蝕指身管基體在高溫高壓作用下產(chǎn)生的一系列物理反應(yīng)，內(nèi)膛燒蝕導(dǎo)致身管壽命大幅度降低，它成為影響火炮身管壽命的主要制約因素。因此，準(zhǔn)確且及時(shí)地檢測(cè)熱燒蝕損傷的裂紋是預(yù)測(cè)身管壽命的重難點(diǎn)［10］。身管內(nèi)膛燒蝕損傷和身管在高溫下熔融如圖11 和圖12 所示，其中B 區(qū)為熱影響區(qū)層。

圖11 內(nèi)膛燒蝕層圖

圖12 身管內(nèi)膛熔融圖

火炮在發(fā)射過(guò)程中，火藥燃?xì)恻c(diǎn)燃后在身管內(nèi)膛里迅速升溫升壓，其中心溫度可達(dá)2 500℃～3 200℃，身管內(nèi)表面0.01 mm～0.2 mm 厚金屬在2 ms 的時(shí)間內(nèi)能達(dá)到1 000℃以上［11］。在這種高溫高壓的影響下，身管熱燒蝕效應(yīng)具體表現(xiàn)為以下3 個(gè)方面：

2.5.1 身管內(nèi)膛的受熱軟化現(xiàn)象

身管內(nèi)膛隨著火炮的不斷發(fā)射會(huì)產(chǎn)生軟化層，軟化層的厚度與發(fā)射條件有關(guān)，對(duì)于射速較低的火炮，內(nèi)膛軟化層隨著火炮發(fā)射次數(shù)而增加，軟化層的出現(xiàn)會(huì)使身管內(nèi)膛對(duì)溫度和壓力的敏感程度上升，導(dǎo)致身管內(nèi)膛在冷卻下來(lái)后會(huì)出現(xiàn)大量網(wǎng)狀裂紋，并且基體中存在殘余應(yīng)力。而對(duì)于射速較高的火炮，由于內(nèi)膛長(zhǎng)期在高溫高壓環(huán)境下工作，內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生較厚的軟化層，導(dǎo)致炮彈在發(fā)射時(shí)的擠進(jìn)壓力減小，進(jìn)而導(dǎo)致炮彈的出口速度降低，影響火炮的精度。在高加熱速率下，火炮內(nèi)膛會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非彈性熱軟化的溫度區(qū)間，這使火炮內(nèi)部的軟化層在溫度降低后不能回到初始位置，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象，加劇了火炮的內(nèi)膛損傷［1，12］。

2.5.2 身管內(nèi)膛表面的相變現(xiàn)象

當(dāng)火炮射擊時(shí)身管內(nèi)膛受熱不均勻，在大口徑加農(nóng)炮內(nèi)膛表面0.2 mm 厚的金屬在2 ms 就可升至1 300℃，然而在膛壁表面0.5 mm 以下只有50℃的溫度升高，這使得內(nèi)壁表面受熱膨脹較多，而離內(nèi)壁稍遠(yuǎn)距離的基體膨脹較小。由于內(nèi)膛溫度較高，同時(shí)火炮膛壁內(nèi)的基體也產(chǎn)生了相變［12］。在膛壁內(nèi)溫度超過(guò)750℃時(shí)，熱影響層會(huì)形成奧氏體。在膛內(nèi)溫度低于750℃時(shí)，奧氏體又轉(zhuǎn)變?yōu)楸３植糠謯W氏體的馬氏體。因?yàn)橥鈱踊w金屬溫度較低不存在相變，所以外層金屬限制了內(nèi)層金屬回到原來(lái)的位置，使內(nèi)壁產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，循環(huán)應(yīng)變后，內(nèi)壁的表層金屬變脆，產(chǎn)生了熱疲勞裂紋，在受熱最嚴(yán)重的膛線(xiàn)起始處會(huì)出現(xiàn)大量的網(wǎng)狀裂紋，隨著火炮發(fā)射量的增多，裂紋也不斷延伸向炮口擴(kuò)展。

