某机枪枪管內膛损伤特征

胡春东， 董瀚， 赵洪山， 乔自平， 李峻松

(1.上海大学 材料科学与工程学院， 上海 200444； 2.中国兵器工业第208研究所， 北京 102202)

0 引言

身管是枪、炮等常规武器的关键部件，其主要功能是赋予弹头或弹丸一定的初速和射向。射击时身管经受高温、高压、高速气流等作用，内膛表面发生损伤，內膛直径扩大，进而导致初速下降、射程减小和精度降低[1-4]。美国在20世纪70～80年代对二战后身管(主要为炮管)的烧蚀机理、烧蚀模型及相关防治措施进行了研究[5-7]。Lawton[8]建立了炮管烧蚀磨损率与初始温度、瞬时最高温度和发射火药烧蚀性的关系式，他总结得出每轮射击炮管的径向磨损量w=Aexp(bTmax)，A为与火药成分有关的常数，b为与内表面硬度有关的常数，Tmax为内表面瞬时最高温度。Lawton经验关系式可用于炮管的寿命预测。Sopok等[3,9]详细分析了热- 化学- 机械烧蚀理论和机制。Johnton[2]对身管烧蚀磨损机制、缓解烧蚀方法、烧蚀模拟预测方法等方面也作了较为详细的评述。以上几项工作建立了较为完善的身管失效理论，但上述理论多是采用炮管失效数据进行归纳、总结、推导等逐渐完善的。

国内学者也比较重视身管失效研究。20世纪60年代，刘智英[10]出版了关于身管失效方面的专著，就身管寿命问题进行了较为系统的论述，主要包括烧蚀磨损过程、寿命假说和经验公式等。20世纪80年代张树松[11]研究了炮管烧蚀与疲劳问题，指出改善身管用钢的韧性，能够提高身管的疲劳寿命；改善钢的热强性，能够提高中、小口径速射武器身管的烧蚀寿命。卓穗如[12]进行了机枪寿命预测研究，指出热作用是导致镀铬层开裂的主要原因。张坤等[13-14]研究了机枪枪管的烧蚀机理，发现身管基体材料的烧蚀有界面烧蚀、次界面烧蚀、穿透性烧蚀等烧蚀方式。近年来乔自平等[1]在大口径机枪的失效机理方面也有研究，认为内膛四锥、五锥的损伤是造成枪管产生椭圆弹孔的重要因素。

以上这些研究重点研究了身管损伤最严重的位置，如膛线起始位置，并提出了一些减缓损伤措施。

总结国内外长期以来的研究，发现关于烧蚀的机理研究，枪管远少于炮管，后者的烧蚀理论体系较为完善。而枪管损伤研究多集中于损伤最严重的位置——膛线起始位置，缺乏沿轴向各个区域损伤特征的系统研究。随着身管武器技术战术指标要求不断提高，新的身管材料、镀铬、內膛结构、弹头结构、火药等不断涌现，新的枪弹体系下身管损伤特征发生了改变，新特征急需归纳总结。本文对某机枪枪管(新材料)的损伤演变、特征进行了归纳总结，并对其失效机理进行了探索。

1 试验方法

试验参照国家军用标准GJB3484—1998《枪械性能试验方法》，研究枪管综合寿命试验过程中枪管损伤的变化规律。每一个射击循环按常温(室温)、高温((50±2)℃)、低温((-49±2)℃)3个阶段进行。其中常温和高温试验射击60发后空气冷却3 min，120发后空气冷却2 min+水中冷却3 min，低温试验每射击60发后，低温冷却3 min后继续射击，120发后低温冷却大于5 min. 每一阶段试验结束后，用内窥镜观察和拍摄內膛镀铬层的剥落情况，用通尺量规测量內膛不同轴向位置的阳线直径。內膛阳线直径测量方法见文献[1]。为了分析方便，每一阶段试验条件不加以区别。射弹量为全寿命的2%、7%、14%、……、100%时，分别标记为2%寿命、7%寿命、14%寿命、……、100%寿命。枪管寿命试验判定标准为: 初速下降率≥15%；椭圆弹孔(长轴与短轴比大于1.25倍)数超过射弹数的50%；连续3靶散布密集度平均值R50≥30 cm；出现肉眼可见裂纹；试验中达到任意一项，宣布枪管寿终。

