火炮身管在射击过程中表层微观结构的变化*

任华杰

(海军驻齐齐哈尔地区军代室，黑龙江 齐齐哈尔 161000 )

1 引 言

火炮发生过程的火炮身管处在短期高温高压脉冲条件下，温度超过2 727 ℃、压力超过550 MPa是很常见事情[1-2]。重复循环的高温高压环境与化学反应和含有CO、CO2、H、N、水蒸气的推进剂气体相互作用对火炮膛径造成严重破坏。正如文献所述，损伤以不同特征展现出来，从逐步侵蚀到形成径向疲劳裂纹，在设计过程中裂纹扩展导致微观组织的变化。这一过程其他文献[2-6]也有描述，就是所谓火炮身管表面白层形成过程。

在白层和热影响区有明显的边界，将基体材料和白层分离。在某些情况下，白层内还有3个子层，分别为热蚀层、内白层、外白层。通常情况下，热蚀层和内白层之间没有明显边界[6]，相反内白层与外白层有明显的边界，不过多数情况外白层由于部分被冲走而变得零散。白层的典型特点是高硬度、高脆性和热稳定性，其微观结构、晶相和层的化学组成是非常复杂的，不能完全解释清楚。

通过Auger电子能谱、X射线衍射和电子扫描显微镜已经确定白层含有高碳奥氏体和ε-碳化物[3-4]。将炮膛表面的膜剥离，通过Auger和Mossbauer技术确定Fe3C存在。以上说明白层是渗碳的结果。炮膛表面的化学成份在射击后通过Auger光谱显示出两个过程：广泛的氧化和渗碳[7-8]，同时还确定了成分中其他元素，钛、硫、钾、氮、钠、铜和铝，所有这些成分可能来自推进剂或旋转的弹壳材料。

根据Ahmad[2]的观点，炮膛侵蚀是热、机械、化学复合作用的结果。在炮膛表面会形成可融化的热点，在高温高压下被吹走，由未燃烧的推进剂和化学气体对身管表面造成的机械磨损，导致材料相变，加速侵蚀过程。

火炮身管表面形成渗碳层会导致材料熔点降低，而不同的合金材料都显示在1 460 ℃以下时侵蚀的速率和熔点的反比关系[9-10]，研究证明了白层的形成机理，而白层中的微观结构和晶相的变化会更有利于对火炮身管侵蚀磨损的理解。

目前的工作试图应用X射线衍射、电子扫描显微镜和电子透射显微镜技术来确定白层中更多的微观结构细节，找到在炮膛不同位置白层形成与磨损之间的相互关系。

2 实验步骤

实验采用两门有发射记录、口径为108 mm、材质为AISI4340钢的火炮身管，其中一个发射1 650发，另一个发射500发，但是全装药当量(EFC)与发射次数(NR)的比值是一样的(EFC/NR=1.12)。

为研究沿着身管白层金相区别，身管从膛线开始处被割成不同长度的圆环，每段横向试样均取在12点的位置。对炮膛表面直接采取X射线衍射方法，应用飞利浦标准衍射仪，该仪器配备了弯曲单晶石墨单色器。电子透射显微镜处理试样时，需从试样金属侧去掉80～100 μm厚，然后在同侧进行离子研磨，试样采用JEOL 100C电子透射显微镜。

3 实验结果

沿着身管长度方向观察到的白层厚度不尽相同，在320～650 mm范围内，白层最大厚度达到70～80 μm，但发射过1 650和500次的身管这个数值却几乎一样，图1(a)展示了白层的样子，相对狭窄的热影响区把它和材料本体区分开。

图1(a)中被认为是由内白层和热蚀层组成，其边界并不是十分明显，外白层的一些碎片也在一些样品中被观察到，但是现阶段的实验还未深入研究这一微观结构。图1(b)是炮口的直角处，在这个位置的射击压力和温度与图1(a)相比小很多，但却是射击过程中摩擦力最大的地方。显示白层既可由高温、高压、相对低的推进速度造成也可由相对低温、低压和高的推进速度造成，因为高速度导致局部摩擦力增大而温度增高。

图1 不同位置处白层的外观

图2(a)中扫描电子显微镜对白层观察到的结果很像非常细的颗粒状共晶体的碳化物，很细的共晶体结构暗示非常快的凝固速度。图2(b)中相邻暗层的血小板马氏体清晰可见，并有细颗粒析出，该析出物可能是回火碳化物。

