薛鈞， 王光華， 喬自平， 李峻松， 鄭秋， 胡春東

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

0 引言

槍械主要裝備對(duì)象是步兵，并也可以配備于飛機(jī)、艦船、裝甲車輛，同時(shí)也是空降兵、治安、防爆及反恐用的基本武器。槍械槍管壽命偏低制約我國槍械性能的提高。目前我國主要槍械的槍管壽命一般為：手槍3 000發(fā)、步槍10 000發(fā)、大口徑機(jī)槍(12.7 mm及以上口徑)3 000發(fā)。歐州、美國等發(fā)達(dá)國家槍械的槍管壽命一般為：手槍20 000發(fā)、步槍20 000發(fā)、大口徑機(jī)槍6 000發(fā)以上，是我國現(xiàn)有同類武器的2倍以上。

槍管是槍械的重要零件之一，槍管壽命是槍械壽命的決定因素[1]。由于火藥氣體溫度高、壓力大，槍管內(nèi)膛表面可達(dá)800 ℃以上，所受壓力在330 MPa以上[2-7]。同時(shí)，發(fā)射的彈頭高速旋轉(zhuǎn)，槍管內(nèi)膛要反復(fù)承受彈頭被甲的變形擠壓，以及彈頭800 m/s以上的沿膛磨損和2 000 r/s以上的回轉(zhuǎn)約束力。大口徑槍管的工況惡劣，內(nèi)膛表面一般電鍍Cr處理。Cr層厚度超過100 μm，是內(nèi)膛的保護(hù)層，但從壽終槍管內(nèi)膛看到了Cr層的不同損傷狀態(tài)，且膛線結(jié)構(gòu)完全被破壞。槍管損傷非常復(fù)雜，損傷機(jī)制可分為化學(xué)侵蝕、熱蝕和機(jī)械磨蝕，三者之間相互影響[8-13]。內(nèi)膛損傷既隨著射擊條件的變化而變化，其程度又沿著槍管軸向位置的不同而不同?，F(xiàn)代槍械朝著高初速、高膛壓、遠(yuǎn)射程和長冷卻周期的方向發(fā)展，對(duì)槍管的損傷將更加嚴(yán)重，提高槍管壽命技術(shù)一直是國內(nèi)外關(guān)注和研究的重要課題[14-21]。

槍管的密集度、初速度下降率、橢圓彈孔率是衡量槍管壽命的3項(xiàng)指標(biāo)[10]，這些指標(biāo)都是針對(duì)槍管性能提的，未對(duì)槍管損傷程度作出描述，即還未建立槍管內(nèi)膛損傷與壽命指標(biāo)之間的關(guān)系。樊磊等[5]對(duì)14.5 mm口徑槍管的研究表明，槍管壽命取決于最大膛壓處的燒蝕狀況。喬自平等[10]研究認(rèn)為4錐、5錐的損傷是造成槍管產(chǎn)生橢圓彈孔的根本原因。胡春東等[21]認(rèn)為內(nèi)表面塑性變形對(duì)壽命產(chǎn)生重要影響。但這些研究未能明確損傷規(guī)律與橢圓彈孔的關(guān)系。本文通過槍管內(nèi)膛損傷規(guī)律的研究，并對(duì)損傷規(guī)律與橢圓彈孔之間的關(guān)系進(jìn)行分析，為槍管損傷機(jī)理、壽命趨勢和壽命預(yù)測提供支撐。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用槍為某制式12.7 mm口徑高射機(jī)槍，槍管材料牌號(hào)是30SiMn2MoVA. 試驗(yàn)參照國家軍用標(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)過程槍管損傷變化規(guī)律。每一射擊循環(huán)按常溫(室溫)、高溫(45 ℃±2 ℃)、低溫(-40 ℃±2 ℃)3個(gè)階段進(jìn)行。其中：常溫和高溫試驗(yàn)階段射擊60發(fā)后空冷3 min，120發(fā)后空冷3 min、水冷；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15 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Cr層的剝落情況，用口徑量規(guī)測量內(nèi)膛不同軸向位置的陽線直徑。內(nèi)膛陽線直徑測量方法見文獻(xiàn)[20]。壽命試驗(yàn)前及過程中，使用10發(fā)恒溫彈(20 ℃)測試彈頭的出槍口速度，取其平均值為初速度。