2.5.3 身管內(nèi)膛表面熔化現(xiàn)象

發(fā)射單基藥火藥時(shí)，身管內(nèi)膛的表面溫度比鋼的熔點(diǎn)低，所以?xún)?nèi)膛不會(huì)熔化，但部分表層金屬會(huì)變硬變脆，稱(chēng)之為結(jié)渣殼時(shí)期。由于高溫高壓的火藥在炮膛里高速流動(dòng)，這些結(jié)渣殼也逐漸熔化被氣體帶走；發(fā)射雙基藥的火藥時(shí)，此時(shí)身管內(nèi)膛表面的溫度高于鋼的熔點(diǎn)，內(nèi)膛表面會(huì)產(chǎn)生部分熔化隨著高速氣流被帶走。綜上所述，身管內(nèi)膛表面由于高溫高壓相轉(zhuǎn)變成塑性或熔化狀態(tài)，因此，身管的損傷與彈數(shù)成正比［6］。

圖13 給出了不同射彈數(shù)下的130 mm 加農(nóng)炮沿身管長(zhǎng)直徑變化曲線(xiàn)［6］。由圖可得，隨著射彈數(shù)增加，大口徑火炮較早地進(jìn)入嚴(yán)重?fù)p傷段，損傷量增加明顯，主要是因?yàn)榛鹚帤怏w的高溫沖刷產(chǎn)生熱燒蝕，和彈丸旋進(jìn)的機(jī)械因素共同作用的。火炮燒蝕模型如圖14 所示，可以看出反應(yīng)流對(duì)身管內(nèi)膛表面的不同種類(lèi)的燒蝕損傷［16-17］。

圖13 130 mm 加農(nóng)炮沿身管長(zhǎng)直徑變化曲線(xiàn)

圖14 火炮身管內(nèi)膛燒蝕模型

3 結(jié)論

本文針對(duì)身管損傷一般規(guī)律進(jìn)行了分析，并按照損傷的形式分為裂紋損傷、鍍鉻層損傷、身管掛銅、內(nèi)膛磨損和內(nèi)膛燒蝕5 種身管常見(jiàn)損傷，得出了以下結(jié)論：

1）身管內(nèi)膛損傷最嚴(yán)重的部分在藥室和膛線(xiàn)起始處，其次是炮口，最后是身管中段部分。主要是因?yàn)榛鹚帤怏w的迅速燃燒、膨脹，產(chǎn)生高溫高壓，對(duì)身管內(nèi)膛的沖擊，其次是彈丸發(fā)射過(guò)程中彈帶對(duì)膛線(xiàn)的沖擊和摩擦產(chǎn)生了高熱。

2）身管內(nèi)膛不同位置的裂紋形式多樣，成因復(fù)雜，難以劃分種類(lèi)。本文對(duì)藥室、坡膛和膛線(xiàn)起始處的身管基體受力進(jìn)行了分析，將身管內(nèi)膛表面的裂紋劃分為張開(kāi)型裂紋、滑開(kāi)型裂紋和撕開(kāi)型裂紋，張開(kāi)型裂紋易發(fā)生在藥室和膛線(xiàn)起始處，滑開(kāi)型裂紋易發(fā)生在膛線(xiàn)起始處，而撕開(kāi)型裂紋往往發(fā)生在離膛線(xiàn)起始處較遠(yuǎn)的內(nèi)膛表面。

3）身管內(nèi)膛表面由于火炮發(fā)射時(shí)的高溫高壓環(huán)境，身管基體會(huì)與火藥氣體發(fā)生大量物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)。本文對(duì)內(nèi)膛表面常見(jiàn)的內(nèi)膛裂紋、鍍鉻層脫落、內(nèi)膛掛銅、內(nèi)膛磨損和內(nèi)膛燒蝕的成因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)常見(jiàn)的物理反應(yīng)損傷為內(nèi)膛裂紋、內(nèi)膛掛銅和內(nèi)膛燒蝕，常見(jiàn)的化學(xué)反應(yīng)損傷為鍍鉻層脫落，而內(nèi)膛磨損是在物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)耦合作用下產(chǎn)生的損傷。

4）火炮身管內(nèi)膛損傷形式復(fù)雜原因多樣，對(duì)身管內(nèi)膛表面的損傷進(jìn)行分類(lèi)和機(jī)理分析，有利于使用超聲波對(duì)身管損傷進(jìn)行識(shí)別、定位和分析，便于進(jìn)一步壽命預(yù)估，為身管等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供依據(jù)和身管武器類(lèi)裝備維修保障提供技術(shù)支持。