彈丸膛內(nèi)運動過程中彈帶塑性變形的宏觀與微觀機理研究

殷軍輝，鄭堅，倪新華，賈長治，崔凱波

(軍械工程學(xué)院 火炮工程系，河北 石家莊050003)

火炮發(fā)射時膛內(nèi)的高溫高壓環(huán)境，使銅質(zhì)彈帶承受了高強度沖擊載荷與高速摩擦，因而彈帶在膛內(nèi)運動期間發(fā)生的復(fù)雜塑性變形可視為一種特殊的熱加工過程。雖然目前國內(nèi)外在銅及其合金等金屬加工方面的研究更為深入，但主要集中于低速擠壓時的塑性變形、微觀組織演變等問題［1－2］，并以提高塑性為首要目標，而在金屬材料及冶金研究的相關(guān)領(lǐng)域中，又大多以恒溫、常壓、靜載荷或漸加載荷為前提［3－4］，對于彈帶擠進時的這種高溫瞬態(tài)形變的內(nèi)在機理尚缺乏比較充分的認識，這方面成果并不多見。研究表明［5］，靜載荷與沖擊載荷對金屬材料的物理形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響差異很大，再加上高溫與高速摩擦等復(fù)雜因素造成的某些不易預(yù)見的影響，導(dǎo)致銅及其合金在這種特殊工況下的塑性變形與工業(yè)生產(chǎn)中的金屬加工過程存在本質(zhì)區(qū)別，因而這方面的研究成果極為有限。近年來，宏觀、細觀及微觀分析相結(jié)合已成為材料性能研究的重要技術(shù)手段［6］，在很多領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，對于一些宏觀力學(xué)無法找出規(guī)律更難以闡明原因的問題，更加凸顯出細觀與微觀研究的重要意義。

本文結(jié)合銅質(zhì)彈帶在彈丸膛內(nèi)運動過程中的受力變形特征，基于金屬材料學(xué)理論研究彈帶的硬度分布及組織演變規(guī)律，從細觀及微觀尺度上探索彈帶產(chǎn)生宏觀塑性變形的機理，并分析其中的內(nèi)在聯(lián)系，此項工作可以為研究彈帶與膛線間的相互作用提供較為合理可靠的實驗依據(jù)。

1 試驗方法與儀器

選取目前彈丸上廣泛使用的某型銅彈帶作為研究對象，取樣時采用電腐蝕線切割技術(shù)，以避免機械切割引起的彈帶塑性變形干擾試驗結(jié)果。經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光、浸蝕，得到圖1所示的彈帶試樣。

圖1 制備好的某型彈帶試樣Fig.1 Specimen of bearing band

依次進行如下試驗:采用HXS－1000 顯微硬度計測量彈帶表層區(qū)域的維氏硬度，載荷200 g，加載時間15 s;采用OLYMPUS－DP12 金相顯微鏡觀察其顯微結(jié)構(gòu)并進行細觀組織分析;用S－4800 型掃描電鏡(SEM)觀察彈帶試樣微觀組織與形貌，加速電壓10 kV.

2 彈帶宏觀力學(xué)性能的研究

塑性變形對彈帶宏觀力學(xué)性能的影響，主要體現(xiàn)在變形量相對較大的局部區(qū)域硬度、塑性均有所提高，因此將精度較高的維氏硬度作為衡量彈帶各區(qū)域宏觀力學(xué)性能的指標參數(shù)。

試驗儀器采用HXS－1000 數(shù)字式顯微硬度計，測試載荷200 g，加載時間15 s，依據(jù)文獻［7］第1 部分:試驗方法進行彈帶硬度分布規(guī)律研究。依據(jù)圖2中彈帶試樣不同區(qū)域顯微組織的形貌特征，將試樣劃分為A～J 區(qū)域。按照以上硬度試驗方法得到各區(qū)域的維氏硬度值如圖3所示。

從試驗結(jié)果來看，區(qū)域D 的硬度顯著高于其他位置，B、C、F、H、I 區(qū)域的硬度次之，而A、J 區(qū)域內(nèi)的硬度則明顯變低，E、G 區(qū)硬度最小。

