機槍槍管失效分析

單永海，丁述宇，高 亢

(1.中國人民解放軍63850部隊， 吉林 白城 137001； 2.中國人民解放軍63870部隊， 陜西 華陰 714200)

1 引言

研究并揭示槍管失效機理是進行槍械壽命試驗的基本依據。兵器工業208所卓穗茹研究員等曾對槍管壽命開展過相關研究，但僅限于理論上的推導和模擬研究，對試驗驗證研究不夠充分。

為深入開展槍管壽命研究，本文以大口徑機槍為對象，結合相關理論研究成果并通過大量試驗，從槍膛破壞過程、鉻層開裂原因、熱作用與鉻層開裂相關性、槍膛燒蝕磨損規律、壽終槍管內膛宏觀形貌、壽終槍管內膛表面微觀形貌、壽終槍管內膛剖面形貌、失效槍管組織形態等方面對槍管失效機理與失效狀態進行了系統分析與研究。

2 失效槍管狀態試驗研究與驗證

為進一步驗證上述分析結果，進行了系統的壽命試驗研究，從宏觀、微觀對槍管失效后的鉻層及基體材料的狀態進行研究。

2.1 槍管內膛宏觀形貌

把某12.7 mm機槍槍管采用線切割方法延軸線剖開，用體視顯微鏡觀察槍管內表面的燒蝕磨損狀況，用千分尺測量槍管內徑的變化。

圖1為12.7 mm機槍失效槍管剖面及燒蝕磨損宏觀形貌的顯微照片。由圖1可見，從宏觀上看，槍管彈膛從彈殼口至槍口部分，燒蝕磨損現象由非常嚴重逐漸變輕微。尤其彈殼口區域箭頭所指處)燒蝕成臺階狀，彈殼口前方火焰部位，由于火焰停留時間最長，已燒蝕成較深的凹坑。凹坑內呈較深、較密的龜裂紋，稍遠處(約1 cm)呈平行于槍管的條狀深裂紋。離彈殼口約30 cm處，條狀深裂紋消失，彈膛表面呈塊狀及點狀剝落，離槍口越近，塊狀及點狀剝落現象減少、減輕。

圖1 失效槍管內膛燒蝕磨損宏觀形貌顯微照片

2.2 壽終槍管內膛表面微觀形貌

為了對槍管內膛表面進行SEM(scanning electron microscope)微觀形貌觀察，將已軸線剖開的槍管再線切割長1～3 cm的小塊。沿槍管軸線方向選區4個典型代表區域進行詳細觀察，如圖2所示。

圖2 壽終槍管內膛表面形貌SEM照片

圖2(a)為離彈殼口約14 mm處的形貌SEM照片。可見，由于該處離彈殼口較近，燒蝕磨損嚴重，內膛表面的陰陽線完全消失，基體軸向條狀裂紋較寬(寬達0.6 mm)、較深(>1 mm)，其他部位都呈龜裂狀。

圖2(b)為離彈殼口約27 mm處的微觀形貌SEM照片。可見，離彈口稍遠處，內膛表面陰陽線還依稀可見。圖2(b)A為陽線表面形貌，主要呈層狀剝落磨損，燒蝕呈相對輕微的龜裂紋，其中導轉側(黑色箭頭所指處)陽線基本被燒蝕磨損掉；圖2(b)B為陰線表面形貌，圖2(b)C為圖2(b)B的局部放大。可見，陰線表面主要呈塊狀剝落(2 mm×0.7 mm)。

圖2(c)為離彈殼口約73 mm處的微觀形貌SEM照片。可見，該處內膛表面陰陽線還較清晰。圖2(c)A為陰線表面放大形貌，主要呈點狀剝落，且靠近陽線根部，呈層狀剝落；圖2(c)C為陽線表面形貌的局部放大。可見，陽線表面未見點蝕及層狀剝落，主要表現為軸向及斜向的短裂紋。

圖2(d)為離彈殼口約97 mm處的微觀形貌SEM照片。可見，內膛表面陰陽線較清晰。圖 2(d)A為陰線表面放大形貌，在導轉側主要呈片、層狀剝落；圖2(d)C為陽線表面形貌的局部放大。可見，陽線表面未見點蝕及層狀剝落，主要表現為橫向的細裂紋。

把看完表面SEM形貌的4塊試樣采用熱鑲的方法鑲嵌成短小圓柱試樣，拋光成鏡面，然后在QUANT-200環境掃描電子顯微鏡下觀察槍管剖面裂紋及鉻層的磨損狀況，測試顯微硬度，觀察金相組織。

