12.7 mm机枪枪管损伤演变规律及其与椭圆弹孔关系

薛钧， 王光华， 乔自平， 李峻松， 郑秋， 胡春东

(1.中国兵器工业第208研究所， 北京 102202； 2.上海大学 材料科学与工程学院， 上海 200444)

0 引言

枪械主要装备对象是步兵，并也可以配备于飞机、舰船、装甲车辆，同时也是空降兵、治安、防爆及反恐用的基本武器。枪械枪管寿命偏低制约我国枪械性能的提高。目前我国主要枪械的枪管寿命一般为：手枪3 000发、步枪10 000发、大口径机枪(12.7 mm及以上口径)3 000发。欧州、美国等发达国家枪械的枪管寿命一般为：手枪20 000发、步枪20 000发、大口径机枪6 000发以上，是我国现有同类武器的2倍以上。

枪管是枪械的重要零件之一，枪管寿命是枪械寿命的决定因素[1]。由于火药气体温度高、压力大，枪管内膛表面可达800 ℃以上，所受压力在330 MPa以上[2-7]。同时，发射的弹头高速旋转，枪管内膛要反复承受弹头被甲的变形挤压，以及弹头800 m/s以上的沿膛磨损和2 000 r/s以上的回转约束力。大口径枪管的工况恶劣，内膛表面一般电镀Cr处理。Cr层厚度超过100 μm，是内膛的保护层，但从寿终枪管内膛看到了Cr层的不同损伤状态，且膛线结构完全被破坏。枪管损伤非常复杂，损伤机制可分为化学侵蚀、热蚀和机械磨蚀，三者之间相互影响[8-13]。内膛损伤既随着射击条件的变化而变化，其程度又沿着枪管轴向位置的不同而不同。现代枪械朝着高初速、高膛压、远射程和长冷却周期的方向发展，对枪管的损伤将更加严重，提高枪管寿命技术一直是国内外关注和研究的重要课题[14-21]。

枪管的密集度、初速度下降率、椭圆弹孔率是衡量枪管寿命的3项指标[10]，这些指标都是针对枪管性能提的，未对枪管损伤程度作出描述，即还未建立枪管内膛损伤与寿命指标之间的关系。樊磊等[5]对14.5 mm口径枪管的研究表明，枪管寿命取决于最大膛压处的烧蚀状况。乔自平等[10]研究认为4锥、5锥的损伤是造成枪管产生椭圆弹孔的根本原因。胡春东等[21]认为内表面塑性变形对寿命产生重要影响。但这些研究未能明确损伤规律与椭圆弹孔的关系。本文通过枪管內膛损伤规律的研究，并对损伤规律与椭圆弹孔之间的关系进行分析，为枪管损伤机理、寿命趋势和寿命预测提供支撑。

1 试验方法

试验用枪为某制式12.7 mm口径高射机枪，枪管材料牌号是30SiMn2MoVA. 试验参照国家军用标准GJB3484—1998《枪械性能试验方法》，研究枪管综合寿命试验过程枪管损伤变化规律。每一射击循环按常温(室温)、高温(45 ℃±2 ℃)、低温(-40 ℃±2 ℃)3个阶段进行。其中：常温和高温试验阶段射击60发后空冷3 min，120发后空冷3 min、水冷；低温试验每射击60发后，低温冷却3 min后继续射击，120发后低温冷却大于15 min. 每一阶段试验结束后，用内窥镜观察和拍摄内膛镀Cr层的剥落情况，用口径量规测量内膛不同轴向位置的阳线直径。内膛阳线直径测量方法见文献[20]。寿命试验前及过程中，使用10发恒温弹(20 ℃)测试弹头的出枪口速度，取其平均值为初速度。

枪管寿命试验判定标准为：初速度下降率≥15%；椭圆弹孔(长轴与短轴比大于1.25倍)数超过射弹数的50%；连续3靶散布密集度平均值R50≥30 cm，R50是50%弹着点散布圆半径；试验中达到任意一项，宣布枪管寿终。本试验枪管寿终寿命是4 300发，寿终方式是椭圆弹孔。

