激光离散预处理基体镀铬身管延寿的力学机理研究.pdf

随着对身管武器的射程、射速、射频和精度等技战术指标要求的不断提高, 身管寿命得到设计和使用部门日益关注。由于铬的低摩擦系数和高熔点以及耐腐蚀性等优点,几十年来,采用镀铬方法对基体进行防护成为提高身管寿命的主要手段之一^[1-2] 。然而,镀铬层质地硬脆、易开裂, 如何延缓镀铬层的开裂及剥落是提高镀铬身管寿命的关键难题之一^{[3 - 4 ]}。大量的实验研究表明^{[1- 5]} : 在射击初期,在铬层表面上形成了网状主裂纹, 随着射击次数的增加,其主裂纹进入基体和在基体内不断扩展加宽,由主裂纹将铬层分割成若干个“孤岛”。当进入基体的主裂纹的宽度和长度达到一定程度后, 在主裂纹与界面的交界处, 形成界面裂纹。随着界面裂纹的扩展,最后界面裂纹和主裂纹汇合导致“孤岛”剥落,彻底失去了对基体的保护作用, 致使身管寿命急剧下降。为此,控制形成“孤岛”的主裂纹形貌(形状、主裂纹间距) 和延长界面裂纹与主裂纹汇合时间成为镀铬身管延寿的核心问题。

上述的实验观察结果都是在均匀基体上电镀铬得到的。为了延长镀铬身管寿命, 陈光南等人^[6]提出了激光螺旋线状离散预处理基体内表面提高镀铬身管寿命的新工艺方法, 从材料学角度给出了身管延寿的初步实验结论:铬层与基体的硬度平缓过渡、铬层与基体之间的界面结构变化、枪口部分表面主裂纹形貌的改变。但没有对主裂纹形貌的改变做深入的研究和影响铬层剥落的另一个主要裂纹- 界面裂纹做任何分析。由于身管烧蚀区和枪口部分的工作环境有很大区别,造成铬层失效的机理也不同,前者是剥落、而后者是磨损。上述分析已经表明铬层的剥落是影响身管寿命的关键因素,因此,为进一步揭示激光离散预处理基体提高镀铬身管寿命的机理,离散预处理对烧蚀区铬层剥落的影响研究显得更为重要。本文作为该研究课题的延续,将文献^{[6 ]}枪口部分的铬层表面主裂纹形貌特点在烧蚀区部分做进一步实验验证, 并且分别对该部分的界面裂纹形貌进行了实验研究和界面裂纹驱动力的理论研究。从力学角度, 对激光螺旋线状离散预处理基体铬层身管延寿机理进行分析。

1 　靶场实验样品解剖分析

1.1 　激光螺旋线状离散预处理基体内表面

基体材料为某种型号高射机关枪身管,先利用功率密度为10～1 000 kW/ cm² 的Nd∶YAG固体激光器、专用加工设备^{[7 ]}对基体内表面进行螺旋式相变硬化预处理,然后进行镀铬。沿着阳线方向,用线切割设备,取与激光扫描线相垂直的轴向试样,进行磨、抛光,得到了如图1 所示的镀铬层/ 基体结构扫描电镜轴截面图。图1 中的椭圆和两个椭圆之间区域分别为激光处理区和原始基体区域。

1.2 　靶场实验样品取样

由于实验采用了寿终身管,其烧蚀区的铬层已经完全剥落。为了揭示激光离散处理基体对烧蚀区铬层表面主裂纹形貌的影响, 分别在没有激光处理和激光离散处理的寿终身管上,利用线切割设备,由于烧蚀区是由坡膛向枪口扩展, 故选取靠近烧蚀区没有铬层脱落的部分作为研究烧蚀区铬层剥落机理的样品,具体位置如图2 所示。

1.2.1 　铬层表面主裂纹形貌比较与分析

先对样品进行超声波清洗,去掉铬层表面的火药等残留物;然后利用体视显微镜对上述两种情况的铬层表面主裂纹进行分析。图3 和图4 分别显示了寿终后的激光处理基体和原始基体上镀铬层的表面主裂纹形貌。由图3 和图4 可知, 激光离散预处理的铬层表面上形成了互相平行的主裂纹群, 该主裂纹群把铬层分割若干个条带状隔离块, 在条带状里面,存在着许多微小裂纹;而没有激光处理的基体上的镀铬层表面上形成了许多随机性的网状主裂纹。因此, 激光预处理基体改变了主裂纹的形貌。从图6 可知,该形貌与激光处理的周期性相关,在实际身管上应该表现为周向的螺旋线状, 与枪口裂纹形貌^{[6 ]}具有相同之处。

