1 引言
研究并揭示枪管失效机理是进行枪械寿命试验的基本依据。兵器工业208所卓穗茹研究员等[1]曾对枪管寿命开展过相关研究，但仅限于理论上的推导和模拟研究，对试验验证研究不够充分。
为深入开展枪管寿命研究，本文以大口径机枪为对象，结合相关理论研究成果并通过大量试验，从枪膛破坏过程、铬层开裂原因、热作用与铬层开裂相关性、枪膛烧蚀磨损规律、寿终枪管内膛宏观形貌、寿终枪管内膛表面微观形貌、寿终枪管内膛剖面形貌、失效枪管组织形态等方面对枪管失效机理与失效状态进行了系统分析与研究。
2 失效枪管状态试验研究与验证
为进一步验证上述分析结果，进行了系统的寿命试验研究，从宏观、微观对枪管失效后的铬层及基体材料的状态进行研究。
2.1 枪管内膛宏观形貌
把某12.7 mm机枪枪管采用线切割方法延轴线剖开，用体视显微镜观察枪管内表面的烧蚀磨损状况，用千分尺测量枪管内径的变化。
图1为12.7 mm机枪失效枪管剖面及烧蚀磨损宏观形貌的显微照片。由图1可见，从宏观上看，枪管弹膛从弹壳口至枪口部分，烧蚀磨损现象由非常严重逐渐变轻微。尤其弹壳口区域箭头所指处)烧蚀成台阶状，弹壳口前方火焰部位，由于火焰停留时间最长，已烧蚀成较深的凹坑。凹坑内呈较深、较密的龟裂纹，稍远处(约1 cm)呈平行于枪管的条状深裂纹。离弹壳口约30 cm处，条状深裂纹消失，弹膛表面呈块状及点状剥落，离枪口越近，块状及点状剥落现象减少、减轻。
图1 失效枪管内膛烧蚀磨损宏观形貌显微照片
Fig.1 Macroscopic morphology of ablation and wear of the failure machinegun barrel
2.2 寿终枪管内膛表面微观形貌
为了对枪管内膛表面进行SEM(scanning electron microscope)微观形貌观察，将已轴线剖开的枪管再线切割长1～3 cm的小块。沿枪管轴线方向选区4个典型代表区域进行详细观察[2]，如图2所示。
图2 寿终枪管内膛表面形貌SEM照片
Fig.2 Microstructure of the internal wall of a life-end gun barrel
图2(a)为离弹壳口约14 mm处的形貌SEM照片。可见，由于该处离弹壳口较近，烧蚀磨损严重，内膛表面的阴阳线完全消失，基体轴向条状裂纹较宽(宽达0.6 mm)、较深(>1 mm)，其他部位都呈龟裂状。
图2(b)为离弹壳口约27 mm处的微观形貌SEM照片。可见，离弹口稍远处，内膛表面阴阳线还依稀可见。图2(b)A为阳线表面形貌，主要呈层状剥落磨损，烧蚀呈相对轻微的龟裂纹，其中导转侧(黑色箭头所指处)阳线基本被烧蚀磨损掉；图2(b)B为阴线表面形貌，图2(b)C为图2(b)B的局部放大。可见，阴线表面主要呈块状剥落(2 mm×0.7 mm)。
图2(c)为离弹壳口约73 mm处的微观形貌SEM照片。可见，该处内膛表面阴阳线还较清晰。图2(c)A为阴线表面放大形貌，主要呈点状剥落，且靠近阳线根部，呈层状剥落；图2(c)C为阳线表面形貌的局部放大。可见，阳线表面未见点蚀及层状剥落，主要表现为轴向及斜向的短裂纹。
图2(d)为离弹壳口约97 mm处的微观形貌SEM照片。可见，内膛表面阴阳线较清晰。图 2(d)A为阴线表面放大形貌，在导转侧主要呈片、层状剥落；图2(d)C为阳线表面形貌的局部放大。可见，阳线表面未见点蚀及层状剥落，主要表现为横向的细裂纹。
把看完表面SEM形貌的4块试样采用热镶的方法镶嵌成短小圆柱试样，抛光成镜面，然后在QUANT-200环境扫描电子显微镜下观察枪管剖面裂纹及铬层的磨损状况，测试显微硬度，观察金相组织。
图3(a)给出了离弹壳口约14 mm处的剖面微观形貌SEM照片。可见，由于该处内膛表面的铬层完全消失，基体轴向裂纹较宽、较深(图3(a)B、C)，局部裂纹呈树枝状发散(图3(a)A)，其他方向的短裂纹也分布较多。图3(b)给出了离弹壳口约27 mm处的剖面微观形貌SEM照片。可见，该处阴线部分铬层较完整(图3(b)A)。阳线部分铬层基本被烧蚀磨损掉，无铬层覆盖及铬层开裂部位基体被烧蚀、开裂(图3(b)B、C)。
图3 寿终枪管剖面微观形貌SEM照片