圖3(a)給出了離彈殼口約14 mm處的剖面微觀形貌SEM照片。可見，由于該處內膛表面的鉻層完全消失，基體軸向裂紋較寬、較深(圖3(a)B、C)，局部裂紋呈樹枝狀發散(圖3(a)A)，其他方向的短裂紋也分布較多。圖3(b)給出了離彈殼口約27 mm處的剖面微觀形貌SEM照片。可見，該處陰線部分鉻層較完整(圖3(b)A)。陽線部分鉻層基本被燒蝕磨損掉，無鉻層覆蓋及鉻層開裂部位基體被燒蝕、開裂(圖3(b)B、C)。

圖3 壽終槍管剖面微觀形貌SEM照片

2.3 失效槍管組織分析

采用4%的硝酸酒精刻蝕拋光好的試樣，然后在OLYBUS顯微鏡下觀察其金相組織。

圖4(a)給出了槍管新品剖面顯微組織光鏡照片。其中圖4(a)A白色亮帶為鉻層，與基體結合良好，未出現孔隙及開裂現象；圖4(a)B為基體組織的放大照片，基體層組織主要為無碳上貝氏體及回火索氏體。

圖4(b)給出了失效槍管離彈殼口約14 mm處的剖面顯微組織光鏡照片。可見，該處鉻層被磨蝕剩較薄一層，且該層徑向穿透性裂紋分布較多、較密，陰陽線交接處鉻層消失，且磨損燒蝕成較深的V字形軸向裂紋。由于火藥氣體高溫高熱的作用及彈帶的磨損作用，槍管基體表層及次表層被燒蝕成紫色層，紫色層下面基體組織對比新品，基本不變。

圖4(c)給出了失效槍管離彈口約27 mm處的剖面顯微組織光鏡照片。可見，該處陽線鉻層被全部磨蝕掉，且該處基體呈龜裂狀，裂紋分布也較多；陰線局部鉻層還較厚，但有穿透性裂紋。

圖4(d)給出了失效槍管離彈口約73 mm處的剖面顯微組織光鏡照片。該處陰陽線鉻層都較完整，但陰線鉻層比陽線處較厚，都存在穿透性裂紋。

圖4 失效槍管剖面顯微組織光鏡照片

3 機槍槍管失效機理分析

研究表明，槍管壽命的終結，不是由于槍管強度不夠，而主要是由于槍膛燒蝕與磨損所致。槍膛的燒蝕造成內層金屬組織改變及材料性能下降；槍膛的磨損則造成膛線起始部分向槍口方向前移，使彈頭在膛內起始位置也隨之前移，使藥室容積增大，裝填條件改變，從而影響彈頭的內彈道性能；槍膛的燒蝕和磨損還引起膛線的結構尺寸和形狀發生改變，破壞了彈頭的導轉條件，影響了彈頭飛行穩定性；槍膛燒蝕與磨損的作用是相互影響、相互促進的，磨損促使燒蝕向金屬內部發展，燒蝕又加速了表面金屬的磨損。

隨著發射彈數的增多，槍膛的燒蝕、磨損將日趨嚴重，對彈頭的彈道性能的影響(初速減小、射擊精度降低、彈頭飛行穩定性變壞)也日益明顯。當彈道性能的改變超過技術要求規定時，則槍管壽命告終。

3.1 槍膛破壞過程分析

我國裝備及新研制的機槍，都以槍管內膛鍍硬鉻的方法作為防止槍膛燒蝕、提高槍管壽命的主要技術措施。質硬而脆的電沉積鉻的確有明顯的防燒蝕效果。大量研究表明，機槍槍管的壽命主要取決于膛面鉻層的壽命，槍管燒蝕過程大致經歷3個階段：鉻層開裂及擴展，鉻層剝落，基體金屬燒蝕。

1) 鉻層破壞

大量射擊初期，由于鉻層開始存在的細微裂紋，發展成鉻層網狀裂紋；隨著射彈量的增加，網狀裂紋的寬度、深度逐漸加大，并一直深入到底金屬上形成裂縫，導致鉻層破壞(如圖5)。裂紋在陰陽線交界處及彈頭入口處將最早產生。

在陰陽線交界處由于應力集中和漏氣，將最早產生裂紋；在彈頭嵌入處，由于受較大的徑向擠壓應力使底金屬變形，陽線頂端也將較早產生裂紋。

圖5 鉻層的破壞形態示意圖

2) 鉻層剝落

繼續射擊后，鉻層形成的裂縫將在鉻層與底金屬結合部向平行于鉻層方向發展，致使鉻層拱起、架空。鉻層由點狀脫落發展成鋸齒狀脫落，最終導致鉻層成塊剝落，如圖6所示。

圖6 鉻層剝落形態示意圖

3) 基體金屬燒蝕

鉻層剝落后，隨著射擊彈數的增加，鉻層剝落區連成片，基體金屬的裂紋又加速擴大，促使基體金屬的剝落，形成了局部燒蝕區。隨著燒蝕區的長度與面積的繼續擴大，在槍膛表面還將形成深溝，此時，槍管壽命也即將告終，如圖7所示。

