火炮身管疲勞損傷及其健康監測研究

李慧杰，吳 斌，鄭 靖

(陸軍炮兵防空兵學院， 合肥 230031)

1 引言

身管是火炮武器系統的重要零件之一，用來賦予彈丸初速和飛行方向。磨損和疲勞裂紋是身管的2種主要損傷形式。身管實際使用壽命由磨損壽命和疲勞壽命的發數較少者決定。磨損通常會使身管內膛直徑擴大，引起膛壓下降，導致彈丸初速下降。目前已有許多控制磨損的方法，如在發射藥中添加緩蝕劑和內膛鍍耐燒蝕層。與磨損相比，疲勞破壞容易造成危及使用者安全的嚴重事故，且疲勞裂紋較難被觀測，因此人們對身管疲勞的研究相對滯后。直到1966年，美軍175 mm加農炮在使用時發生了沒有任何異常膛壓的身管膛炸，才使身管疲勞行為得

到火炮系統設計者和使用者的重視。身管疲勞壽命主要取決于宏觀裂紋的穩定擴展壽命。為了提高身管疲勞壽命，目前國內外學者主要針對2個方面進行研究，一是改進材料和制備工藝，如采用高強度高斷裂韌性優質炮鋼；二是采用自緊身管。盡管這些方法能夠有效降低裂紋擴展速率，但疲勞裂紋的生長擴展伴隨身管服役全壽命周期，始終構成發射安全性的重要隱患。因此，如何對身管健康狀態進行全程監控，并適時對即將發生疲勞破壞的身管進行報廢處理以確保使用者和武器的安全，是有待解決的一個世界性難題。

目前，被廣泛采用的身管疲勞試驗方法是實彈射擊加液壓循環試驗，即實彈射擊數發產生初始裂紋后再進行液壓循環試驗直至疲勞破壞。但液壓循環試驗與實彈射擊試驗的加載速率差別很大，前者沒有考慮載荷速率與應變率對裂紋擴展速率及疲勞壽命的影響。本文通過動態沖擊疲勞試驗和準靜態疲勞試驗相結合，對火炮身管在不同發射條件下疲勞裂紋的萌生，擴展和斷裂機理開展研究。試驗過程中應用文獻[17]中提出的基于局部應變的身管健康監測方法，對模擬身管的健康狀態和發射安全性進行評估。

2 身管沖擊液壓疲勞試驗設計

2.1 試樣與試驗方法

試樣為薄壁圓管，材料為炮鋼，如圖1所示。試樣試驗段長132 mm，內徑32 mm，壁厚2.8 mm。在試樣試驗段內表面沿軸向方向以線切割的方式加工有預制缺陷(長10 mm，寬0.8 mm，深0.8 mm)。在預制缺陷和完好處對應外壁面均粘貼軸向與周向應變片，通過測量外壁面的應變變化來監測裂紋擴展情況。

圖1 疲勞試驗試樣圖Fig.1 Fatigue test sample

準靜態疲勞試驗是基于MTS伺服液壓測試系統進行的，試驗時試樣內裝滿液壓油，通過循環加壓和持續加壓的方式實現低應變率下的模擬疲勞試驗。試驗時循環載荷的頻率為3～5 Hz。動態沖擊疲勞試驗是通過氣體炮推動撞擊子彈實現高應變率下的沖擊加載，每次沖擊過程約10～20 ms，可以近似模擬實彈射擊載荷變化速率。

2.2 試樣裂紋擴展的無損檢測

利用Zeiss Xradia 520 Versa對試樣的三維結構參數進行掃描、重建和測量來探測結構內部的微觀裂紋并對其擴展深度進行定量分析。

試樣Xradia掃描圖如圖2，Xradia檢測具有獨特的“透視”試樣的能力，不破壞試樣而進行內部裂紋損傷檢測。因此，可對處于疲勞周期任何時刻的試樣進行裂紋擴展檢測，并與試樣外壁面的應變變化結合進行分析，從而實現對試樣健康狀態和發射安全性的實時評估。