圖2 彈帶試樣中的層狀結(jié)構(gòu)與典型區(qū)域劃分Fig.2 Different layers and regions of specimen

圖3 彈帶試樣中各典型區(qū)域的維氏硬度Fig.3 Vickers hardness in typical regions of specimen

3 彈帶微觀組織形成機理研究

3.1 金相分析

觀察結(jié)果顯示，不同位置的組織形貌由于所受膛內(nèi)載荷不同而存在差異，彈帶剖面呈現(xiàn)出較為明顯的層狀特征，部分區(qū)域混雜有多種類型的組織，比較典型的有纖維組織、條狀晶粒、較大尺寸等軸晶粒以及細小等軸晶粒。選取圖2中A～J 各區(qū)域的典型圖像分別列于圖4(a)～(j).

圖4 彈帶試樣的金相顯微圖像Fig.4 Microscopy images of specimen

金相顯微圖4(a)～(d)分別顯示圖2中的A～D 區(qū)域(深黑色部分為鑲嵌材料)，其中A 區(qū)內(nèi)大部分晶粒呈等軸狀且尺寸較為均勻，說明該區(qū)域幾乎沒有因外界載荷作用而發(fā)生塑性變形;B 區(qū)內(nèi)晶粒多呈條狀，晶粒走向基本平行于正上方的彈帶凹陷部邊緣，為陽線擠壓所致;C 區(qū)內(nèi)的晶粒外形為粗大長條狀，晶粒走向大體一致并與上方邊緣平行，同樣是陽線擠壓造成的;D 區(qū)內(nèi)的晶粒則沿拐角處的外部輪廓而呈現(xiàn)十分明顯的流線形，外層的狹長纖維組織與內(nèi)側(cè)的條狀晶粒均為陽線及導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)擠壓而成。

圖4(e)取自E 區(qū)，其晶粒走向與C 區(qū)和D 區(qū)相連續(xù)，仍然保持著與外部輪廓平行的趨勢，其中彈帶表層即圖4(e)左側(cè)邊緣在沖擊載荷作用下因變形程度大而依次出現(xiàn)細小晶粒(橢圓①內(nèi)白色箭頭所指)和纖維組織(橢圓①內(nèi)黑色箭頭所指)，晶粒尺寸由外至內(nèi)逐漸增大而演化為較大的條狀晶粒(如圖4(e)橢圓②內(nèi))。

圖4(f)取自F 區(qū)，總體上該區(qū)域內(nèi)的晶粒尺寸比試樣中央的等軸晶小得多，且個別大晶粒(如圖4(f)橢圓①內(nèi)箭頭所示)與細小晶粒混雜(即形成混晶)。下方很多沿彈帶徑向(與膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)基本平行)的條狀晶粒(如圖4(f)中橢圓②、③內(nèi)箭頭所示)說明，對于該型彈帶而言，凸起部受膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的切向擠壓力略大于陰線施加的徑向載荷。

圖4(g)對應(yīng)G 區(qū)，彈帶外部輪廓處存在大量細小晶粒，后經(jīng)SEM 分析證實為再結(jié)晶組織，其形成機理為:該區(qū)域位于彈帶凸緣至側(cè)壁的拐角處，在擠進后的膛內(nèi)運動過程中，彈帶受膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)與陰線交界部位的劇烈摩擦而迅速升溫，從并導(dǎo)致局部再結(jié)晶。

圖4(h)顯示區(qū)域H，晶粒沿外輪廓(圖像右上方箭頭所指)方向延伸為條狀(橢圓①內(nèi)晶粒)，由于該區(qū)域受膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)與陽線交界處的較大擠壓載荷，個別晶粒破碎現(xiàn)象嚴重(橢圓②內(nèi))。

圖4(i)顯示的I 區(qū)為彈帶內(nèi)層與彈體連接處，晶粒由大到小過渡明顯，圖像上端因接近試樣中部而在形貌上體現(xiàn)為等軸晶，下端晶粒被顯著拉伸而形成纖維組織，同時晶粒內(nèi)部在同一方向出現(xiàn)滑移帶。

圖4(j)顯示J 區(qū)，以尺寸較大的等軸晶為主，與文獻［8］中退火純銅的金相圖基本一致，說明彈帶內(nèi)部區(qū)域在擠進過程中未發(fā)生大尺度塑性變形。