Fig.3 Microstructure on cross section of the life-end gun barrels
2.3 失效枪管组织分析
采用4%的硝酸酒精刻蚀抛光好的试样，然后在OLYBUS显微镜下观察其金相组织。
图4(a)给出了枪管新品剖面显微组织光镜照片。其中图4(a)A白色亮带为铬层，与基体结合良好，未出现孔隙及开裂现象；图4(a)B为基体组织的放大照片，基体层组织主要为无碳上贝氏体及回火索氏体。
图4(b)给出了失效枪管离弹壳口约14 mm处的剖面显微组织光镜照片。可见，该处铬层被磨蚀剩较薄一层，且该层径向穿透性裂纹分布较多、较密，阴阳线交接处铬层消失，且磨损烧蚀成较深的V字形轴向裂纹。由于火药气体高温高热的作用及弹带的磨损作用，枪管基体表层及次表层被烧蚀成紫色层，紫色层下面基体组织对比新品，基本不变。
图4(c)给出了失效枪管离弹口约27 mm处的剖面显微组织光镜照片。可见，该处阳线铬层被全部磨蚀掉，且该处基体呈龟裂状，裂纹分布也较多；阴线局部铬层还较厚，但有穿透性裂纹。
图4(d)给出了失效枪管离弹口约73 mm处的剖面显微组织光镜照片。该处阴阳线铬层都较完整，但阴线铬层比阳线处较厚，都存在穿透性裂纹。
图4 失效枪管剖面显微组织光镜照片
Fig.4 Microstructure on cross-section of a failure barrel
3 机枪枪管失效机理分析
研究表明，枪管寿命的终结，不是由于枪管强度不够，而主要是由于枪膛烧蚀与磨损所致[3-5]。枪膛的烧蚀造成内层金属组织改变及材料性能下降；枪膛的磨损则造成膛线起始部分向枪口方向前移，使弹头在膛内起始位置也随之前移，使药室容积增大，装填条件改变，从而影响弹头的内弹道性能；枪膛的烧蚀和磨损还引起膛线的结构尺寸和形状发生改变，破坏了弹头的导转条件，影响了弹头飞行稳定性；枪膛烧蚀与磨损的作用是相互影响、相互促进的，磨损促使烧蚀向金属内部发展，烧蚀又加速了表面金属的磨损[6]。
随着发射弹数的增多，枪膛的烧蚀、磨损将日趋严重，对弹头的弹道性能的影响(初速减小、射击精度降低、弹头飞行稳定性变坏)也日益明显。当弹道性能的改变超过技术要求规定时，则枪管寿命告终。
3.1 枪膛破坏过程分析
我国装备及新研制的机枪，都以枪管内膛镀硬铬的方法作为防止枪膛烧蚀、提高枪管寿命的主要技术措施。质硬而脆的电沉积铬的确有明显的防烧蚀效果。大量研究表明，机枪枪管的寿命主要取决于膛面铬层的寿命，枪管烧蚀过程大致经历3个阶段：铬层开裂及扩展，铬层剥落，基体金属烧蚀[7-8]。
1) 铬层破坏
大量射击初期，由于铬层开始存在的细微裂纹，发展成铬层网状裂纹；随着射弹量的增加，网状裂纹的宽度、深度逐渐加大，并一直深入到底金属上形成裂缝，导致铬层破坏(如图5)。裂纹在阴阳线交界处及弹头入口处将最早产生。
在阴阳线交界处由于应力集中和漏气，将最早产生裂纹；在弹头嵌入处，由于受较大的径向挤压应力使底金属变形，阳线顶端也将较早产生裂纹。
图5 铬层的破坏形态示意图
Fig.5 Diagram of chromium coating destruction
2) 铬层剥落
继续射击后，铬层形成的裂缝将在铬层与底金属结合部向平行于铬层方向发展，致使铬层拱起、架空。铬层由点状脱落发展成锯齿状脱落，最终导致铬层成块剥落，如图6所示。
图6 铬层剥落形态示意图
Fig.6 Diagram of chromium coating peeling
3) 基体金属烧蚀
铬层剥落后，随着射击弹数的增加，铬层剥落区连成片，基体金属的裂纹又加速扩大，促使基体金属的剥落，形成了局部烧蚀区。随着烧蚀区的长度与面积的继续扩大，在枪膛表面还将形成深沟，此时，枪管寿命也即将告终，如图7所示。
图7 基体金属的烧蚀示意图
Fig.7 Diagram of ablative mental substrate
分析其相互关系后认为：
1) 铬层脱落的原因是由于铬层中产生贯通性裂纹，且深入到基体后分叉，沿铬-钢界面横向发展，裂纹连结成网，致使铬层在该部位架空，在外力作用下脱落。