寿终枪管解剖后，把试样放进丙酮中进行超声波清洗，内表面采用美国FEI公司Quanta650扫描电子显微镜(SEM)观察。横截面试样用牙托粉镶嵌后，分别用120目、320目、600目、1 000目砂纸磨去划痕，再抛光。采用德国Leica DM2700M光学显微镜(OM)观察横截面。

2 枪管的性能退化

2.1 密集度

密集度是反映枪管精度重要参数。本试验密集度测试采用固定架夹持枪械的方式点射射击，测试其在100 m处的散布密集度，记录R50数值。试验枪密集度R50初始值是14.0 cm，寿终时为15.8 cm，如表1所示，表明R50数值在寿命试验过程中波动较小。该型号机枪寿终R50值是30 cm，说明密集度不是该型号枪管寿终限制性因素。文献[10-20]的研究结果显示，大口径机枪的寿终方式也不是密集度过大造成的。

表1 寿命过程密集度

2.2 初速度下降率

寿命试验过程中，枪管初速度变化如图1所示。图1中显示，弹头的初速度整体呈下降趋势，寿后初速下降率为5.2%，未达到15%的寿终判据。射弹量在3 000发以前，初速度变化相对比较平稳。射弹量超过3 000发以后，初速度下降较快，从3 000发时的800 m/s下降至4 300发时的765 m/s，下降约4.4%，占下降量5.2%的85%，可见枪管在3 000～4 300发阶段，损伤速率较高。其原因可能是：在0～3 000发阶段，Cr层虽逐渐损伤剥落，但仍能很好地保护基体材料；当超过3 000发时，Cr层剥落严重，致使内膛结构发生较大变化。

图1 寿命试验过程中初速度变化Fig.1 Variation of initial velocity during life test

2.3 椭圆弹孔率

如表2所示：枪管在初始和射弹量3 600发时均未出现椭圆弹孔，但射弹量增至4 300发时，每组20发的射弹中有11个椭圆弹孔。枪管椭圆弹孔率寿终指标是超过50%，该组椭圆弹孔率已达到55%，枪管判为寿终。

表2 寿命过程椭圆弹孔率

回收弹头的被甲刻痕如图2所示，初始射弹的被甲具有明显膛线刻痕，而寿终射弹被甲表面的膛线刻痕不明显。表明，枪管寿终时膛线损伤严重，不足以使弹头发生有效旋转。

图2 射弹量为0发和4 300发时弹头形貌Fig.2 Bullet morphologies for number of fired bullets being 0 and 4 300 rounds

3 内膛损伤特征

通过内膛尺寸、内膛表面形貌观察及解剖分析，表征内膛损伤程度和特征。每一射击循环后，采用口径量规测量内膛尺寸，采用内窥镜观察内膛表面形貌。枪管寿终后，解剖枪管，测试枪管内膛典型部位的损伤程度。

3.1 枪管内膛尺寸

不同射弹量时，枪管内径沿轴向变化如图3所示，整体而言，随射弹量增加，内径逐渐增大。图3中显示了枪管轴向位置内径变化规律有所不同，沿轴线方向0～60 mm范围内，是内径增大最快的区域。相反，沿轴线方向50～200 mm范围内，在射弹量700～1 800发期间其枪管内径较初始状态有稍微减小，经分析该现象是Cr层龟裂导致的。沿轴线方向600 mm至枪口处，内径增大速率一致，表明了这个区域是损伤方式大致相同。这个变化规律和胡春东等[20]观察的结果相一致。值得注意的是，从3 600发增至4 300发时，内径增大速率加快，表明这一阶段损伤速率较高。

图3 不同射弹量时枪管内径沿轴向变化Fig.3 Inner diameter against the axis as a function of rounds

3.2 枪管内膛形貌

分别选取枪管沿轴向损伤典型区域：1)线膛起始(OR)区域,沿枪管轴线长度0～60 mm范围内；2)高膛压(HBP)区域，沿枪管轴线长度120～300 mm范围内；3)枪管口部(GM)区域，沿枪管轴线长度600～900 mm范围内。

