火炮内膛破坏机理

刘志伟，王其林，余朋明

(海军士官学校 兵器系，安徽 蚌埠 233012)

在火炮的使用过程中，随着累积射弹数的增加，身管内膛结构会受到不同程度的破坏。一般情况下，膛线起始部破坏速度最快，径向磨损量最大［1-2］。随着弹丸在炮膛内向前运动以及火药的燃烧，沿着身管长度方向内膛破坏程度逐渐减小［3］。火炮内膛结构的破坏将会导致火炮内弹道起始条件的变化，对火炮的使用性能及弹道性能影响很大。为了保持火炮武器系统良好的使用效能，需要对火炮内膛的破坏机理进行深入的分析，并提出可行的方案。

1 内膛破坏特点

随着累积射弹数的增加，火炮内膛首先在膛线起始部附近出现网状裂纹，如图1(a)所示。继续发射，裂纹向炮口方向延伸，原有的裂纹连成网状并不断的加宽、加深，如图1(b)、(c)所示。由于弹带对炮膛的机械磨损和火药气体的冲刷作用，使表层金属逐渐剥落，炮膛径向尺寸扩大，在阴线底部常形成纵向烧蚀沟，如图1(d)、(e)所示。

图1 内膛破坏特点

一般情况下，火炮发射时，火炮内膛会受到炮膛内高温、高压的火药气体的烧蚀、冲刷和弹丸的冲击与摩擦等作用而导致内膛结构的变化。图2为沿身管长度方向上，火炮阳线的破坏情况曲线。从图2中可以很明显的看出膛线起始部A处的阳线破坏最严重，向前逐渐减轻，到炮口D处破坏程度又有所增加。

图2 阳线破坏情况曲线

另外，在内膛同一轴向位置断面上的破坏情况也不同，具体表现为阳线顶端和导转侧的破坏程度比阴线的破坏要快得多。

2 内膛破坏机理分析

影响内膛破坏的因素是多方面的，主要有热烧蚀效应、化学效应和机械磨损效应等3个方面。

2.1 热烧蚀效应

在影响内膛破坏诸多因素中，热烧蚀效应起到主导作用［3］，具体表现为以下3个方面:① 热软化;② 热相变;③熔化。

2.1.1 热软化

热软化的影响与发射条件有关。对于射速较低的火炮，内膛表面的软化程度随射弹数的增加而增加，另外，出现热软化的内膛表面对火药气体和气体压力侵蚀作用的敏感性也会逐渐增加。对于速射火炮，由于持续的传入热量，壁面软化层就具有相当的厚度，这种情况下弹丸的挤进压力将会减小。相关文献资料中已证明，在高加热速率条件下火炮内膛内会产生一个非弹性热软化的温度区间，同时会产生再结晶现象。热软化现象是引起火炮内膛破坏的原因之一。

2.1.2 热相变

火炮发射时，由于快速地加热和冷却，使内膛表面的材料体积交替地胀缩，同时也进行着急剧的相变。膛内温度超过750℃时，形成奥氏体。在膛内温度低于750℃时，又转变为保持部分奥氏体的马氏体。由于同火炮内膛内表层相邻的外层金属温度很低不存在相变，因此它限制了内表层金属回到原来位置。但由于已产生的压缩塑性变形使内表层金属内产生很大的拉应力，这样就会在连续的相变过程中造成受热最严重的膛线起始部出现网状裂纹。随着射弹发数的增多，裂纹也随之增多，并向炮口方向延伸，如图1所示。

2.1.3 熔化

发射单基药的火炮内膛表面温度低于钢的熔点，在表面局部熔解之前存在一个“结渣壳”时期。由于高温高压的火药气体与炮钢相互作用形成了低熔点的混合物，这些混合物逐渐溶解并被气流带走。发射双基药的火炮内膛表面温度高于钢的熔点，因此可直接被融化，并被气流带走。总之，火炮内膛表面材料在被气流带走之前先被加热转变成塑性或熔解状态，因此磨损率正比于发射时单位表面积输入的总热量。

2.2 化学效应

射击时火炮内膛表面存在着化学反应，反应进行的速率取决于所用火药的类型及气体混合物的温度。射击过程中，高温高压的火药气体与火炮内膛热变化层反应生成易被碳、氮等元素渗入的白体。随着射弹数的增加，碳、氮等元素的渗透量也随之增加，统称为渗碳体。

由于渗碳体和奥氏体的存在，火炮内膛表层会出现表面颗粒化和热开裂现象。它们可以促进表面熔化和龟裂，促使材料表面容易被剥离，对火炮内膛起到破坏作用。

2.3 机械磨损效应

机械磨损效应对火炮内膛的破坏作用具体表现在火药燃气流的机械冲刷作用和弹丸对火炮内膛表面的摩擦作用2个方面。

2.3.1 火药燃气流的机械冲刷

火药燃气流的机械冲刷作用是内膛表面材料耗损的主要原因。松散的氧化膜和与燃气反应生成的脆性固相物质很容易被气流带走。通常气流沿弹丸前进方向有很强的剪应力夹带着液态和固态的生成物一起运动。气流中的固体粒子是由未燃烧的发射药颗粒和由烧蚀表面剥落下来的生成物组成的。由于它们的速度很高，对膛壁的机械磨损作用很大。