2) 当铬层产生贯通裂纹或脱落后，火药燃气有了与基体金属直接接触的通道，而对基体金属发生化学腐蚀作用，使裂纹底部的基体金属出现烧蚀坑，烧蚀坑又成为新的裂纹的起源，并加速了原有裂纹的扩展。因此，可以认为，铬层裂纹的出现，是基体金属烧蚀的直接原因。
综上所述，以上3个阶段交叉进行且相互作用；铬层开裂是枪管烧蚀的第1个而且是最主要环节，决定枪管寿命长短的主要是前两阶段，基体金属烧蚀阶段持续时间约占枪管寿命全过程的15%左右；铬层开裂是枪管基体金属烧蚀的直接原因，铬层开裂时机及裂纹扩展速率对枪管寿命有举足轻重的作用[9]。
3.2 铬层开裂原因分析
铬层在生产制造过程及在高温、高压燃气冲刷和弹头挤压的复杂而恶劣的工作环境中，使其受到拉(压)应力的因素及影响程度分析如下[10]：
1) 镀铬过程中，铬由六方晶体转变为立方晶体，即体积由大变小，由于铬层与基体金属的牢固结合阻碍了这种体积的自由收缩，因而在镀层中产生了拉应力。铬层形成后，其中充满的微裂纹就是这种拉应力造成的。应该指出的是，这种微裂纹与上述的贯通性裂纹有质的区别；
2) 射击时，沿膛轴高速流动的高压火药燃气对膛面的冲刷、弹头沿膛轴移动时对膛面的摩擦，使铬层产生拉应力，其数值一般不会超过电沉积铬的破坏应力；
3) 射击时，高温火药燃气对膛面的瞬时加热及射后的急速冷却，使铬层受到热冲击而产生数值很大的动态拉(压)应力，是造成贯通性裂纹的直接原因；
4) 连续射击时，高温火药燃气的持续作用，使枪管钢硬度下降，减弱了对铬层的支撑，同时电沉积铬的硬度下降(见表1)，在外力作用下，铬层将产生贯通性裂纹。
归纳起来，铬层开裂的主要原因是铬层受到的拉(压)应力超过电沉积铬的破坏应力所致，而其内因是热作用，外因则是弹头对处于高温状态的膛壁的挤压。
表1 温度对电沉积铬力学性能的影响
Table 1 Influence of temperature on mechanical property of depositing chrome
评价指标温度/℃20250350500600650700硬度/HR663651.2643.7607450.3261259下降率/%0.01.72.98.532.160.760.9
3.3 热作用与铬层开裂相关性分析
在上述分析基础上，进一步做如下分析：
1) 持续的高温作用及其影响
机枪连续射击时，火药燃气以强迫对流放热方式通过气体边界层向管壁放热，热量沿枪管径向及轴向传递，提高了管壁的温度[11-12]。12.7 mm机枪经一个冷却周期射弹(100～150发)后，在铬钢界面附近区域，温度可达500～700 ℃。在此温度范围内，电沉积铬及基体钢的硬度大幅度下降(见表1及表2)，镀铬层的抗裂能力以及基体钢对铬层的支撑能力都随之减弱。根据线弹性理论所作的应力分析，当枪管镀层在载荷作用下所产生的最大张应力接近基体钢的屈服极限时，铬层很易开裂。机枪射击时，枪管内的高温、高压火药燃气总是使铬层产生最大张应力。假设铬层中的应力等于膛面处的应力，且忽略径向应力σr及轴向应力σz造成的影响，下式可估算出铬层中的张应力σθ0，如式(1)所示:
(1)
式中： E′、E为铬及枪管钢的弹性模量(kg/mm3)；r1、r2为枪管内、外半径(mm)；P1为火药燃气压力(kg/mm2)。
表2 温度对枪管材料力学性能的影响
Table 2 Influence of temperature on mechanical property of barrels material
试验温度/℃极限强度σb/MPa延伸率δ/%截面收缩率ψs/%20112～11515.0～16.252.8～53.850080～8117.2～18.273.8～79.655065～6724.4～28.284.2～89.860048.5～52.033.4～34.285.0～85.265033.5～35.249.5～54.087.7～88.170024.859.692.4～94.5
取枪管材料分别放置在不同温度的试验条件的保温箱中恒温1 h后，对其机械性能进行测试。按表2中所列强度极限随温度的下降速率估算，500～700 ℃时，枪管基体钢的屈服强度σs≈(24.8～81) kg/mm2。此间，正是处于铬层最易开裂的应力范围。当枪管射击时，受到火药燃气的高压作用及弹头的挤压作用，基体钢在铬-钢界面处产生塑性变形，铬层因失去可靠的支撑，加之本身塑性差而发生脆变。