图2 电子扫描显微镜得到

电子透射显微镜获得的图像如图3(a)所示，相应的衍射图案如图3(b)所示，从而确定白层中存在奥氏体。图3(b)衍射图案中的一些附加点由Fe3O4引起，某种意义上也确定了γ- Fe2O3的存在。这些氧化物的存在证明氧化的过程同时发生渗碳，且图3(c)中一个非常不同的微观结构是在相邻的暗区发现血小板马氏体。

电子透射显微镜显示在表面区域附近非常清晰的圆形颗粒，图4(b)～(d)代表白层选择区里的衍射图案，这些分别为斜方晶系Fe3C、单斜晶系Fe5C2，它们的晶格参数为：a=11.560 Å，b=4.573 Å，c=5.060 Å，β=97.74°；斜方晶系Fe20C9，晶格参数：a=9.040 Å，b=15.66 Å，c=7.92 Å。

由液相Fe-C合金淬火形成的六方ε-碳化物不易被观察到，像Fe2C、Fe5C2、Fe20C9不稳定的碳化物一般出现在500 ℃以下的高碳钢， 塑性变形更加推动它们的形成。

因为相体积不一样，在表面层的奥氏体可能会导致拉伸应变从而诱导塑性流动。奥氏体的高密度错位表明发生塑性变形图3(a)，可能有助于相体的形成。而X射线衍射所显示的微观结构成分可能与所谓的内白层有关。但关键问题是孔表面发生固态扩散导致渗碳的相互作用形成白层还是液态金属急速冷却导致白层的形成。

从膛线开始的500 mm处的温度记录显示，在一个发射周期内温度从900 ℃下降到200 ℃大约15 ms，其表面最高温度根据实际测量推测为950 ℃，但是在热点的实际温度可能比这还高。意味着实际的冷却速度可以达到104～105℃/s，表明固体材料限制扩散过程的发生，因此白层通过孔表面的液态金属急速冷却形成的概率比较大。

图4 微观结构图和衍射图案

同时，高压对于白层的形成也有特殊的影响。实验中把甲烷气压从8提高到1 000 lbf in-2时引起白层厚度增加[9]。结果可由热力学理论加以解释，由于渗碳体的密度高于奥氏体，而奥氏体密度又高于马氏体，以牺牲α和γ区为代价来导致γ﹢碳化物区域的延伸就可预料到。如此看来，白层厚度是有关温度、压力和火炮身管环境的热力学函数，与发射次数无关，在发射过500发炮弹和1 650发炮弹的身管相同位置，白层的厚度基本一致的现象就可证明这点。同时找出白层的形成与磨损率之间的关系。

发射过1 650发的身管内径测量值如图5所示。

图5 从膛线开始的不同位置身管内径图示

在距离膛线开始处320 mm的位置测量到没发炮弹的最大磨损率为0.7 μm，在距离膛线开始处320～600 mm的区域也为白层厚度和侵蚀率最大的地方。由于孔表面白层的晶相从α碳化物转变为γ﹢碳化物，就导致熔点降低，根据文献[11-12]，熔点降低导致磨损率提高。

4 结 论

白层的形成和其微观结构通过两组不同发射次数的身管进行研究，结论概括如下：

(1) 白层的微观结构证实先前有关奥氏体和Fe3C存在在白层里的结论。除此之外，还证实白层中存在更多的碳化物：Fe2C、Fe5C2、 Fe20C9。

(2) 白层中共晶体和碳化物的形态和规模表明它们是由液态急速冷却的结果。

(3) 铁的氧化物的存在也证实孔表面氧化过程的发生。

(4) 白层的厚度与发射次数无关，而是环境因素、温度因素、压力因素共同作用的结果。

(5) 白层的形成和磨损侵蚀率之间的关系可推断出是由白层内晶相成分改变后熔点降低造成的。

参考文献：

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[2] Ahmad I, Proc. Tri Service Gun Pube Wear and Erosion Synp[M].New York:Dover Publications Press， 1977:1-49.

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[4] Fisher R M, Szirmae A, Kamdar M H. Metallographic Studies of Erosion and Thermochemical Ccracking of Cannon Tubes[J].Tech-Rep, 1983(4):210-250.

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