为进一步揭示激光处理主裂纹形貌,改变体视显微镜物镜与铬层表面的角度, 给出图5 所示的阴阳线根部对应的裂纹形貌。该裂纹是由于弹丸对身管的挤压作用造成的, 其宽度明显大于图3 所示的与激光处理相对应的主裂纹。因此, 根据激光螺旋扫描和阴阳线结构特点, 由根部主裂纹和与激光处理相对应的主裂纹将铬层分割成菱形“孤岛”块体,其尺寸由激光带宽度和阴阳线宽度决定。比较图4和图5 的“孤岛”尺寸,后者尺寸明显大于前者。

1.2.2 　激光处理的界面裂纹特点

为分析表面主裂纹与激光离散处理的对应关系,取垂直主裂纹的轴截面,利用1 %的硝酸酒精腐蚀液对基体进行化学腐蚀, 利用光学显微镜进行分析得到图6 ,图6 显示典型的镀铬层/ 基体轴截面的主裂纹和界面裂纹形貌。图6 表明铬层表面主裂纹主要对应着原始基体区域。通过激光离散处理基体表面影响了主裂纹的位置。其原因,由于是按照螺旋线状进行激光强化处理基体内表面,原始基体区域也呈螺旋线状,因此形成了基体强化部分和原始基体区域部分沿界面方向周期性强、弱间隔的电镀铬层/ 基体结构。在实际射击过程中,激光处理区的硬度一直高于原始基体, 即使在寿终身管上也是这样的, 这一点已由寿终身管硬度的测量得到证实^[6]。由于弱区对铬层的支撑能力差,为此在原始基体区域上铬层首先开裂,形成主裂纹。另外,图6 进一步表明,在主裂纹进入基体后,在界面处形成了界面裂纹。界面裂纹由原始基体区域向激光处理区扩展, 没有形成两个界面裂纹的汇合。否则,铬层就已剥落。

通过上述实际靶场样品的解剖分析表明:影响铬层剥落的表面主裂纹和界面裂纹形貌受到激光离散处理的影响,将原来随机性的表面网状主裂纹转换为由激光离散处理和阴阳线结构控制的菱形形貌,其铬层的“孤岛”也由随机性的网状块体变成菱形块体,其后者的面积尺寸明显大于前者。围成“孤岛”的主裂纹间距也明显大于均匀基体的。当在原始基体上形成的主裂纹进入基体后, 在与界面交接处形成界面裂纹,为此在激光离散处理情况下,界面裂纹也不是随机出现的,它出现在原始基体上,并且由原始基体向激光处理区扩展, 但界面裂纹没有汇合。由于主裂纹间距的增加, 则也增加了两个主裂纹间的界面裂纹扩展距离。

2 　延缓界面裂纹扩展的机理分析

对于涂层/ 基体结构,控制界面裂纹扩展的传统方法是改变界面结合方式和基体的微观组织结构以及界面几何形貌^[8] ,而激光离散预处理基体界面这种新的涂层/ 基体结构是否具有延缓界面裂纹扩展作用,有必要作理论研究和实验验证。为了清楚地解释该类涂层/ 基体结构的界面裂纹扩展特点,本文利用Dagdale 裂纹模型, 给出界面裂纹的塑性区尺寸和裂纹尖端张开位移的近似解析解, 作为基体界面离散处理对界面裂纹驱动力影响的分析工具。

2.1 　均匀材料Dagdale 模型

如图7 所示,在均匀材料的Dagdale 模型^[9]中,裂纹尖端的塑性区是利用一个狭窄区域来表示的, 塑性区中的内聚力作用在扩展的裂纹表面以抑制其张开,内聚力大小等于材料屈服强度。通过消除塑性区裂纹尖端的应力奇异性得到塑性区的尺寸。