槍管壽命試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)為：初速度下降率≥15%；橢圓彈孔(長軸與短軸比大于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，R50是50%彈著點(diǎn)散布圓半徑；試驗(yàn)中達(dá)到任意一項(xiàng)，宣布槍管壽終。本試驗(yàn)槍管壽終壽命是4 300發(fā)，壽終方式是橢圓彈孔。

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FEI公司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。采用德國Leica DM2700M光學(xué)顯微鏡(OM)觀察橫截面。

2 槍管的性能退化

2.1 密集度

密集度是反映槍管精度重要參數(shù)。本試驗(yàn)密集度測試采用固定架夾持槍械的方式點(diǎn)射射擊，測試其在100 m處的散布密集度，記錄R50數(shù)值。試驗(yàn)槍密集度R50初始值是14.0 cm，壽終時(shí)為15.8 cm，如表1所示，表明R50數(shù)值在壽命試驗(yàn)過程中波動(dòng)較小。該型號(hào)機(jī)槍壽終R50值是30 cm，說明密集度不是該型號(hào)槍管壽終限制性因素。文獻(xiàn)[10-20]的研究結(jié)果顯示，大口徑機(jī)槍的壽終方式也不是密集度過大造成的。

表1 壽命過程密集度

2.2 初速度下降率

壽命試驗(yàn)過程中，槍管初速度變化如圖1所示。圖1中顯示，彈頭的初速度整體呈下降趨勢，壽后初速下降率為5.2%，未達(dá)到15%的壽終判據(jù)。射彈量在3 000發(fā)以前，初速度變化相對(duì)比較平穩(wěn)。射彈量超過3 000發(fā)以后，初速度下降較快，從3 000發(fā)時(shí)的800 m/s下降至4 300發(fā)時(shí)的765 m/s，下降約4.4%，占下降量5.2%的85%，可見槍管在3 000～4 300發(fā)階段，損傷速率較高。其原因可能是：在0～3 000發(fā)階段，Cr層雖逐漸損傷剝落，但仍能很好地保護(hù)基體材料；當(dāng)超過3 000發(fā)時(shí)，Cr層剝落嚴(yán)重，致使內(nèi)膛結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化。

圖1 壽命試驗(yàn)過程中初速度變化Fig.1 Variation of initial velocity during life test

2.3 橢圓彈孔率

如表2所示：槍管在初始和射彈量3 600發(fā)時(shí)均未出現(xiàn)橢圓彈孔，但射彈量增至4 300發(fā)時(shí)，每組20發(fā)的射彈中有11個(gè)橢圓彈孔。槍管橢圓彈孔率壽終指標(biāo)是超過50%，該組橢圓彈孔率已達(dá)到55%，槍管判為壽終。

表2 壽命過程橢圓彈孔率

回收彈頭的被甲刻痕如圖2所示，初始射彈的被甲具有明顯膛線刻痕，而壽終射彈被甲表面的膛線刻痕不明顯。表明，槍管壽終時(shí)膛線損傷嚴(yán)重，不足以使彈頭發(fā)生有效旋轉(zhuǎn)。

圖2 射彈量為0發(fā)和4 300發(fā)時(shí)彈頭形貌Fig.2 Bullet morphologies for number of fired bullets being 0 and 4 300 rounds

3 內(nèi)膛損傷特征

通過內(nèi)膛尺寸、內(nèi)膛表面形貌觀察及解剖分析，表征內(nèi)膛損傷程度和特征。每一射擊循環(huán)后，采用口徑量規(guī)測量內(nèi)膛尺寸，采用內(nèi)窺鏡觀察內(nèi)膛表面形貌。槍管壽終后，解剖槍管，測試槍管內(nèi)膛典型部位的損傷程度。

