任華杰

(海軍駐齊齊哈爾地區(qū)軍代室，黑龍江 齊齊哈爾 161000 )

1 引 言

火炮發(fā)生過程的火炮身管處在短期高溫高壓脈沖條件下，溫度超過2 727 ℃、壓力超過550 MPa是很常見事情[1-2]。重復(fù)循環(huán)的高溫高壓環(huán)境與化學(xué)反應(yīng)和含有CO、CO2、H、N、水蒸氣的推進(jìn)劑氣體相互作用對火炮膛徑造成嚴(yán)重破壞。正如文獻(xiàn)所述，損傷以不同特征展現(xiàn)出來，從逐步侵蝕到形成徑向疲勞裂紋，在設(shè)計過程中裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致微觀組織的變化。這一過程其他文獻(xiàn)[2-6]也有描述，就是所謂火炮身管表面白層形成過程。

在白層和熱影響區(qū)有明顯的邊界，將基體材料和白層分離。在某些情況下，白層內(nèi)還有3個子層，分別為熱蝕層、內(nèi)白層、外白層。通常情況下，熱蝕層和內(nèi)白層之間沒有明顯邊界[6]，相反內(nèi)白層與外白層有明顯的邊界，不過多數(shù)情況外白層由于部分被沖走而變得零散。白層的典型特點(diǎn)是高硬度、高脆性和熱穩(wěn)定性，其微觀結(jié)構(gòu)、晶相和層的化學(xué)組成是非常復(fù)雜的，不能完全解釋清楚。

通過Auger電子能譜、X射線衍射和電子掃描顯微鏡已經(jīng)確定白層含有高碳奧氏體和ε-碳化物[3-4]。將炮膛表面的膜剝離，通過Auger和Mossbauer技術(shù)確定Fe3C存在。以上說明白層是滲碳的結(jié)果。炮膛表面的化學(xué)成份在射擊后通過Auger光譜顯示出兩個過程：廣泛的氧化和滲碳[7-8]，同時還確定了成分中其他元素，鈦、硫、鉀、氮、鈉、銅和鋁，所有這些成分可能來自推進(jìn)劑或旋轉(zhuǎn)的彈殼材料。

根據(jù)Ahmad[2]的觀點(diǎn)，炮膛侵蝕是熱、機(jī)械、化學(xué)復(fù)合作用的結(jié)果。在炮膛表面會形成可融化的熱點(diǎn)，在高溫高壓下被吹走，由未燃燒的推進(jìn)劑和化學(xué)氣體對身管表面造成的機(jī)械磨損，導(dǎo)致材料相變，加速侵蝕過程。

火炮身管表面形成滲碳層會導(dǎo)致材料熔點(diǎn)降低，而不同的合金材料都顯示在1 460 ℃以下時侵蝕的速率和熔點(diǎn)的反比關(guān)系[9-10]，研究證明了白層的形成機(jī)理，而白層中的微觀結(jié)構(gòu)和晶相的變化會更有利于對火炮身管侵蝕磨損的理解。

目前的工作試圖應(yīng)用X射線衍射、電子掃描顯微鏡和電子透射顯微鏡技術(shù)來確定白層中更多的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，找到在炮膛不同位置白層形成與磨損之間的相互關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)采用兩門有發(fā)射記錄、口徑為108 mm、材質(zhì)為AISI4340鋼的火炮身管，其中一個發(fā)射1 650發(fā)，另一個發(fā)射500發(fā)，但是全裝藥當(dāng)量(EFC)與發(fā)射次數(shù)(NR)的比值是一樣的(EFC/NR=1.12)。

為研究沿著身管白層金相區(qū)別，身管從膛線開始處被割成不同長度的圓環(huán)，每段橫向試樣均取在12點(diǎn)的位置。對炮膛表面直接采取X射線衍射方法，應(yīng)用飛利浦標(biāo)準(zhǔn)衍射儀，該儀器配備了彎曲單晶石墨單色器。電子透射顯微鏡處理試樣時，需從試樣金屬側(cè)去掉80～100 μm厚，然后在同側(cè)進(jìn)行離子研磨，試樣采用JEOL 100C電子透射顯微鏡。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

沿著身管長度方向觀察到的白層厚度不盡相同，在320～650 mm范圍內(nèi)，白層最大厚度達(dá)到70～80 μm，但發(fā)射過1 650和500次的身管這個數(shù)值卻幾乎一樣，圖1(a)展示了白層的樣子，相對狹窄的熱影響區(qū)把它和材料本體區(qū)分開。

圖1(a)中被認(rèn)為是由內(nèi)白層和熱蝕層組成，其邊界并不是十分明顯，外白層的一些碎片也在一些樣品中被觀察到，但是現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)還未深入研究這一微觀結(jié)構(gòu)。圖1(b)是炮口的直角處，在這個位置的射擊壓力和溫度與圖1(a)相比小很多，但卻是射擊過程中摩擦力最大的地方。顯示白層既可由高溫、高壓、相對低的推進(jìn)速度造成也可由相對低溫、低壓和高的推進(jìn)速度造成，因?yàn)楦咚俣葘?dǎo)致局部摩擦力增大而溫度增高。