寿终枪管解剖后，把试样放进丙酮中进行超声波清洗，内表面采用美国FEI公司生产的Quanta650扫描电子显微镜(SEM)观察。横截面试样用牙托粉镶嵌后，分别用120目、320目、600目、1 000目砂纸磨去划痕，再抛光，抛光后试样用2%的硝酸酒精进行轻微侵蚀，目的是分清镀层和基体界面，采用德国Leica 公司生产的DM2700M光学显微镜(OM)观察横截面。

2 全寿命枪管失效特征

2.1 失效枪管內径及分区

某枪管寿终时，损伤枪管阳线内径从膛线起始位置(0 mm)至枪管口部(870 mm)变化曲线如图1所示。图1中显示了不同轴向位置内径不同。从膛线起始位置0～80 mm这一区域，内径直线下降；在80～450 mm区域，内径不断增加；在450～870 mm区域，内径保持平稳，平稳区占总长约49%. 为了分析方便，根据內膛表面Cr层主要损伤特征，对枪管沿轴向进行了分区，并分别命名为剥落区、过渡区和磨损区。在各个区截取试样，如A、B、C和D，用以观察基体与铬层形貌。为了便于尺寸比较，定义阳线内径合格尺寸为12.72 mm.

图1 失效枪管阳线内径沿轴向变化Fig.1 Change of inner diameter of failure barrel along axis

2.2 剥落区形貌特征

图2 寿终枪管剥落区A位置形貌Fig.2 Morphology of Positionin A in spalling zone of gun barrel

图2为枪管寿终时(100%寿命)剥落区A位置形貌。从横截面可以看出，Cr层完全脱落，内表面覆盖一层白色物质，通常称为化学影响区或影响层，也可称为白层[2,8]，厚度40～70 μm. 白层中存有许多裂纹，裂纹延伸至基体，有局部地方相邻裂纹闭合(见图2(a))。从内表面看，表面裂纹呈龟裂纹，局部区域表面凸凹不平，SEM形貌显示了网状龟裂纹内有很多球形颗粒，可能是火药残留或火药气体与内表面反应的产物(见图2(b)和图2(c))。

剥落区域位于膛线起始位置附近，连续射击后，是整个枪管温度最高的位置[4]，同时也是膛压最高的位置。此位置从内表面到基体温度梯度大，产生很高的热应力。内表面瞬时温度超过基体材料的相变点，内表面层形成未回火马氏体，硬度高、塑性差，容易产生裂纹[15]。故此位置容易产生龟裂纹，内表面损伤严重。

2.3 过渡区形貌特征

过渡区是从剥落区向磨损区过渡的区域。图3是寿终枪管过渡区后端B位置形貌。此位置阳线内径较小。从横截面看，内表面基体部分区域附有Cr层，阳线上较厚的Cr层厚度约160 μm(见图3(a))。从内表面看，阳线摩擦痕迹明显，阴线则烧蚀痕迹明显(见图3(b))。内窥图片显示阳线非导转侧保留有部分Cr层，阴线中间Cr层已剥落，两侧留有部分Cr层(见图3(c))。此区域既有明显的摩擦痕迹(阳线)也有明显的烧蚀痕迹(阴线中部)。相比剥落区，此区域的基体烧蚀较弱，阳线摩擦痕迹较多。由于使用量规测量内径，所以阳线未脱落Cr层决定了所测内径偏小。由此可知，内径并不能真实反映损伤程度。

