激光離散預(yù)處理基體鍍鉻身管延壽的力學(xué)機理研究.pdf

隨著對身管武器的射程、射速、射頻和精度等技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求的不斷提高, 身管壽命得到設(shè)計和使用部門日益關(guān)注。由于鉻的低摩擦系數(shù)和高熔點以及耐腐蝕性等優(yōu)點,幾十年來,采用鍍鉻方法對基體進行防護成為提高身管壽命的主要手段之一^[1-2] 。然而,鍍鉻層質(zhì)地硬脆、易開裂, 如何延緩鍍鉻層的開裂及剝落是提高鍍鉻身管壽命的關(guān)鍵難題之一^{[3 - 4 ]}。大量的實驗研究表明^{[1- 5]} : 在射擊初期,在鉻層表面上形成了網(wǎng)狀主裂紋, 隨著射擊次數(shù)的增加,其主裂紋進入基體和在基體內(nèi)不斷擴展加寬,由主裂紋將鉻層分割成若干個“孤島”。當(dāng)進入基體的主裂紋的寬度和長度達到一定程度后, 在主裂紋與界面的交界處, 形成界面裂紋。隨著界面裂紋的擴展,最后界面裂紋和主裂紋匯合導(dǎo)致“孤島”剝落,徹底失去了對基體的保護作用, 致使身管壽命急劇下降。為此,控制形成“孤島”的主裂紋形貌(形狀、主裂紋間距) 和延長界面裂紋與主裂紋匯合時間成為鍍鉻身管延壽的核心問題。

上述的實驗觀察結(jié)果都是在均勻基體上電鍍鉻得到的。為了延長鍍鉻身管壽命, 陳光南等人^[6]提出了激光螺旋線狀離散預(yù)處理基體內(nèi)表面提高鍍鉻身管壽命的新工藝方法, 從材料學(xué)角度給出了身管延壽的初步實驗結(jié)論:鉻層與基體的硬度平緩過渡、鉻層與基體之間的界面結(jié)構(gòu)變化、槍口部分表面主裂紋形貌的改變。但沒有對主裂紋形貌的改變做深入的研究和影響鉻層剝落的另一個主要裂紋- 界面裂紋做任何分析。由于身管燒蝕區(qū)和槍口部分的工作環(huán)境有很大區(qū)別,造成鉻層失效的機理也不同,前者是剝落、而后者是磨損。上述分析已經(jīng)表明鉻層的剝落是影響身管壽命的關(guān)鍵因素,因此,為進一步揭示激光離散預(yù)處理基體提高鍍鉻身管壽命的機理,離散預(yù)處理對燒蝕區(qū)鉻層剝落的影響研究顯得更為重要。本文作為該研究課題的延續(xù),將文獻^{[6 ]}槍口部分的鉻層表面主裂紋形貌特點在燒蝕區(qū)部分做進一步實驗驗證, 并且分別對該部分的界面裂紋形貌進行了實驗研究和界面裂紋驅(qū)動力的理論研究。從力學(xué)角度, 對激光螺旋線狀離散預(yù)處理基體鉻層身管延壽機理進行分析。

1 　靶場實驗樣品解剖分析

1.1 　激光螺旋線狀離散預(yù)處理基體內(nèi)表面

基體材料為某種型號高射機關(guān)槍身管,先利用功率密度為10～1 000 kW/ cm² 的Nd∶YAG固體激光器、專用加工設(shè)備^{[7 ]}對基體內(nèi)表面進行螺旋式相變硬化預(yù)處理,然后進行鍍鉻。沿著陽線方向,用線切割設(shè)備,取與激光掃描線相垂直的軸向試樣,進行磨、拋光,得到了如圖1 所示的鍍鉻層/ 基體結(jié)構(gòu)掃描電鏡軸截面圖。圖1 中的橢圓和兩個橢圓之間區(qū)域分別為激光處理區(qū)和原始基體區(qū)域。

1.2 　靶場實驗樣品取樣

由于實驗采用了壽終身管,其燒蝕區(qū)的鉻層已經(jīng)完全剝落。為了揭示激光離散處理基體對燒蝕區(qū)鉻層表面主裂紋形貌的影響, 分別在沒有激光處理和激光離散處理的壽終身管上,利用線切割設(shè)備,由于燒蝕區(qū)是由坡膛向槍口擴展, 故選取靠近燒蝕區(qū)沒有鉻層脫落的部分作為研究燒蝕區(qū)鉻層剝落機理的樣品,具體位置如圖2 所示。