圖2 試樣Xradia掃描圖Fig.2 Xradia scan of the sample

3 試驗結果與分析

3.1 不同載荷大小下的疲勞試驗

對相同的3個試樣施加不同大小的載荷進行疲勞試驗，模擬火炮身管在不同裝藥號下發射時的疲勞行為。

試驗條件和結果如表1所示。3個試樣分別在一定循環載荷的作用下發生疲勞開裂，試驗結束時管壁均被完全貫穿，可以觀察到一束細小的液壓油從裂縫中噴出。

表1 不同載荷大小下試樣疲勞破壞Table.1 Fatigue failure of samples under different loads

試樣1，試樣2和試樣3的平均裂紋擴展增量分別為0.086 9 μm/cycles，0.183 1 μm/cycles和0.803 9 μm/cycles。可以發現，隨著加載力不斷增大，試樣預制缺陷處裂紋擴展至破壞期間所經歷的循環次數越來越少。試驗結果與實彈射擊條件下，大號裝藥發射時身管疲勞壽命比較短，小號裝藥發射時身管疲勞壽命比較長這一事實相一致。因此，在滿足訓練作戰要求的前提下，使用小號裝藥，減裝藥方式進行發射，能夠有效延長身管疲勞壽命。為了探明裂紋擴展情況，試驗結束后對試樣進行Xradia無損檢測。不同載荷大小下裂紋擴展情況如圖3所示，可以發現，3個試樣均在預制缺陷尖端發生了裂紋擴展。在循環載荷的作用下，尖端處的一條主裂紋沿著徑向不斷延伸，直至貫穿整個管壁，試樣發生疲勞開裂。

圖3 不同載荷大小下試樣裂紋擴展的X射線照片Fig.3 Crack growth under different loads

試驗過程中測量試樣外壁面應變對其健康狀態進行監測。如圖4所示，試樣1和試樣2完好處的周向應變基本保持一個穩定值，而預制缺陷處周向應變均發生明顯變化。

圖4 不同載荷大小下周向應變曲線Fig.4 Hoop strain changes under different load

隨著循環次數增多，試樣裂紋處的應變時間曲線斜率不斷增大。應變變化趨勢大致可分為3個階段，在A點之前，裂紋處應變值基本穩定，A點和B點之間應變變化率不斷增加，B點之后應變急劇增大至臨界值。分析可知，應變變化規律對應裂紋擴展的3個階段：A點之前對應微裂紋的萌生與穩定擴展，A點和B點之間對應裂紋的加速擴展，B點之后對應裂紋的失穩擴展和快速斷裂。因此，試樣外壁面應變能夠反應其疲勞損傷程度，在B點之前停止試驗，能夠防止試樣發生斷裂。這無疑對火炮發射安全性評估具有重要參考價值，如果能建立身管損傷狀態與外壁面應變的對應關系，在臨界損傷狀態時及時停止射擊，將有效預防膛炸等嚴重事故的發生。

3.2 控制循環次數疲勞試驗

該系列試驗對4個試樣進行了不同循環次數下的疲勞損傷研究，用來模擬火炮身管在不同使用階段的疲勞損傷程度。

試驗條件如表2所示，為了與試樣2進行對比，循環載荷均為5.5～55 kN，試樣4～7分別循環加載不同次數后停止試驗。并對循環次數較多的試樣4，試樣5和試樣6進行裂紋擴展無損檢測，不同循環次數下裂紋擴展的檢測結果如圖5所示。

表2 不同循環次數下試樣疲勞損傷的試驗條件Table 2 Fatigue damage of samples under different cycles

圖5 不同循環次數下試樣裂紋擴展的X射線照片Fig.5 Crack growth under different cycles

經過8 003 cycles和 9 005 cycles循環的試樣還未出現宏觀尺度的裂紋，經過9 841 cycles的試樣在預制缺陷處裂紋萌生并擴展了約1.35 mm，裂紋平均擴展增量為0.137 2 μm/cycles。結合試樣2對比可知，由此刻到結束階段，裂紋平均擴展增量為 0.600 2 μm/cycles。顯然，隨著循環次數的增多，裂紋在測試過程中的擴展速率越來越快。

試樣外壁面周向應變如圖6所示，對比應變變化趨勢可以發現，試樣7處于A點之前，試樣6處于A點附近，試樣5處于A點與B點之間，試樣4處于B點，應變值已逼近臨界值。由此可知，通過測量外壁面應變值就能夠推斷試樣的疲勞損傷程度(循環次數)。應變測量結果與裂紋檢測結果相一致，再次驗證了外壁面周向應變與裂紋擴展之間存在內在關系。因此，在B點之前停止試驗來防止試樣發生疲勞斷裂是切實可行的。