3.2 條狀晶粒的SEM 分析

圖5(a)為彈帶試樣中的條狀晶粒放大600 倍的結(jié)構(gòu)，其中多數(shù)晶粒呈現(xiàn)條狀，但從觀察結(jié)果看晶粒變形并不十分明顯。若將其白色方框內(nèi)區(qū)域放大至20 000 倍，則可以發(fā)現(xiàn)條狀晶粒實際上被大量亞晶界分隔為尺寸極為細小的亞晶粒，而且這些亞晶界中的位錯聚集形成了走向基本一致但并不連續(xù)的位錯帶(沿圖5(b)中X 軸指向，大體與擠壓載荷的方向相同)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的細觀機理在于:瞬時擠壓載荷作用下的彈帶外層組織發(fā)生約15%～20%的塑性變形(沿圖5(b)中Y 軸方向拉伸)，同時伴隨以趨于受力方向的晶面轉(zhuǎn)動，使原為任意位向的各晶粒逐漸調(diào)整取向而彼此趨于一致，這種擇優(yōu)取向的效應(yīng)使彈帶外層組織體現(xiàn)出十分明顯的晶體異向性特征［9］，在宏觀力學(xué)指標上表現(xiàn)為該區(qū)域的材料硬度顯著提高，這一點與維氏硬度分析結(jié)果相吻合。

圖5 彈帶試樣外層條狀晶粒的SEM 圖像(由細觀至微觀)Fig.5 SEM images of long trip grains in outer layer of specimen

3.3 細小晶粒與纖維組織分析

圖6為彈帶試樣放大2 000 倍后的最外層細小晶粒，SEM 圖像表明該區(qū)域內(nèi)形成了大量尺寸比較均勻的等軸晶(如區(qū)域①、②、③內(nèi))，這說明彈帶在膛線沖擊載荷作用下發(fā)生劇烈塑性變形所形成的纖維組織，已經(jīng)在高速摩擦作用下急劇升溫而發(fā)生了表層再結(jié)晶，且部分晶粒略有長大。

與工業(yè)生產(chǎn)中金屬熱處理時的再結(jié)晶相比，彈帶表層再結(jié)晶極為特殊，首先由于擠進時的高強度沖擊載荷瞬間賦予彈帶表層金屬極大的塑性變形量，然后在膛內(nèi)高速運動時由于劇烈摩擦作用和火藥氣體的熱傳遞，表層溫度迅速升高并超過再結(jié)晶溫度，導(dǎo)致擠進形變時儲存的大量自由能幾乎瞬間釋放，點陣缺陷得以減少甚至消除，最終在出膛后冷卻為無畸變的新晶粒。

圖6 彈帶擠進后再結(jié)晶組織的SEM 圖像Fig.6 SEM image of recrystallization structure on surface of bearing band after extrusion

圖7為試樣外層纖維組織的微觀形貌，從中可以觀察到由浸蝕坑相接而成的鏈狀結(jié)構(gòu)，由此可估計該區(qū)域纖維組織的塑性變形量應(yīng)為60%左右，同時也進一步證實彈帶內(nèi)部各區(qū)域的形貌差異顯著。

圖7 彈帶擠進后外層纖維組織的SEM 圖像Fig.7 SEM image of fibrous tissue in outer layer of bearing band after extrusion

4 彈帶膛內(nèi)塑性變形機理分析

根據(jù)彈帶細觀與微觀組織分析結(jié)論，膛內(nèi)運動結(jié)束后的彈帶可大致劃分成表層細小晶粒區(qū)、外層纖維組織區(qū)、中間層條狀晶粒區(qū)和內(nèi)層等軸晶粒區(qū)四個區(qū)域。參照前面的分析，推斷彈帶在彈丸膛內(nèi)運動過程各階段中的塑性變形機理為:

1)彈帶擠進初期，溫度略有升高但基本保持常溫，可視為逐層發(fā)生剪切與擠壓效應(yīng)的冷塑性變形過程，強度和硬度均顯著提高即產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。隨著擠進的深入，彈帶徑向的過盈部分被膛線剪切而推擠到彈帶后方或粘附在膛壁上，與陽線相對的多余材料被膛線剪切后，一部分被推擠到彈帶后方，另一部分隨接觸面增大而逐漸擠入陰線并形成彈帶側(cè)壁表層的纖維組織。