3.1 槍管內(nèi)膛尺寸

不同射彈量時(shí)，槍管內(nèi)徑沿軸向變化如圖3所示，整體而言，隨射彈量增加，內(nèi)徑逐漸增大。圖3中顯示了槍管軸向位置內(nèi)徑變化規(guī)律有所不同，沿軸線方向0～60 mm范圍內(nèi)，是內(nèi)徑增大最快的區(qū)域。相反，沿軸線方向50～200 mm范圍內(nèi)，在射彈量700～1 800發(fā)期間其槍管內(nèi)徑較初始狀態(tài)有稍微減小，經(jīng)分析該現(xiàn)象是Cr層龜裂導(dǎo)致的。沿軸線方向600 mm至槍口處，內(nèi)徑增大速率一致，表明了這個(gè)區(qū)域是損傷方式大致相同。這個(gè)變化規(guī)律和胡春東等[20]觀察的結(jié)果相一致。值得注意的是，從3 600發(fā)增至4 300發(fā)時(shí)，內(nèi)徑增大速率加快，表明這一階段損傷速率較高。

圖3 不同射彈量時(shí)槍管內(nèi)徑沿軸向變化Fig.3 Inner diameter against the axis as a function of rounds

3.2 槍管內(nèi)膛形貌

分別選取槍管沿軸向損傷典型區(qū)域：1)線膛起始(OR)區(qū)域,沿槍管軸線長度0～60 mm范圍內(nèi)；2)高膛壓(HBP)區(qū)域，沿槍管軸線長度120～300 mm范圍內(nèi)；3)槍管口部(GM)區(qū)域，沿槍管軸線長度600～900 mm范圍內(nèi)。

OR區(qū)域不同壽命階段內(nèi)膛形貌如圖4所示，圖4中顯示了該區(qū)域在少量射彈量條件下已發(fā)生損傷，700發(fā)時(shí)OR區(qū)域已發(fā)生明顯損傷，整個(gè)陽線及部分陰線的Cr層已完全破損。在膛線起始處，陽線損傷早于陰線。陽線的Cr層首先在兩側(cè)(即導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)和非導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè))出現(xiàn)破損，導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)較非導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)破損嚴(yán)重。陰線的Cr層首先在中間位置出現(xiàn)破損，破損程度較陽線輕。

圖4 不同壽命階段OR區(qū)域形貌Fig.4 OR zone morphology as a function of rounds

圖5 不同壽命階段HBP區(qū)域形貌Fig.5 HBP zone morphology as a function of rounds

不同壽命階段HBP區(qū)形貌如圖5所示。由圖5可看出，HBP區(qū)域的損傷速率明顯小于OR區(qū)域，700發(fā)時(shí)Cr層有開始脫落的跡象，脫落部位位于陽線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)附近，陰線Cr層完整。至1 800發(fā)時(shí)，觀察到陽線Cr層脫落區(qū)域變大，陰線Cr層仍完整未破損。但在3 000發(fā)后，陽線Cr層脫落速率加快。至4 300發(fā)壽終時(shí)，陽線Cr層已完全脫落，僅陰線處保留有Cr層。

GM區(qū)域不同于OR和HBP區(qū)域，GM區(qū)域Cr層未見明顯脫落，如圖6所示。已有研究表明，該處的損傷方式主要以磨損為主[20]。根據(jù)圖3的數(shù)據(jù)，做出射彈量與槍管口部口徑的曲線，如圖7所示。分析磨損速率與射彈數(shù)的關(guān)系可知，在4 000發(fā)以前，槍管口部尺寸變化較緩慢，處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。在4 000發(fā)以后，槍管口部的磨損速率明顯變大。

圖6 不同壽命階段GM區(qū)域形貌Fig.6 GM zone morphology as a function of rounds

圖7 槍管口部口徑與射彈量關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve between muzzle caliber and bullet number

3.3 槍管解剖分析

槍管壽終后，沿槍管軸線剖開槍管，分別在OR區(qū)域、HBP區(qū)域和GM區(qū)域取樣，取樣位置如圖8所示。槍管基體材料硬度約31 HRC，Cr層硬度約為65 HRC. 3個(gè)區(qū)域橫截面形貌如圖9所示，從中可看出：OR區(qū)域Cr層幾乎完全脫落，基體中布滿裂紋；HBP區(qū)域仍保留有部分Cr層；GM區(qū)域Cr層完整，無明顯裂紋，但膛線已不明顯。