圖6 不同循環次數下周向應變曲線Fig.6 Hoop strain changes under different cycles

對這4個試樣進行剩余強度測試，來驗證應變分析結果。MTS均以1 kN/s的加載速率向試樣持續施加軸向力，直至其發生靜強度破壞。試樣4～7分別當加載力達到74.843 kN，91.897 kN，96.693 kN和98.087 kN時發生破壞?？梢园l現，試樣循環次數越多，其靜壓至破裂所需的MTS加載力越小。通過力、面積和壓強之間的關系可以計算得到壓裂瞬間試樣內承受的壓強。不同循環次數下試樣承壓能力如圖7所示。顯然，隨著循環次數增多，試件的疲勞損傷加劇，導致其承壓能力不斷下降。這一事實表明，火炮身管在不同使用階段，隨著射彈發數增加，疲勞損傷不斷累積，導致其強度極限不斷下降。因此，在身管剩余強度不足時，應及時停止使用作報廢處理，以避免發射安全性事故的發生。

圖7 不同循環次數下極限壓強曲線Fig.7 Limit pressure under different cycles

3.3 變載荷特性疲勞試驗

載荷速率與應變速率對身管在動載條件下的疲勞行為有著重要影響。為了探明疲勞裂紋在不同應變率條件下的擴展與斷裂機制，對3個試樣先進行循環加載后再進行動態沖擊加載。

循環加載階段的試驗條件如表3所示，同樣為了與試樣2進行對比，加載力選用5.5 - 55 kN，試樣8～10分別經過不同周期循環加載后停止試驗。3個試樣試驗過程中的周向應變如圖8所示。

表3 循環加載下試樣疲勞損傷的試驗條件Table 3 Fatigue damage of samples under cyclic loading

圖8 不同循環次數下周向應變曲線Fig.8 Hoop strain changes under different cycles

可以發現，該系列試驗的試樣周向應變增量并不隨循環次數的增多而增大。分析應變變化趨勢可知，試樣9處于A點和B點之間，試樣10處于B點附近，試樣8處于A點之前。因此推斷，試樣8雖然循環次數最多，但其疲勞損傷程度最低，試樣健康狀態較好；而試樣11雖然循環次數最少，但其疲勞損傷程度最嚴重，試樣健康狀態較差。此推斷在后續動態沖擊試驗得到了很好的驗證。因為加工質量和環境等因素，不同試樣，以及實際火炮不同身管的疲勞壽命不可能完全相同，但是通過測量其外表面應變變化能夠比較準確反應它的疲勞破壞程度。

試樣8循環加載結束后以0.3 MPa氣壓進行沖擊加載，經過77次沖擊后試樣發生疲勞斷裂，與試樣2對比可知，動態沖擊階段裂紋擴展速率約為準靜態循環條件下的12倍。試樣8的疲勞破壞斷口如圖9所示，與準靜態循環條件下的破壞形貌也明顯不同。準靜態條件下試樣發生疲勞破壞時，試樣外壁面沒有明顯變化，預制缺陷處擴展的裂紋需要借助Xradia檢測進行觀察。反觀動態沖擊條件下發生疲勞破壞的試樣，管壁發生撕裂狀破壞，斷口處呈現典型的疲勞破壞形貌?？梢苑譃?個區域：① 裂紋源，以電火花脈沖的方式在管壁內預制的人工缺陷，因此處形成應力集中，故發生微裂紋的萌生與擴展；② 裂紋擴展區，循環加載與沖擊加載使微裂紋不斷沿徑向延伸擴展，形成了直至管壁邊緣的半橢圓形區域。③ 瞬間斷裂區，當裂紋擴展至臨界尺寸時，試樣剩余強度已不足以承受下一次沖擊載荷，再進行試驗時試樣發生疲勞斷裂，形成了粗糙，不規則的瞬斷區。試驗結果表明，高應變率下動態沖擊試驗的裂紋擴展速率遠遠高于準靜態下循環試驗的裂紋擴展速率，且通過與文獻[9]中報道的某120 mm火炮身管斷裂形貌相比較，沖擊加載條件下的疲勞破壞形貌更接近實際身管斷裂情況。