图3 寿终枪管过渡区B位置形貌Fig.3 Morphology of Position B in transitional zone of gun barrel

图4 寿终枪管过渡区C位置形貌Fig.4 Morphology of Position C in transitional zone of gun barrel

图4为寿终枪管过渡区前端C位置形貌。此位置内径已增至12.78 mm. 从横截面看，大部分区域还保留Cr层，阳线Cr层的厚度减薄，小于30 μm，一些区域阳线镀层已被磨至和阴线齐平(见图4(a))。Cr层中很多裂纹已贯穿至基体，有些在基体内继续延伸，有些截止于基体表面。局部Cr层浮起，呈即将脱落状。从内表面看，阴线部有烧蚀冲刷痕迹，阳线部位局部Cr层有块状剥落(见图4(b)～图4(d))。

C位置损伤情况与B位置有所不同，B位置Cr层脱落严重。由于局部Cr层较厚，造成阳线内径较小，阳线Cr层的损伤方式是以脱落为主；而C位置Cr层脱落减小，阳线Cr层的损伤方式以减薄为主。

2.4 磨损区形貌特征

图5是寿终枪管磨损区D位置形貌。从横截面形貌来看，阴阳线上的铬层都已减薄，阳线较厚Cr层厚度约40 μm，阳线导转侧的镀层被磨至和阴线齐平，裸露基体(见图5(a))。从内表面形貌来看：阳线Cr层较为致密(弹头挤压造成)，阴线则Cr层裂纹密度较大，Cr层较为疏松，且有冲刷痕迹；在导转侧附近的镀层，呈被冲刷状，镀层有块状剥落(见图5(b))。应当说明此区域Cr层损伤方式是以磨损为主，同时也发生了剥落。

图5 寿终枪管磨损区D位置形貌Fig.5 Morphology of Position D in wear zone of gun barrel

枪口磨损区，受弹头高速运动磨损与高速火药气体冲刷最为严重，而烧蚀较轻。膛线逐渐被磨平，内径尺寸扩大，容易漏气和使弹头运动失稳。此区域是控制枪弹精度的关键部位。

3 不同寿命阶段形貌特征

3.1 内径

图6为不同射弹量时内径沿轴向的变化。图6中显示，过渡区后端及磨损区内径随射弹量的增加而增加。当射弹量从7%寿命增至14%寿命时，内径发生了突变，枪口内径从12.69 mm增大至12.77 mm. 可见磨损区内径与射弹量是正相关的。

图6 不同射弹量内径Fig.6 Inner diameters for different numbers of rounds

3.2 剥落区损伤演变

图7为不同寿命阶段剥落区的内窥形貌。图7中显示：随着射弹量的增加，剥落区剥落损伤逐渐加重。当射弹量为2%寿命时，剥落区无明显剥落，但摩擦痕迹明显；19%寿命时，此区域阴线出现掉Cr现象，而阳线呈光亮状，表明此时阳线还未发生明显剥落；27%寿命时，阴线出现大块掉Cr，阳线局部也出现掉Cr；55%寿命时，阴线部位Cr层几乎全部掉落，阳线保留有少量Cr层；87%寿命时，阳线Cr层也全部掉落，阴阳线已模糊不清，裸露的基体布满龟裂纹。

从不同寿命阶段的形貌特征可知，枪管剥落大致经历Cr层开裂及扩展、Cr层剥落与基体金属剥落，与单永海等[16]所得结论一致。剥落区剥落从阴线开始，阴线剥落较为严重，阳线烧蚀相对滞后。

应当说明，剥落区Cr层损伤是以剥落为主，同时也发生了磨损。

3.3 过渡区损伤演变

图7 不同寿命阶段的剥落区形貌Fig.7 Spalling zone morphologies in different phases of lifetime

图8 不同寿命阶段的过渡区C位置形貌Fig.8 Transverse zone morphologies in Position C in different phases of lifetime