OR区域不同寿命阶段内膛形貌如图4所示，图4中显示了该区域在少量射弹量条件下已发生损伤，700发时OR区域已发生明显损伤，整个阳线及部分阴线的Cr层已完全破损。在膛线起始处，阳线损伤早于阴线。阳线的Cr层首先在两侧(即导转侧和非导转侧)出现破损，导转侧较非导转侧破损严重。阴线的Cr层首先在中间位置出现破损，破损程度较阳线轻。

图4 不同寿命阶段OR区域形貌Fig.4 OR zone morphology as a function of rounds

图5 不同寿命阶段HBP区域形貌Fig.5 HBP zone morphology as a function of rounds

不同寿命阶段HBP区形貌如图5所示。由图5可看出，HBP区域的损伤速率明显小于OR区域，700发时Cr层有开始脱落的迹象，脱落部位位于阳线导转侧附近，阴线Cr层完整。至1 800发时，观察到阳线Cr层脱落区域变大，阴线Cr层仍完整未破损。但在3 000发后，阳线Cr层脱落速率加快。至4 300发寿终时，阳线Cr层已完全脱落，仅阴线处保留有Cr层。

GM区域不同于OR和HBP区域，GM区域Cr层未见明显脱落，如图6所示。已有研究表明，该处的损伤方式主要以磨损为主[20]。根据图3的数据，做出射弹量与枪管口部口径的曲线，如图7所示。分析磨损速率与射弹数的关系可知，在4 000发以前，枪管口部尺寸变化较缓慢，处于较稳定的状态。在4 000发以后，枪管口部的磨损速率明显变大。

图6 不同寿命阶段GM区域形貌Fig.6 GM zone morphology as a function of rounds

图7 枪管口部口径与射弹量关系曲线Fig.7 Relation curve between muzzle caliber and bullet number

3.3 枪管解剖分析

枪管寿终后，沿枪管轴线剖开枪管，分别在OR区域、HBP区域和GM区域取样，取样位置如图8所示。枪管基体材料硬度约31 HRC，Cr层硬度约为65 HRC. 3个区域横截面形貌如图9所示，从中可看出：OR区域Cr层几乎完全脱落，基体中布满裂纹；HBP区域仍保留有部分Cr层；GM区域Cr层完整，无明显裂纹，但膛线已不明显。

图8 内膛纵剖截面Fig.8 Longitudinal section of inner bore

图9 不同区域的横截面形貌Fig.9 Morphology of transverse section as a function of zones

OR区域内表面和横截面形貌如图10所示。由图10可见，阳线、阴线Cr层基本脱落，只有阴线局部有少量Cr层存在。Cr层厚度为120 μm，与初始Cr层厚度相当。OR区域包含弹膛的挤进锥，即4锥、5锥，该部位由于内径尺寸较大，Cr层较HBP区域及GM区域的Cr层会薄一些。基体存在较多裂纹，且裂纹较深，最深裂纹可达474 μm，裂纹中有明显的基体烧蚀现象。OR区域的损伤形式是Cr层剥落与基体烧蚀并存。

图10 OR区域的内表面和横截面形貌Fig.10 OR morphology of internal surface and transverse section

HBP区域内表面和横截面形貌如图11所示，从中可看出：阳线Cr层已剥落，剥落宽度与阳线宽度相当；阴线Cr层保留较完整，对应Cr层宽度与阴线宽度相当； Cr层厚度约184 μm，磨损量较小(Cr层与初始厚度相当)；枪管基体中未见明显裂纹，基体烧蚀不明显。HBP区域损伤形式是Cr层剥落。

图11 HBP区域的内表面和横截面形貌Fig.11 HBP morphology of internal surface and transverse section

GM区域内表面和横截面形貌如图12所示。由图12可见：Cr层无剥落，基体中未见明显裂纹；阳线Cr层厚度约为73 μm，Cr层有明显磨损；阴线、阳线直径接近一致，已失去了对弹头的导转作用，GM区域的损伤形式是Cr层磨损。

图12 GM区域的内表面和横截面形貌Fig.12 GM morphology of internal surface and transverse section