圖9 試樣8沖擊加載77次疲勞斷口照片Fig.9 Fatigue fracture of sample 8 under impact loading for 77 times

圖10為試樣8沖擊加載77次的周向應變曲線，可以發現，動態沖擊試驗與準靜態試驗有相似應變變化規律。試樣8經過50次沖擊加載時應變增量為274 με，平均增量為5.48 με/次；第50次到第71次應變增量為667 με，平均增量為31.76 με/次；第71次到第77次應變增量為8 406 με/次，平均增量為1 401 με/次。整個試驗過程中，應變變化率不斷增加，反映裂紋擴展速率不斷加快，最終裂紋擴展至臨界尺寸發生斷裂時，應變值急劇增加至過載。因為動態沖擊試驗裂紋擴展速率較快，尤其在快速擴展到斷裂階段，可能只經過了幾發試驗，因此實現應變健康監測的關鍵在于找到快速擴展階段對應的應變值或應變增量，以準確評估發射安全性，這方面還有待進一步深入研究。

圖10 試樣8沖擊加載77次周向應變曲線Fig.10 Hoop strain changes of sample 8 under impact loading for 77 times

試樣9經過循環加載9 004 cycles后的X射線檢測結果如圖11(a)所示，沒有發現明顯的裂紋擴展。循環試驗結束后同樣以0.3 MPa氣壓進行沖擊加載試驗，沖擊6次后試樣外壁面對應缺陷處周向應變由1 526 με增長至10 358 με，而外壁面完好處的周向應變基本保持一個穩定值(圖12)。急劇增長的應變反映了試樣健康狀態急劇劣化，如果不立即停止試驗，數次沖擊后必然導致疲勞斷裂的發生。沖擊6次后的裂紋檢測結果如圖11(b)所示，裂紋已顯著擴展，與應變結果分析相一致，充分反映了應變監測對身管健康狀態和發射安全性評估的可行性。裂紋長度約為1 mm，沖擊階段的平均裂紋增量為0.16 mm/次，遠遠高于準靜態下裂紋平均擴展速率。與圖3相比，動載荷下裂紋擴展形貌與準靜態載荷下裂紋擴展形貌明顯不同，準靜態載荷下形成的裂紋極其細小，寬度約1 μm，而動載荷下形成的裂紋寬度達到幾十μm，反映了疲勞裂紋在不同應變率條件下的擴展和斷裂機制不同。

圖11 試樣9裂紋擴展的X射線照片Fig.11 Crack growth of sample 9

圖12 試樣9沖擊加載6次周向應變曲線Fig.12 Hoop strain changes of sample 9 under impact loading for 6 times

試樣10經過5 001 cycles循環加載后外壁面周向應變值變化趨勢已到達B點附近，以0.3 MPa氣壓沖擊加載1次后試樣即發生爆裂。沖擊過程中管壁內部壓力如圖13(a)所示，峰值壓力達到92 MPa。如圖13(b)所示，周向應變不斷增加，在壓力最大時刻急劇增大至過載，試樣同時發生爆裂。這一現象表明，對于健康狀態已經劣化的身管，即使在正常膛壓下發射，也有可能因為其剩余強度不足而引發膛炸。試樣10與試樣8的試驗結果充分體現了應變監測對試樣健康狀態的準確預測?；鹋谏砉茉谥圃欤\輸和使用過程中，不可避免出現一些外在損傷，導致其強度下降，通過應變監測法有望實現對其損傷狀態的準確評估。

圖13 試樣10沖擊加載1次的管壁內部壓力和周向應變曲線Fig.13 Sample 10 was impact loaded once

4 結論

1) 載荷大小、射彈發數、加載速率和應變率對身管的疲勞損傷有著顯著影響。

2) 沖擊加載條件下的裂紋擴展速率遠遠高于準靜態條件下的裂紋擴展速率，且疲勞破壞形貌與實際身管斷裂形貌非常相似。

3) 應變值與裂紋擴展之間存在明顯的內在聯系，外壁面周向應變能夠有效反映其內在健康狀態，對實現火炮射擊過程中身管健康和發射安全性的實時評估具有重要參考價值。