图8为不同寿命阶段过渡区后端C位置内窥形貌。相比剥落区，此区域的Cr层损伤较小。射弹量增至63%寿命时阳线导转侧Cr层发生脱落现象。阴线的Cr层保持较好，直至100%寿命时才发生局部脱Cr现象。与剥落区不同的是阳线Cr层先于阴线Cr层发生损坏。

3.4 磨损区损伤演变

图9为磨损区枪口位置不同射弹量时內膛的形貌。由图9可知，当少量射弹量(7%寿命)时，阳线导转侧已发生明显磨损。射弹量增至75%寿命时，阴阳线已模糊，难以分辨。这一区域损伤方式主要是磨损。

4 讨论

寿终枪管各区域的损伤特征汇总在表1中。各区域的损伤方式、次序、速率和程度不同是由于各区域工况条件的不同造成的。

剥落区内表面损伤有两个特点：1)枪管损伤速度较快，少量的射弹量(19%寿命)可导致此区域严重损伤。乔自平等[1]也发现大口径机枪在1 200发时就发生了Cr层严重脱落。在连续射击时这里的镀Cr层首先发生开裂和脱落，暴露在火药气流下的基体金属随之出现严重烧蚀。2)阴线先于阳线发生损伤。其原因是二者的载荷条件和Cr层剥落方式不同。弹头挤进时，阳线受到的挤压力较阴线大，阳线Cr层受到挤压后，变得致密，裂纹不易扩展，从而保护了基体，也同时在一定程度上保护了Cr层。阴线受到较小挤压力，Cr层的致密性稍差，容易遭到高温火焰腐蚀。这个现象也从另一方面说明，火药气体穿过Cr层贯穿裂纹烧蚀基体的机制。阴线先于阳线发生损伤这一现象与Duke等[17]和张坤等[13]观察到的结果恰恰相反，他们观察到阳线首先发生损伤，他们认为基体和Cr层强度不足，造成阳线塌陷。而在本文研究的基体有较高的高温强度(700 ℃时抗拉强度约400 MPa)，在热、机械及化学三者作用下，能抵抗阳线塌陷。

图9 不同寿命阶段的磨损区形貌Fig.9 Wear zone morphologies in different phases of lifetime

表1 各区域损伤特征

枪管磨损区内径对射击精度有重要影响，枪口内径与射弹量呈正相关(见图7)。磨损区尺寸内径增加迅速，射弹量从7%寿命增至14%寿命时，枪口部内径从12.69 mm升至12.75 mm，内径呈现突增现象。磨损区是枪弹加速的最后阶段，是枪弹线速度和角速度最高的区域，由此区域的内表面摩擦形貌可知，弹头与內膛表面产生了剧烈摩擦。

5 结论

1)从枪尾至枪口Cr层主要损伤方式由剥落向磨损转变。根据这个特征，寿终枪管沿轴向位置可分为剥落区、过渡区和磨损区。

2)剥落区阴线先于阳线发生损伤。19%寿命时，阴线出现掉Cr现象；27%寿命时，阴线出现大块Cr层掉落；55%寿命时，Cr层完全剥落；87%寿命后，基体布满龟裂纹。剥落区损伤特点是损伤速度较快，高膛压、高温度、高火药浓度条件造成损伤速度加快。

3)过渡区损伤速率减缓。后端和前端分别以阴线烧蚀和阳线导转侧Cr层脱落方式首先发生损伤。射弹量为63%寿命时，前端阳线导转侧Cr层发生脱落；寿终时，后端阴线Cr层几乎全部掉落，前端阳线Cr层局部掉落、厚度减薄。膛压、温度、火药浓度较烧蚀区下降和弹头未达到出口速度等条件是过渡区损伤速率低的原因。

4)磨损区损伤速率高。少量射弹量(7%寿命)时，阳线导转侧已发生明显磨损；射弹量增至75%寿命时，阴阳线已难以分辩，说明导转侧遭到磨损；寿终时，阳线导转侧可观察到裸露的基体。