圖8 內(nèi)膛縱剖截面Fig.8 Longitudinal section of inner bore

圖9 不同區(qū)域的橫截面形貌Fig.9 Morphology of transverse section as a function of zones

OR區(qū)域內(nèi)表面和橫截面形貌如圖10所示。由圖10可見，陽線、陰線Cr層基本脫落，只有陰線局部有少量Cr層存在。Cr層厚度為120 μm，與初始Cr層厚度相當(dāng)。OR區(qū)域包含彈膛的擠進(jìn)錐，即4錐、5錐，該部位由于內(nèi)徑尺寸較大，Cr層較HBP區(qū)域及GM區(qū)域的Cr層會(huì)薄一些?；w存在較多裂紋，且裂紋較深，最深裂紋可達(dá)474 μm，裂紋中有明顯的基體燒蝕現(xiàn)象。OR區(qū)域的損傷形式是Cr層剝落與基體燒蝕并存。

圖10 OR區(qū)域的內(nèi)表面和橫截面形貌Fig.10 OR morphology of internal surface and transverse section

HBP區(qū)域內(nèi)表面和橫截面形貌如圖11所示，從中可看出：陽線Cr層已剝落，剝落寬度與陽線寬度相當(dāng)；陰線Cr層保留較完整，對(duì)應(yīng)Cr層寬度與陰線寬度相當(dāng)； Cr層厚度約184 μm，磨損量較小(Cr層與初始厚度相當(dāng))；槍管基體中未見明顯裂紋，基體燒蝕不明顯。HBP區(qū)域損傷形式是Cr層剝落。

圖11 HBP區(qū)域的內(nèi)表面和橫截面形貌Fig.11 HBP morphology of internal surface and transverse section

GM區(qū)域內(nèi)表面和橫截面形貌如圖12所示。由圖12可見：Cr層無剝落，基體中未見明顯裂紋；陽線Cr層厚度約為73 μm，Cr層有明顯磨損；陰線、陽線直徑接近一致，已失去了對(duì)彈頭的導(dǎo)轉(zhuǎn)作用，GM區(qū)域的損傷形式是Cr層磨損。

圖12 GM區(qū)域的內(nèi)表面和橫截面形貌Fig.12 GM morphology of internal surface and transverse section

4 討論與分析

4.1 橢圓/橫彈孔簡述

彈頭的發(fā)射過程通常是：發(fā)射藥被底火點(diǎn)燃，彈頭嵌入線膛，沿膛線運(yùn)動(dòng)，高速射出槍口。在槍管性能方面，槍管在射擊4 300發(fā)后精度、初速度下降率未超標(biāo)，橢圓彈孔率55%，超過壽終指標(biāo)。

橢圓彈孔或橫彈孔是彈頭射出槍口后，由于轉(zhuǎn)速低、陀螺穩(wěn)定性差，導(dǎo)致的彈頭出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。彈頭是利用陀螺穩(wěn)定這一原理來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行的，旋轉(zhuǎn)速度越大，穩(wěn)定能力越強(qiáng)。要使彈頭穩(wěn)定飛行，彈頭必須高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)彈頭轉(zhuǎn)速降低后，彈頭就會(huì)如陀螺一樣，其擺動(dòng)角度會(huì)逐漸變大，以致橢圓彈孔出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速繼續(xù)降低，彈頭則會(huì)完全失去平衡，在空氣中無規(guī)律翻滾，出現(xiàn)橫彈現(xiàn)象。

4.2 槍管內(nèi)膛損傷演變規(guī)律

12.7 mm口徑槍管在壽命試驗(yàn)過程中，內(nèi)膛損傷存在3種較明顯的內(nèi)膛損傷形態(tài)：OR區(qū)域?yàn)榫€膛起始部位，損傷形態(tài)是陰線、陽線Cr層剝落及基體燒蝕；HBP區(qū)域?yàn)楦咛艍翰课?，損傷形態(tài)為陽線Cr層剝落，陰線未明顯損傷；GM區(qū)域?yàn)闃尮芸诓?，損傷形態(tài)是陽線Cr層磨損，陰線未明顯損傷。