圖7 基體金屬的燒蝕示意圖

分析其相互關系后認為：

1) 鉻層脫落的原因是由于鉻層中產生貫通性裂紋，且深入到基體后分叉，沿鉻-鋼界面橫向發展，裂紋連結成網，致使鉻層在該部位架空，在外力作用下脫落。

2) 當鉻層產生貫通裂紋或脫落后，火藥燃氣有了與基體金屬直接接觸的通道，而對基體金屬發生化學腐蝕作用，使裂紋底部的基體金屬出現燒蝕坑，燒蝕坑又成為新的裂紋的起源，并加速了原有裂紋的擴展。因此，可以認為，鉻層裂紋的出現，是基體金屬燒蝕的直接原因。

綜上所述，以上3個階段交叉進行且相互作用；鉻層開裂是槍管燒蝕的第1個而且是最主要環節，決定槍管壽命長短的主要是前兩階段，基體金屬燒蝕階段持續時間約占槍管壽命全過程的15%左右；鉻層開裂是槍管基體金屬燒蝕的直接原因，鉻層開裂時機及裂紋擴展速率對槍管壽命有舉足輕重的作用。

3.2 鉻層開裂原因分析

鉻層在生產制造過程及在高溫、高壓燃氣沖刷和彈頭擠壓的復雜而惡劣的工作環境中，使其受到拉(壓)應力的因素及影響程度分析如下：

1) 鍍鉻過程中，鉻由六方晶體轉變為立方晶體，即體積由大變小，由于鉻層與基體金屬的牢固結合阻礙了這種體積的自由收縮，因而在鍍層中產生了拉應力。鉻層形成后，其中充滿的微裂紋就是這種拉應力造成的。應該指出的是，這種微裂紋與上述的貫通性裂紋有質的區別；

2) 射擊時，沿膛軸高速流動的高壓火藥燃氣對膛面的沖刷、彈頭沿膛軸移動時對膛面的摩擦，使鉻層產生拉應力，其數值一般不會超過電沉積鉻的破壞應力；

3) 射擊時，高溫火藥燃氣對膛面的瞬時加熱及射后的急速冷卻，使鉻層受到熱沖擊而產生數值很大的動態拉(壓)應力，是造成貫通性裂紋的直接原因；

4) 連續射擊時，高溫火藥燃氣的持續作用，使槍管鋼硬度下降，減弱了對鉻層的支撐，同時電沉積鉻的硬度下降(見表1)，在外力作用下，鉻層將產生貫通性裂紋。

歸納起來，鉻層開裂的主要原因是鉻層受到的拉(壓)應力超過電沉積鉻的破壞應力所致，而其內因是熱作用，外因則是彈頭對處于高溫狀態的膛壁的擠壓。

表1 溫度對電沉積鉻力學性能的影響

3.3 熱作用與鉻層開裂相關性分析

在上述分析基礎上，進一步做如下分析：

1) 持續的高溫作用及其影響

機槍連續射擊時，火藥燃氣以強迫對流放熱方式通過氣體邊界層向管壁放熱，熱量沿槍管徑向及軸向傳遞，提高了管壁的溫度。12.7 mm機槍經一個冷卻周期射彈(100～150發)后，在鉻鋼界面附近區域，溫度可達500～700 ℃。在此溫度范圍內，電沉積鉻及基體鋼的硬度大幅度下降(見表1及表2)，鍍鉻層的抗裂能力以及基體鋼對鉻層的支撐能力都隨之減弱。根據線彈性理論所作的應力分析，當槍管鍍層在載荷作用下所產生的最大張應力接近基體鋼的屈服極限時，鉻層很易開裂。機槍射擊時，槍管內的高溫、高壓火藥燃氣總是使鉻層產生最大張應力。假設鉻層中的應力等于膛面處的應力，且忽略徑向應力及軸向應力造成的影響，下式可估算出鉻層中的張應力0，如式(1)所示:

(1)

式中：′、為鉻及槍管鋼的彈性模量(kg/mm)；、為槍管內、外半徑(mm)；為火藥燃氣壓力(kg/mm)。

表2 溫度對槍管材料力學性能的影響

取槍管材料分別放置在不同溫度的試驗條件的保溫箱中恒溫1 h后，對其機械性能進行測試。按表2中所列強度極限隨溫度的下降速率估算，500～700 ℃時，槍管基體鋼的屈服強度≈(24.8～81) kg/mm。此間，正是處于鉻層最易開裂的應力范圍。當槍管射擊時，受到火藥燃氣的高壓作用及彈頭的擠壓作用，基體鋼在鉻-鋼界面處產生塑性變形，鉻層因失去可靠的支撐，加之本身塑性差而發生脆變。

