速射武器身管材料劣化行为与弹道性能退化机理研究
发布时间：2021-03-31 06:00
身管作为速射武器的主要组成部分,是控制弹丸飞行运动姿态的重要载体。在射击过程中,身管主要承受烧蚀和磨损两种渐进劣化作用。随着射击次数的增加,这两种作用的综合结果导致身管内壁轴向各位置上孔径不同程度的增大。由于身管内壁孔径的增大,内弹道膛压将会下降,同时,内壁对弹丸的导转约束减弱,造成弹道性能逐渐降低,直至武器寿命终止。此类武器普遍存在射击持续能力不足、使用寿命不高等问题。为了改善此类武器的作战性能,需要对身管材料的劣化行为和弹道性能退化过程开展深入研究。本文以某型大口径机枪为研究对象开展如下研究,并取得相应结论:（1）以镀铬层/钢基体为研究对象,基于身管服役环境,提出了身管内壁受力状态力学模型,并分别通过机械磨损实验、燃气冲蚀实验和高温烧蚀实验,分析各因素对身管内壁材料的损伤行为。研究表明,身管内壁材料失效形式表现为弹丸的机械挤压和高温、高压火药燃气造成镀铬层的开裂,镀铬层/钢基体结构在高温载荷作用下,界面生成脆性FeCr化合物,镀铬层在弹丸挤压引起的切向载荷作用下逐渐脱落。（2）由于高温载荷引起的镀铬层/钢基体界面力学性能逐渐退化,因此,通过激光烧蚀实验实现不同温度对界面渐进退化的影...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１电镀铬涂层的裂纹ｍ??
???动磨损产生的铬疲劳断裂是镀铬层脱落更重要的因素。??由于气体冲刷的效应，通常很难找到枪膛表面的气体与金属反应产生的??产物。因此，ＣｏｔｅＷ又在不同气体氛围中利用激光脉冲加热法对炮钢的烧蚀??做进一步研宄。实验表明，可以通过激光脉冲加热复现在枪膛表面观察到的??热－机损伤过程，包括涂层和钢基材中的冶金转变，涂层中的热冲击裂纹，钢??基材中的损伤引发，和界面退化，而氧化在引发烧蚀过程中起着关键作用。??Ｓ〇Ｐ〇ｋ【５，６侧提出了更为详尽的身管内膛热－化学－机械烧蚀机理，如图２－２??所示。该机理模型充分考虑了冲刷气流、温度梯度、热应力开裂、气固反应、??表面熔化、烧蚀产物和机械剥蚀等因素，同时文章详细解释了包括身管内膛??的热影响区、化学扩散影响区、化学反应影响区等身管内膛不同区域失效的??机理。对于涂层的失效问题，Ｓｏｐｏｋ给出的解释是当铬涂层热开裂导致裂纹??扩展至界面氧化层时，火药燃气的冲刷将减少涂层－基体界面边缘的粘附力，??并在会在裂纹块上施加向上的力，加速其剥落过程。??Ｒｅａｃｔｉｎｇ?．Ｆｌｏｗ??麵』麵—麵■圓麵ｉ■晒＾训丨认‘沾沿肪??Ａｂｌａｔｉｏｎ??Ｊ?Ｊ?／?Ｒｅａｃｔｉｏｎ?Ｚｏｎｅ??Ｐｒｏｄｕｃｔｓ?Ｊ?３?／??Ｍｅｃｈ．?Ｒｅｍｏｖａｌ?Ｔ?／?Ｉ??／?Ｔｈｅｒｍａｌ?Ｓｔｒｅｓｓ??Ｂｃ?Ｍｃｌｔ?／?Ｃｒａｃｋｓ??１?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｇｒａｄｉｅｎｔ??图２－２热－化学－机械烧蚀机理示意图Ｉｓ，６Ｉ??国内学者也分别对身管用钢的镀铬层高温磨损性能ｍ和火药爆炸烧蚀性??能［８］做过相关研究。高温磨损实验中，镀铬层出现的裂纹将引起镀层大面积
?北京科技大学博士学位论文???厚度为ｒ的涂层中的拉伸残余应力在裂纹位置被消除，而之前由涂层承受??的载荷，现在由裂纹两侧长度为Ｚ的剪切带承担。因此，拉伸残余应力的荷??载与界面ＴＯ附近最小剪切屈服强度的荷载相等，其表达式为：??ａ?Ｒｔ?＝?ｔ０Ｌ?（２－１）??该理论为观测到的涂层裂纹间距和界面附近的最小剪切强度提供了涂层??拉伸破坏强度的计算方法。??Ｉ??＇￣一＾咖■■丨：—’?￥??ｉｎ－ｐｉａｎｅ?．＿Ｈ…??ｃｏａｔｉｎｇ??ｓｔｒｅｓｓ?〇ｃ＊??ｃｒ＾ｋ?Ｌ?ｙ??图２－３火炮内膛涂层界面滑移区拉伸破坏应力示意图Ｍ??对于考虑火药燃气的高温影响，Ｕｎｄｅｒｗｏｏｄ［１（）］又对火炮内膛材料瞬态热??