4 讨论与分析

4.1 椭圆/横弹孔简述

弹头的发射过程通常是：发射药被底火点燃，弹头嵌入线膛，沿膛线运动，高速射出枪口。在枪管性能方面，枪管在射击4 300发后精度、初速度下降率未超标，椭圆弹孔率55%，超过寿终指标。

椭圆弹孔或横弹孔是弹头射出枪口后，由于转速低、陀螺稳定性差，导致的弹头出现失稳现象。弹头是利用陀螺稳定这一原理来实现稳定飞行的，旋转速度越大，稳定能力越强。要使弹头稳定飞行，弹头必须高速旋转。当弹头转速降低后，弹头就会如陀螺一样，其摆动角度会逐渐变大，以致椭圆弹孔出现。转速继续降低，弹头则会完全失去平衡，在空气中无规律翻滚，出现横弹现象。

4.2 枪管内膛损伤演变规律

12.7 mm口径枪管在寿命试验过程中，内膛损伤存在3种较明显的内膛损伤形态：OR区域为线膛起始部位，损伤形态是阴线、阳线Cr层剥落及基体烧蚀；HBP区域为高膛压部位，损伤形态为阳线Cr层剥落，阴线未明显损伤；GM区域为枪管口部，损伤形态是阳线Cr层磨损，阴线未明显损伤。

射弹量3 600发之前：OR区域的阳线及部分阴线Cr层持续剥落，尺寸变大并不断向枪口方向移动；HBP区域内膛尺寸未发生明显变化；GM区域的阳线磨损尺寸变大；弹头转速较高，弹孔正常。射击3 600发后：OR区域的Cr层剥落区域向HBP区域扩展；HBP区域内膛尺寸加速增加；GM区域持续被磨大、磨平；弹头转速较高，弹孔正常。射击4 300发后：内膛尺寸加速变大，不能在弹头被甲上刻槽，弹头失稳，产生横弹现象。

4.3 枪管内膛关键损伤区域分析

3种典型内膛损伤特征具有较明显差异，其损伤机理不同，导致提高枪管寿命的技术措施也不同。因此明确导致椭圆弹孔出现的内膛典型部位，是提高枪管寿命的关键所在。

结合镜检分析结果，射弹700发左右时HBP区域阳线Cr层已经开始剥落，只是由于是局部破坏，所以在射击3 600发之前，尺寸未发生明显变化。至射击3 600发后，阳线Cr层完全脱落后，该区域的尺寸开始产生显著变化。

射击1 100发时，OR区域已经产生明显损伤，HBP区域、GM区域Cr层保持较完整，此时枪管的精度、初速度等性能，未产生明显变化，说明OR区域的损伤对机枪枪管的精度、初速度影响仍较小。随着射弹量的增加，HBP区域的Cr层逐渐开始产生损伤，当增加至3 000发时，HBP区域的Cr层损伤面积比例已经较高，该位置的內膛尺寸开始发生明显改变，此时初速度也开始急速降低，说明HBP区域的Cr层对初速度降低有较直接影响。

HBP区域伴随了整个高膛压区域，按照内弹道参数，该区域的弹头速度可达到较高值700 m/s左右，只要该段能可靠导转弹头，弹头转速可达到1 840 r/s以上，与设计值2 100 r/s相当，可保证弹头的旋转稳定性(设计值都有一定余量)。因此认为该位置的损伤与椭圆孔有直接联系，是导致椭圆孔出现的关键位置。

5 结论

本文着重研究了12.7 mm机枪枪管3个典型区域损伤演变特征，3个典型区域分别是OR区域、HBP区域、GM区域；同时研究了枪管损伤与寿终方式的关系。得到如下主要结论：

1) 研究表明3个区域损伤速率和方式有所不同：OR区域Cr层脱落速率高，导致内径扩大速率高；HBP区域初期Cr层保留完好，寿命后期发生突变，Cr层脱落加速；GM区域Cr层几乎没有脱落，损伤以磨损为主。

2) 该机枪枪管以椭圆弹孔超标方式寿终，椭圆弹孔的原因是HBP区域部位阳线的Cr层剥落，致使膛线导转能力变弱，弹头转速低，从而导致椭圆弹孔。

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