2)彈帶擠進后期，彈后空間火藥燃燒產(chǎn)生的高溫不斷向坡膛和彈丸傳遞，再加上彈帶變形量較大且與膛線的摩擦十分劇烈，因而彈帶表層升溫很快，在擠進完成后迅速超過其再結(jié)晶溫度(紫銅僅為200 ℃～280 ℃，黃銅略高)，彈帶最外層的部分纖維組織歷經(jīng)回復(fù)、再結(jié)晶過程而演變?yōu)榧毦ЫM織(彈帶表層出現(xiàn)的細小晶粒使這一推斷得到證實)。由于塑性變形所引起的彈帶表層硬化隨彈帶變形立即產(chǎn)生，而再結(jié)晶過程則需要持續(xù)一段時間才能完成，所以整個彈帶擠進過程中發(fā)生的表層硬化，并不能被其后的再結(jié)晶過程完全消除，最終形成細小晶粒區(qū)域內(nèi)側(cè)仍留有較厚的纖維組織即加工硬化層這一特殊結(jié)構(gòu)，觀察證實此結(jié)構(gòu)是存在的。

3)彈丸在直膛段的運動過程中，因火藥燃燒及劇烈摩擦而使彈帶表層承受了近千攝氏度的持續(xù)高溫。受技術(shù)條件所限，目前對于火炮射擊完成瞬間的膛壁溫度尚無十分精確可靠的結(jié)論，但大量理論分析［10］與測試結(jié)果［11］仍然可以表明，峰值溫度至少應(yīng)為1 000 ℃，因而彈帶表面極有可能在擠進完成后就已經(jīng)遠遠超過200 ℃～280 ℃的再結(jié)晶溫度，這將導(dǎo)致彈帶表層在進一步塑性變形的同時發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，從而使擠進初期形成的部分纖維組織因獲得近乎穩(wěn)定的流變應(yīng)力而發(fā)生熱軟化甚至局部熔化。高滑動速度下固體摩擦磨損的研究結(jié)果［12］表明，高速摩擦的金屬表面溫度可達到材料熔點，在接觸區(qū)產(chǎn)生很薄的熔化金屬潤滑膜［13］，使彈帶與膛壁間的摩擦略有緩解，這種由熱軟化金屬組織與高硬度纖維組織形成的“軟—硬”結(jié)構(gòu)類似于減磨鑄鐵，前者表面利于潤滑，后者則主要承受外界載荷，此特殊結(jié)構(gòu)可以在一定程度上抑制塑性變形向彈帶內(nèi)層的進一步延伸。

5 結(jié)論

通過彈帶硬度分布及組織演變規(guī)律的研究，從細觀與微觀尺度上分析其宏觀塑性變形機理，試驗與理論分析所得結(jié)論可歸納為:

1)細觀與微觀組織分析結(jié)果表明，彈帶剖面體現(xiàn)出較為明顯的層狀特征，其形貌由外層向內(nèi)層依次呈現(xiàn)細小等軸晶、纖維組織、條狀晶粒以及大尺寸等軸晶。對比各區(qū)域硬度，以纖維組織最高，而表層局部區(qū)域的細小等軸晶最低。

2)對于該型彈帶，凸起部受膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的切向擠壓力略大于陰線施加的徑向載荷。彈帶凸緣至側(cè)壁的拐角處出現(xiàn)小尺寸等軸晶，經(jīng)SEM 分析證實為再結(jié)晶組織，應(yīng)為劇烈摩擦作用下迅速升溫所致。

3)彈帶擠進初期，變形量大但溫度較低，塑性變形過程應(yīng)視為冷加工。隨著摩擦加劇及膛內(nèi)急速升溫，彈帶表層發(fā)生再結(jié)晶，與膛線緊密接觸的局部溫度峰值接近熔點，產(chǎn)生的金屬潤滑膜使彈帶與膛壁間的摩擦略有緩解，此特殊結(jié)構(gòu)對于塑性變形向彈帶內(nèi)層的延伸起到一定抑制作用。

以上結(jié)論，有助于研究彈帶與膛線間相互作用、彈丸膛內(nèi)運動過程等多年來的難點問題，并可以為內(nèi)彈道機理分析提供一定實驗依據(jù)。

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