损伤建立了热力学模型。该模型考虑的涂层近壁面温差的影响，如图２－４所??示。文章指出，７Ｖ２可以认为是开裂深度为ｚ的涂层平均温度，而ｒ３ｚ／２可代表??涂层下基体材料的温度。两者的差值控制涂层及其附近区域的临界初始热损??伤。同样，在深度为ｚ的瞬态压应力与沿长度为／的剪切应力ｒ达到平衡：??ＳＡＴ?ｘｚ?＝?Ｔｘｙ＊?（２－２）??因此，剪切应力１■的表达式为：??ｒ?＝?［Ｅａ｛Ｔｚｌ２－Ｔｉｚ／２）］ｘ（ｚ／ｙ）?（２－３）??式中，￡：６（（７＾２－７＾２）为压应力的估计值，五和《分别为对应温度下材料的弹??性模量和膨胀系数。??－５－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Modeling and simulation of bullet-barrel interaction process for the damaged gun barrel[J]. Chao Shen,Ke-dong Zhou,Ye Lu,Jun-song Li. Defence Technology. 2019(06)
[2]6.45μm激光加热浮法玻璃后温度分布特性研究[J]. 卢希文,王海林,朱晓,朱广志. 激光技术. 2019(03)
[3]碳纤维增强聚苯硫醚复合材料激光加热原位成型过程中的温度场[J]. 宋清华,刘卫平,陈吉平,刘奎,杨洋. 复合材料学报. 2019(02)
[4]身管内膛镀铬层-钢基体界面损伤退化行为研究进展[J]. 高文,张津,黄进峰,连勇,张乐,马旻昱,赵超,张尊君,刘凯. 材料导报. 2017(13)
[5]基于优化的非等间隔灰色理论和BP神经网络的身管磨损量预测[J]. 易怀军,刘宁,张相炎,丁传俊. 兵工学报. 2016(12)
[6]典型使用条件对大口径机枪枪管寿命影响研究[J]. 齐玉辉,杨明华,单永海,徐诚. 兵工学报. 2016(11)
[7]大口径火炮膛线结构对滑动弹带弹丸膛内运动影响的数值分析[J]. 许耀峰,丁宏民,徐坚,宁变芳. 兵工学报. 2016(11)
[8]基于铬层与基体结合部疲劳损伤的转管机枪身管寿命预测研究[J]. 徐宁,吴永海,王永娟,徐诚. 兵工学报. 2016(10)
[9]大口径机枪枪管失效规律研究[J]. 乔自平,李峻松,薛钧. 兵工学报. 2015(12)
[10]热模钢渗氮与30SiMn2MoVA镀铬性能比较[J]. 付航涛,张津,黄进峰,连勇,张程,高文. 中国表面工程. 2015(06)
本文编号：3110928
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１电镀铬涂层的裂纹ｍ??
???动磨损产生的铬疲劳断裂是镀铬层脱落更重要的因素。??由于气体冲刷的效应，通常很难找到枪膛表面的气体与金属反应产生的??产物。因此，ＣｏｔｅＷ又在不同气体氛围中利用激光脉冲加热法对炮钢的烧蚀??做进一步研宄。实验表明，可以通过激光脉冲加热复现在枪膛表面观察到的??热－机损伤过程，包括涂层和钢基材中的冶金转变，涂层中的热冲击裂纹，钢??基材中的损伤引发，和界面退化，而氧化在引发烧蚀过程中起着关键作用。??Ｓ〇Ｐ〇ｋ【５，６侧提出了更为详尽的身管内膛热－化学－机械烧蚀机理，如图２－２??所示。该机理模型充分考虑了冲刷气流、温度梯度、热应力开裂、气固反应、??表面熔化、烧蚀产物和机械剥蚀等因素，同时文章详细解释了包括身管内膛??的热影响区、化学扩散影响区、化学反应影响区等身管内膛不同区域失效的??机理。对于涂层的失效问题，Ｓｏｐｏｋ给出的解释是当铬涂层热开裂导致裂纹??扩展至界面氧化层时，火药燃气的冲刷将减少涂层－基体界面边缘的粘附力，??并在会在裂纹块上施加向上的力，加速其剥落过程。??Ｒｅａｃｔｉｎｇ?．Ｆｌｏｗ??麵』麵—麵■圓麵ｉ■晒＾训丨认‘沾沿肪??Ａｂｌａｔｉｏｎ??Ｊ?Ｊ?／?Ｒｅａｃｔｉｏｎ?Ｚｏｎｅ??Ｐｒｏｄｕｃｔｓ?Ｊ?３?／??Ｍｅｃｈ．?Ｒｅｍｏｖａｌ?Ｔ?／?Ｉ??／?Ｔｈｅｒｍａｌ?Ｓｔｒｅｓｓ??Ｂｃ?Ｍｃｌｔ?／?Ｃｒａｃｋｓ??１?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｇｒａｄｉｅｎｔ??图２－２热－化学－机械烧蚀机理示意图Ｉｓ，６Ｉ??国内学者也分别对身管用钢的镀铬层高温磨损性能ｍ和火药爆炸烧蚀性??能［８］做过相关研究。高温磨损实验中，镀铬层出现的裂纹将引起镀层大面积