圖1 不同位置處白層的外觀

圖2(a)中掃描電子顯微鏡對白層觀察到的結(jié)果很像非常細(xì)的顆粒狀共晶體的碳化物，很細(xì)的共晶體結(jié)構(gòu)暗示非常快的凝固速度。圖2(b)中相鄰暗層的血小板馬氏體清晰可見，并有細(xì)顆粒析出，該析出物可能是回火碳化物。

圖2 電子掃描顯微鏡得到

電子透射顯微鏡獲得的圖像如圖3(a)所示，相應(yīng)的衍射圖案如圖3(b)所示，從而確定白層中存在奧氏體。圖3(b)衍射圖案中的一些附加點(diǎn)由Fe3O4引起，某種意義上也確定了γ- Fe2O3的存在。這些氧化物的存在證明氧化的過程同時發(fā)生滲碳，且圖3(c)中一個非常不同的微觀結(jié)構(gòu)是在相鄰的暗區(qū)發(fā)現(xiàn)血小板馬氏體。

電子透射顯微鏡顯示在表面區(qū)域附近非常清晰的圓形顆粒，圖4(b)～(d)代表白層選擇區(qū)里的衍射圖案，這些分別為斜方晶系Fe3C、單斜晶系Fe5C2，它們的晶格參數(shù)為：a=11.560 ?，b=4.573 ?，c=5.060 ?，β=97.74°；斜方晶系Fe20C9，晶格參數(shù)：a=9.040 ?，b=15.66 ?，c=7.92 ?。

由液相Fe-C合金淬火形成的六方ε-碳化物不易被觀察到，像Fe2C、Fe5C2、Fe20C9不穩(wěn)定的碳化物一般出現(xiàn)在500 ℃以下的高碳鋼， 塑性變形更加推動它們的形成。

因?yàn)橄囿w積不一樣，在表面層的奧氏體可能會導(dǎo)致拉伸應(yīng)變從而誘導(dǎo)塑性流動。奧氏體的高密度錯位表明發(fā)生塑性變形圖3(a)，可能有助于相體的形成。而X射線衍射所顯示的微觀結(jié)構(gòu)成分可能與所謂的內(nèi)白層有關(guān)。但關(guān)鍵問題是孔表面發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散導(dǎo)致滲碳的相互作用形成白層還是液態(tài)金屬急速冷卻導(dǎo)致白層的形成。

從膛線開始的500 mm處的溫度記錄顯示，在一個發(fā)射周期內(nèi)溫度從900 ℃下降到200 ℃大約15 ms，其表面最高溫度根據(jù)實(shí)際測量推測為950 ℃，但是在熱點(diǎn)的實(shí)際溫度可能比這還高。意味著實(shí)際的冷卻速度可以達(dá)到104～105℃/s，表明固體材料限制擴(kuò)散過程的發(fā)生，因此白層通過孔表面的液態(tài)金屬急速冷卻形成的概率比較大。

圖4 微觀結(jié)構(gòu)圖和衍射圖案

同時，高壓對于白層的形成也有特殊的影響。實(shí)驗(yàn)中把甲烷氣壓從8提高到1 000 lbf in-2時引起白層厚度增加[9]。結(jié)果可由熱力學(xué)理論加以解釋，由于滲碳體的密度高于奧氏體，而奧氏體密度又高于馬氏體，以犧牲α和γ區(qū)為代價來導(dǎo)致γ﹢碳化物區(qū)域的延伸就可預(yù)料到。如此看來，白層厚度是有關(guān)溫度、壓力和火炮身管環(huán)境的熱力學(xué)函數(shù)，與發(fā)射次數(shù)無關(guān)，在發(fā)射過500發(fā)炮彈和1 650發(fā)炮彈的身管相同位置，白層的厚度基本一致的現(xiàn)象就可證明這點(diǎn)。同時找出白層的形成與磨損率之間的關(guān)系。

發(fā)射過1 650發(fā)的身管內(nèi)徑測量值如圖5所示。

圖5 從膛線開始的不同位置身管內(nèi)徑圖示

在距離膛線開始處320 mm的位置測量到?jīng)]發(fā)炮彈的最大磨損率為0.7 μm，在距離膛線開始處320～600 mm的區(qū)域也為白層厚度和侵蝕率最大的地方。由于孔表面白層的晶相從α碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)棣茅€碳化物，就導(dǎo)致熔點(diǎn)降低，根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]，熔點(diǎn)降低導(dǎo)致磨損率提高。

4 結(jié) 論

白層的形成和其微觀結(jié)構(gòu)通過兩組不同發(fā)射次數(shù)的身管進(jìn)行研究，結(jié)論概括如下：

(1) 白層的微觀結(jié)構(gòu)證實(shí)先前有關(guān)奧氏體和Fe3C存在在白層里的結(jié)論。除此之外，還證實(shí)白層中存在更多的碳化物：Fe2C、Fe5C2、 Fe20C9。

(2) 白層中共晶體和碳化物的形態(tài)和規(guī)模表明它們是由液態(tài)急速冷卻的結(jié)果。

(3) 鐵的氧化物的存在也證實(shí)孔表面氧化過程的發(fā)生。

(4) 白層的厚度與發(fā)射次數(shù)無關(guān)，而是環(huán)境因素、溫度因素、壓力因素共同作用的結(jié)果。

(5) 白層的形成和磨損侵蝕率之間的關(guān)系可推斷出是由白層內(nèi)晶相成分改變后熔點(diǎn)降低造成的。

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