射彈量3 600發(fā)之前：OR區(qū)域的陽線及部分陰線Cr層持續(xù)剝落，尺寸變大并不斷向槍口方向移動(dòng)；HBP區(qū)域內(nèi)膛尺寸未發(fā)生明顯變化；GM區(qū)域的陽線磨損尺寸變大；彈頭轉(zhuǎn)速較高，彈孔正常。射擊3 600發(fā)后：OR區(qū)域的Cr層剝落區(qū)域向HBP區(qū)域擴(kuò)展；HBP區(qū)域內(nèi)膛尺寸加速增加；GM區(qū)域持續(xù)被磨大、磨平；彈頭轉(zhuǎn)速較高，彈孔正常。射擊4 300發(fā)后：內(nèi)膛尺寸加速變大，不能在彈頭被甲上刻槽，彈頭失穩(wěn)，產(chǎn)生橫彈現(xiàn)象。

4.3 槍管內(nèi)膛關(guān)鍵損傷區(qū)域分析

3種典型內(nèi)膛損傷特征具有較明顯差異，其損傷機(jī)理不同，導(dǎo)致提高槍管壽命的技術(shù)措施也不同。因此明確導(dǎo)致橢圓彈孔出現(xiàn)的內(nèi)膛典型部位，是提高槍管壽命的關(guān)鍵所在。

結(jié)合鏡檢分析結(jié)果，射彈700發(fā)左右時(shí)HBP區(qū)域陽線Cr層已經(jīng)開始剝落，只是由于是局部破壞，所以在射擊3 600發(fā)之前，尺寸未發(fā)生明顯變化。至射擊3 600發(fā)后，陽線Cr層完全脫落后，該區(qū)域的尺寸開始產(chǎn)生顯著變化。

射擊1 100發(fā)時(shí)，OR區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生明顯損傷，HBP區(qū)域、GM區(qū)域Cr層保持較完整，此時(shí)槍管的精度、初速度等性能，未產(chǎn)生明顯變化，說明OR區(qū)域的損傷對(duì)機(jī)槍槍管的精度、初速度影響仍較小。隨著射彈量的增加，HBP區(qū)域的Cr層逐漸開始產(chǎn)生損傷，當(dāng)增加至3 000發(fā)時(shí)，HBP區(qū)域的Cr層損傷面積比例已經(jīng)較高，該位置的內(nèi)膛尺寸開始發(fā)生明顯改變，此時(shí)初速度也開始急速降低，說明HBP區(qū)域的Cr層對(duì)初速度降低有較直接影響。

HBP區(qū)域伴隨了整個(gè)高膛壓區(qū)域，按照內(nèi)彈道參數(shù)，該區(qū)域的彈頭速度可達(dá)到較高值700 m/s左右，只要該段能可靠導(dǎo)轉(zhuǎn)彈頭，彈頭轉(zhuǎn)速可達(dá)到1 840 r/s以上，與設(shè)計(jì)值2 100 r/s相當(dāng)，可保證彈頭的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性(設(shè)計(jì)值都有一定余量)。因此認(rèn)為該位置的損傷與橢圓孔有直接聯(lián)系，是導(dǎo)致橢圓孔出現(xiàn)的關(guān)鍵位置。

5 結(jié)論

本文著重研究了12.7 mm機(jī)槍槍管3個(gè)典型區(qū)域損傷演變特征，3個(gè)典型區(qū)域分別是OR區(qū)域、HBP區(qū)域、GM區(qū)域；同時(shí)研究了槍管損傷與壽終方式的關(guān)系。得到如下主要結(jié)論：

1) 研究表明3個(gè)區(qū)域損傷速率和方式有所不同：OR區(qū)域Cr層脫落速率高，導(dǎo)致內(nèi)徑擴(kuò)大速率高；HBP區(qū)域初期Cr層保留完好，壽命后期發(fā)生突變，Cr層脫落加速；GM區(qū)域Cr層幾乎沒有脫落，損傷以磨損為主。

2) 該機(jī)槍槍管以橢圓彈孔超標(biāo)方式壽終，橢圓彈孔的原因是HBP區(qū)域部位陽線的Cr層剝落，致使膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)能力變?nèi)?，彈頭轉(zhuǎn)速低，從而導(dǎo)致橢圓彈孔。

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