?北京科技大学博士学位论文???厚度为ｒ的涂层中的拉伸残余应力在裂纹位置被消除，而之前由涂层承受??的载荷，现在由裂纹两侧长度为Ｚ的剪切带承担。因此，拉伸残余应力的荷??载与界面ＴＯ附近最小剪切屈服强度的荷载相等，其表达式为：??ａ?Ｒｔ?＝?ｔ０Ｌ?（２－１）??该理论为观测到的涂层裂纹间距和界面附近的最小剪切强度提供了涂层??拉伸破坏强度的计算方法。??Ｉ??＇￣一＾咖■■丨：—’?￥??ｉｎ－ｐｉａｎｅ?．＿Ｈ…??ｃｏａｔｉｎｇ??ｓｔｒｅｓｓ?〇ｃ＊??ｃｒ＾ｋ?Ｌ?ｙ??图２－３火炮内膛涂层界面滑移区拉伸破坏应力示意图Ｍ??对于考虑火药燃气的高温影响，Ｕｎｄｅｒｗｏｏｄ［１（）］又对火炮内膛材料瞬态热??损伤建立了热力学模型。该模型考虑的涂层近壁面温差的影响，如图２－４所??示。文章指出，７Ｖ２可以认为是开裂深度为ｚ的涂层平均温度，而ｒ３ｚ／２可代表??涂层下基体材料的温度。两者的差值控制涂层及其附近区域的临界初始热损??伤。同样，在深度为ｚ的瞬态压应力与沿长度为／的剪切应力ｒ达到平衡：??ＳＡＴ?ｘｚ?＝?Ｔｘｙ＊?（２－２）??因此，剪切应力１■的表达式为：??ｒ?＝?［Ｅａ｛Ｔｚｌ２－Ｔｉｚ／２）］ｘ（ｚ／ｙ）?（２－３）??式中，￡：６（（７＾２－７＾２）为压应力的估计值，五和《分别为对应温度下材料的弹??性模量和膨胀系数。??－５－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Modeling and simulation of bullet-barrel interaction process for the damaged gun barrel[J]. Chao Shen,Ke-dong Zhou,Ye Lu,Jun-song Li. Defence Technology. 2019(06)
[2]6.45μm激光加热浮法玻璃后温度分布特性研究[J]. 卢希文,王海林,朱晓,朱广志. 激光技术. 2019(03)
[3]碳纤维增强聚苯硫醚复合材料激光加热原位成型过程中的温度场[J]. 宋清华,刘卫平,陈吉平,刘奎,杨洋. 复合材料学报. 2019(02)
[4]身管内膛镀铬层-钢基体界面损伤退化行为研究进展[J]. 高文,张津,黄进峰,连勇,张乐,马旻昱,赵超,张尊君,刘凯. 材料导报. 2017(13)
[5]基于优化的非等间隔灰色理论和BP神经网络的身管磨损量预测[J]. 易怀军,刘宁,张相炎,丁传俊. 兵工学报. 2016(12)
[6]典型使用条件对大口径机枪枪管寿命影响研究[J]. 齐玉辉,杨明华,单永海,徐诚. 兵工学报. 2016(11)
[7]大口径火炮膛线结构对滑动弹带弹丸膛内运动影响的数值分析[J]. 许耀峰,丁宏民,徐坚,宁变芳. 兵工学报. 2016(11)
[8]基于铬层与基体结合部疲劳损伤的转管机枪身管寿命预测研究[J]. 徐宁,吴永海,王永娟,徐诚. 兵工学报. 2016(10)
[9]大口径机枪枪管失效规律研究[J]. 乔自平,李峻松,薛钧. 兵工学报. 2015(12)
[10]热模钢渗氮与30SiMn2MoVA镀铬性能比较[J]. 付航涛,张津,黄进峰,连勇,张程,高文. 中国表面工程. 2015(06)
本文编号：3110928
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