1.2.1 　鉻層表面主裂紋形貌比較與分析

先對樣品進行超聲波清洗,去掉鉻層表面的火藥等殘留物;然后利用體視顯微鏡對上述兩種情況的鉻層表面主裂紋進行分析。圖3 和圖4 分別顯示了壽終后的激光處理基體和原始基體上鍍鉻層的表面主裂紋形貌。由圖3 和圖4 可知, 激光離散預(yù)處理的鉻層表面上形成了互相平行的主裂紋群, 該主裂紋群把鉻層分割若干個條帶狀隔離塊, 在條帶狀里面,存在著許多微小裂紋;而沒有激光處理的基體上的鍍鉻層表面上形成了許多隨機性的網(wǎng)狀主裂紋。因此, 激光預(yù)處理基體改變了主裂紋的形貌。從圖6 可知,該形貌與激光處理的周期性相關(guān),在實際身管上應(yīng)該表現(xiàn)為周向的螺旋線狀, 與槍口裂紋形貌^{[6 ]}具有相同之處。

為進一步揭示激光處理主裂紋形貌,改變體視顯微鏡物鏡與鉻層表面的角度, 給出圖5 所示的陰陽線根部對應(yīng)的裂紋形貌。該裂紋是由于彈丸對身管的擠壓作用造成的, 其寬度明顯大于圖3 所示的與激光處理相對應(yīng)的主裂紋。因此, 根據(jù)激光螺旋掃描和陰陽線結(jié)構(gòu)特點, 由根部主裂紋和與激光處理相對應(yīng)的主裂紋將鉻層分割成菱形“孤島”塊體,其尺寸由激光帶寬度和陰陽線寬度決定。比較圖4和圖5 的“孤島”尺寸,后者尺寸明顯大于前者。

1.2.2 　激光處理的界面裂紋特點

為分析表面主裂紋與激光離散處理的對應(yīng)關(guān)系,取垂直主裂紋的軸截面,利用1 %的硝酸酒精腐蝕液對基體進行化學(xué)腐蝕, 利用光學(xué)顯微鏡進行分析得到圖6 ,圖6 顯示典型的鍍鉻層/ 基體軸截面的主裂紋和界面裂紋形貌。圖6 表明鉻層表面主裂紋主要對應(yīng)著原始基體區(qū)域。通過激光離散處理基體表面影響了主裂紋的位置。其原因,由于是按照螺旋線狀進行激光強化處理基體內(nèi)表面,原始基體區(qū)域也呈螺旋線狀,因此形成了基體強化部分和原始基體區(qū)域部分沿界面方向周期性強、弱間隔的電鍍鉻層/ 基體結(jié)構(gòu)。在實際射擊過程中,激光處理區(qū)的硬度一直高于原始基體, 即使在壽終身管上也是這樣的, 這一點已由壽終身管硬度的測量得到證實^[6]。由于弱區(qū)對鉻層的支撐能力差,為此在原始基體區(qū)域上鉻層首先開裂,形成主裂紋。另外,圖6 進一步表明,在主裂紋進入基體后,在界面處形成了界面裂紋。界面裂紋由原始基體區(qū)域向激光處理區(qū)擴展, 沒有形成兩個界面裂紋的匯合。否則,鉻層就已剝落。

通過上述實際靶場樣品的解剖分析表明:影響鉻層剝落的表面主裂紋和界面裂紋形貌受到激光離散處理的影響,將原來隨機性的表面網(wǎng)狀主裂紋轉(zhuǎn)換為由激光離散處理和陰陽線結(jié)構(gòu)控制的菱形形貌,其鉻層的“孤島”也由隨機性的網(wǎng)狀塊體變成菱形塊體,其后者的面積尺寸明顯大于前者。圍成“孤島”的主裂紋間距也明顯大于均勻基體的。當(dāng)在原始基體上形成的主裂紋進入基體后, 在與界面交接處形成界面裂紋,為此在激光離散處理情況下,界面裂紋也不是隨機出現(xiàn)的,它出現(xiàn)在原始基體上,并且由原始基體向激光處理區(qū)擴展, 但界面裂紋沒有匯合。由于主裂紋間距的增加, 則也增加了兩個主裂紋間的界面裂紋擴展距離。

2 　延緩界面裂紋擴展的機理分析

對于涂層/ 基體結(jié)構(gòu),控制界面裂紋擴展的傳統(tǒng)方法是改變界面結(jié)合方式和基體的微觀組織結(jié)構(gòu)以及界面幾何形貌^[8] ,而激光離散預(yù)處理基體界面這種新的涂層/ 基體結(jié)構(gòu)是否具有延緩界面裂紋擴展作用,有必要作理論研究和實驗驗證。為了清楚地解釋該類涂層/ 基體結(jié)構(gòu)的界面裂紋擴展特點,本文利用Dagdale 裂紋模型, 給出界面裂紋的塑性區(qū)尺寸和裂紋尖端張開位移的近似解析解, 作為基體界面離散處理對界面裂紋驅(qū)動力影響的分析工具。

2.1 　均勻材料Dagdale 模型

如圖7 所示,在均勻材料的Dagdale 模型^[9]中,裂紋尖端的塑性區(qū)是利用一個狹窄區(qū)域來表示的, 塑性區(qū)中的內(nèi)聚力作用在擴展的裂紋表面以抑制其張開,內(nèi)聚力大小等于材料屈服強度。通過消除塑性區(qū)裂紋尖端的應(yīng)力奇異性得到塑性區(qū)的尺寸。