2) 热冲击作用及其影响
热冲击发生的过程可描述如下：
射击时，铬层的加热和冷却都是瞬时完成的。射击一发弹时，火药燃气对铬层的加热速率高达(6～8)×105 ℃/s；弹头进膛时对膛壁的摩擦发热穿透铬层，其加热速率达2.34×105 ℃/s；一次射击循环(例如150发)后，枪管用水冷却至室温，处于表面位置的铬层受到的热冲击大。在两发射击之间的(80～100) ms时间内，膛面与大气自然对流冷却，铬层的平均冷却速率也达(4～7)×103 ℃/s。就是说，射击过程中，铬层受到热冲击作用。
弹头挤进膛线时，由于弹头与膛线啮合部位产生塑性变形，不断出现的新生面与膛面剧烈摩擦，摩擦功转换成的热量在极短的时间内穿透膛面铬层，产生热冲击作用。在稳定状态的温度场中，由于材料的热膨胀系数不同，铬层中产生的热应力并不会造成铬层开裂。但是，发生热冲击时因反复的加热、冷却而产生的热疲劳都会导致铬层开裂。热冲击发生时，不论因瞬时加热在铬层中产生的动态压应力、或是急剧冷却时在铬层中产生的动态拉应力，都比静态值大得多。当应力超过电沉积铬的强度极限(28 kg/mm2)时，铬层将开裂，铬层开裂即为寿终的前兆[13]。
分析认为，热作用是导致铬层开裂的主要原因，其作用机理可以概括为：持续的高温作用，造成了铬层开裂的条件；热冲击或热疲劳使铬层开裂，如图8所示。
图8 铬层开裂过程示意图
Fig.8 Schematic diagram of cracking cause of chromium coating
3.4 枪膛烧蚀磨损规律分析
枪膛的烧蚀和磨损是身管战斗性能下降的根本原因，机枪性能下降的规律是随着枪膛的烧蚀和磨损而变化的，而枪膛的烧蚀和磨损是存在一定规律的。
1) 枪膛烧蚀磨损阶段划分
枪膛烧蚀磨损大致可分3个阶段：一是磨合阶段：刚刚投入使用的身管，其内膛表面有一定的粗糙度，经过磨合阶段逐渐磨平了粗糙，此后烧蚀磨损速度开始加快，如图9中的OA段，磨合阶段的烧蚀磨损属于零磨损，这种磨损在宏观上无法准确测量出来，所以也称不可测磨损；二是稳定磨损阶段：经过磨合阶段后，枪膛表面的微观几何形状改变，从而建立了弹性接触条件，这时磨损开始稳定下来，其磨损程度随射弹量或使用时间的增加而增加，其阶段长短与寿命大小成正比，如图9中的AB段；三是急剧磨损阶段：使用过程中，由于金属组织等的变化，使磨擦条件改变，促使磨损速度加剧，如图9中B点以后。
图9 枪膛烧蚀磨损过程曲线
Fig.9 Burning-eroding and wearing process of gun barrel
2) 枪膛烧蚀磨损规律
一是同一枪膛断面的磨损：同一枪膛断面上，由于膛线导转侧力的存在，阳线和阴线的磨损也不同，阳线磨损大于阴线磨损，其中阳线导转侧表面和阴线根部的磨损较为严重(如图10)。弹壳口部附近的压力较大，烧蚀时间最长，弹底压力也达最大值，因而烧蚀磨损最严重；
二是沿身管长度上的磨损：由于发射过程中火药的烧蚀时间不同，弹丸运动规律及所受载荷、弹丸与枪膛间的受力状态及其相互作用的变化，所以枪膛磨损沿整个身管长度上的不同部位是不同的，一般膛线起始部磨损最大，朝膛口方向递减[14-15]。
图10 枪膛断面烧蚀磨损示意图
Fig.10 Burning-eroding and wearing on same transversal surface of gun barrel
4 结论
1) 机枪枪管寿命的终结主要是由于枪膛烧蚀与磨损的相互影响导致性能衰减；
2) 枪管烧蚀磨损程度从枪口区域到弹壳口区域逐渐严重，越靠近弹壳口位置存在深且密的龟裂纹与条状深裂纹，块状及点状剥落现象严重；
3) 寿终枪管微观形貌展现出离弹壳口约14 mm处基体轴向条状裂纹宽为0.6 mm，裂纹深为1 mm，而随着离弹壳口的距离越远裂纹逐渐变窄、变浅，最远端仅存在部分横向裂纹；
4) 试验研究表明现行机枪寿命试验条件下的射击试验结果基本符合烧蚀磨损的基本规律。
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