2) 熱沖擊作用及其影響

熱沖擊發生的過程可描述如下：

射擊時，鉻層的加熱和冷卻都是瞬時完成的。射擊一發彈時，火藥燃氣對鉻層的加熱速率高達(6～8)×10℃/s；彈頭進膛時對膛壁的摩擦發熱穿透鉻層，其加熱速率達2.34×10℃/s；一次射擊循環(例如150發)后，槍管用水冷卻至室溫，處于表面位置的鉻層受到的熱沖擊大。在兩發射擊之間的(80～100) ms時間內，膛面與大氣自然對流冷卻，鉻層的平均冷卻速率也達(4～7)×10℃/s。就是說，射擊過程中，鉻層受到熱沖擊作用。

彈頭擠進膛線時，由于彈頭與膛線嚙合部位產生塑性變形，不斷出現的新生面與膛面劇烈摩擦，摩擦功轉換成的熱量在極短的時間內穿透膛面鉻層，產生熱沖擊作用。在穩定狀態的溫度場中，由于材料的熱膨脹系數不同，鉻層中產生的熱應力并不會造成鉻層開裂。但是，發生熱沖擊時因反復的加熱、冷卻而產生的熱疲勞都會導致鉻層開裂。熱沖擊發生時，不論因瞬時加熱在鉻層中產生的動態壓應力、或是急劇冷卻時在鉻層中產生的動態拉應力，都比靜態值大得多。當應力超過電沉積鉻的強度極限(28 kg/mm)時，鉻層將開裂，鉻層開裂即為壽終的前兆。

分析認為，熱作用是導致鉻層開裂的主要原因，其作用機理可以概括為：持續的高溫作用，造成了鉻層開裂的條件；熱沖擊或熱疲勞使鉻層開裂，如圖8所示。

圖8 鉻層開裂過程示意圖

3.4 槍膛燒蝕磨損規律分析

槍膛的燒蝕和磨損是身管戰斗性能下降的根本原因，機槍性能下降的規律是隨著槍膛的燒蝕和磨損而變化的，而槍膛的燒蝕和磨損是存在一定規律的。

1) 槍膛燒蝕磨損階段劃分

槍膛燒蝕磨損大致可分3個階段：一是磨合階段：剛剛投入使用的身管，其內膛表面有一定的粗糙度，經過磨合階段逐漸磨平了粗糙，此后燒蝕磨損速度開始加快，如圖9中的OA段，磨合階段的燒蝕磨損屬于零磨損，這種磨損在宏觀上無法準確測量出來，所以也稱不可測磨損；二是穩定磨損階段：經過磨合階段后，槍膛表面的微觀幾何形狀改變，從而建立了彈性接觸條件，這時磨損開始穩定下來，其磨損程度隨射彈量或使用時間的增加而增加，其階段長短與壽命大小成正比，如圖9中的AB段；三是急劇磨損階段：使用過程中，由于金屬組織等的變化，使磨擦條件改變，促使磨損速度加劇，如圖9中B點以后。

圖9 槍膛燒蝕磨損過程曲線

2) 槍膛燒蝕磨損規律

一是同一槍膛斷面的磨損：同一槍膛斷面上，由于膛線導轉側力的存在，陽線和陰線的磨損也不同，陽線磨損大于陰線磨損，其中陽線導轉側表面和陰線根部的磨損較為嚴重(如圖10)。彈殼口部附近的壓力較大，燒蝕時間最長，彈底壓力也達最大值，因而燒蝕磨損最嚴重；

二是沿身管長度上的磨損：由于發射過程中火藥的燒蝕時間不同，彈丸運動規律及所受載荷、彈丸與槍膛間的受力狀態及其相互作用的變化，所以槍膛磨損沿整個身管長度上的不同部位是不同的，一般膛線起始部磨損最大，朝膛口方向遞減。

圖10 槍膛斷面燒蝕磨損示意圖

4 結論

1) 機槍槍管壽命的終結主要是由于槍膛燒蝕與磨損的相互影響導致性能衰減；

2) 槍管燒蝕磨損程度從槍口區域到彈殼口區域逐漸嚴重，越靠近彈殼口位置存在深且密的龜裂紋與條狀深裂紋，塊狀及點狀剝落現象嚴重；

3) 壽終槍管微觀形貌展現出離彈殼口約14 mm處基體軸向條狀裂紋寬為0.6 mm，裂紋深為1 mm，而隨著離彈殼口的距離越遠裂紋逐漸變窄、變淺，最遠端僅存在部分橫向裂紋；

4) 試驗研究表明現行機槍壽命試驗條件下的射擊試驗結果基本符合燒蝕磨損的基本規律。