火药燃气流的其它机械作用包括内膛表面的龟裂和炮膛的膨胀。虽然气体的压应力不对材料的迁移起直接的作用.但它引起的内膛龟裂，可以使裂纹伸长分叉，直到最后剥离，促进了烧蚀。在身管温度上升时，特别是在快速射击的火炮中，炮管弹性极限下降。弹丸的反复挤进.使阳线部分撑大，火药燃气流的吹蚀也会引起火炮内膛永久变形，可导致弹丸挤进失效。

2.3.2 弹丸对火炮内膛表面的摩擦

在弹丸沿火炮内膛壁向前运动时.弹丸的外壳和弹带都会对内壁表面产生摩擦。由于弹丸挤进需要相当大的力，因此弹带对火炮内膛的压力在膛线起始部最大，对该部分的破坏程度也就最大。

3 降低内膛破坏的措施

针对影响内膛破坏的各种因素，降低内膛破坏的措施主要有:①改进发射药，降低膛内爆温;②采用表面处理技术，增强内膛抗性;③优化内膛结构，减小机械摩擦。

3.1 改进发射药，降低膛内爆温

3.1.1 使用粒状发射药代替管状发射药

由于管状发射药在膛内不易流动，所以其燃烧时产生的热量往往集中在膛线起始部，使该部位烧蚀磨损加重;而粒状发射药在发射时随火药气体一起流动，可使热量均匀分布，从而可缓释膛线起始部的高温，减缓烧蚀磨损的速率。

3.1.2 添加缓蚀添加剂

缓蚀添加剂在发射瞬间可使身管内壁形成绝热、润滑或冷气层，显著减小火炮内膛的热输入，是一种能有效减小火炮内膛烧蚀磨损的方法。目前正在研制的湍流粒子护膛剂能有效的降低膛内爆温。

3.1.3 发展液体发射药

液体发射药是利用液体燃料作为能源的化学推进剂，是利用液体推进剂燃烧产生的高压燃气做功来推动弹丸的，分为单元液体发射药和双元液体发射药.由于液体发射药的能量比固体发射药一般要高30%～50%，故其可显著提高弹丸的初速，增大射程，且其低的爆温以及低的最大膛压，可有效减小火炮身管内膛的破坏。

3.2 采用表面处理技术，增强内膛抗性

3.2.1 表面热处理

表面热处理是利用固态相变，并通过表面加热的方法来对材料表层进行淬火。激光技术是近年来研究的热点，从膛外激光器发出的高能激光束，经膛内的反射镜转向，可快速照射到火炮身管内膛表面，并使炮膛被照处温度急剧上升到相变温度以上、熔点温度以下，从而发生加热相变，使材料组织变为奥氏体;且激光束离开后，该处温度可急剧下降，发生冷却相变。淬火后材料的组织主要为细化马氏体M，它不仅硬度高，还有利于阻碍裂纹扩展。

3.2.2 内膛表面涂层

火炮内膛表面镀铬或对火炮内膛表面采用热熔覆技术，均可增强火炮内膛抗性。对内膛镀铬的身管，内膛铬层在经过激光强化后，将使铬层表面原始裂纹消失、临近铬层的基体金属硬度增加，从而可提高其抗热冲击性能和基体的防热能力。另外火炮内膛经过热处理后可获得铁素体的再结晶组织，从而可提高其延性，使铬层不易脱落。美国新研制的热熔覆技术更能增强在火炮内膛使用的耐久性。

3.3 优化内膛结构，减小机械摩擦

3.3.1 优化坡膛结构

坡膛的具体结构包括坡膛的轴向长度、锥度、膛线缠角、膛线宽等结构参量。它决定了内弹道起始条件和弹丸起动压力值。弹丸起动压力值对火炮内膛破坏程度影响很大。火炮经过实弹射击以后，坡膛的结构形状、尺寸等均随射弹发数的增加而逐渐变化:坡膛锥度减小、轴向长度增大等。为了减小实弹射击对火炮内膛结构的破坏，需对坡膛结构进行优化设计，使其与弹带结构设计相互协调进行。

3.3.2 优化膛线展开曲线

等齐膛线由于弹带在导转侧不断磨损，在另一侧会出现间隙，形成火药气体冲出的通道。为了降低膛线起始部的磨损，可以令起始部缠角减小;为了降低炮口部的磨损可在炮口段采用等齐缠度膛线。这种混合缠度膛线可有效地减小火炮内膛的破坏程度。

［1］张喜发.火炮烧蚀内弹道学［M］.北京：国防工业出版社，2001.

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