彈帶擠進(jìn)膛線過(guò)程摩擦磨損試驗(yàn)及失效機(jī)理分析*

胡慧斌，陳樹(shù)肖，王洪波，曹立軍

（軍械工程學(xué)院，石家莊050003）

彈帶擠進(jìn)膛線過(guò)程摩擦磨損試驗(yàn)及失效機(jī)理分析*

胡慧斌，陳樹(shù)肖，王洪波，曹立軍

（軍械工程學(xué)院，石家莊050003）

彈帶擠進(jìn)膛線是一個(gè)復(fù)雜非線性的力學(xué)過(guò)程。膛線起始部磨損量是身管壽命評(píng)判的重要技術(shù)指標(biāo)之一。為了真實(shí)地反映彈帶擠進(jìn)膛線過(guò)程中膛線起始部的磨損失效過(guò)程，以身管材料PCrNiMo鋼制作銷試樣，以彈帶材料96黃銅制作盤試樣，基于MMS-1G型銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫高速條件下的摩擦磨損試驗(yàn)，測(cè)定PCrNiMo鋼/96黃銅摩擦副在高溫、高速、干滑動(dòng)條件下滑動(dòng)速度和接觸壓力對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率的影響。并應(yīng)用掃描電子顯微鏡對(duì)摩擦表面進(jìn)行觀察，研究滑動(dòng)速度和接觸壓力在銷試樣磨損失效過(guò)程中的影響過(guò)程。結(jié)果表明：滑動(dòng)速度與接觸壓力對(duì)PCrNiMo鋼的摩擦磨損性能有類似的影響規(guī)律，但影響程度不同，都存在敏感變化范圍。

摩擦磨損試驗(yàn)，磨損率，失效機(jī)理，彈帶，膛線

0 引言

火炮射擊時(shí)，彈帶擠進(jìn)膛線過(guò)程是在高溫、高壓火藥氣體的推動(dòng)作用下，彈帶在膛線以及坡膛的碰撞和擠壓作用下，產(chǎn)生彈性變形，繼而發(fā)生塑性變形，最后被膛線侵徹的一個(gè)復(fù)雜非線性的力學(xué)過(guò)程［1-2］。彈帶擠進(jìn)膛線的過(guò)程伴隨著膛線起始部的磨損，而膛線起始部的磨損量是身管壽命評(píng)判的重要技術(shù)指標(biāo)之一。

1 試驗(yàn)設(shè)備

MMS-1G型銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的最高試驗(yàn)溫度為1 000℃，最大摩擦線速度為100 m/s，轉(zhuǎn)速可達(dá)12 000 r/min，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載、卸載、無(wú)級(jí)變速、溫度及轉(zhuǎn)速的數(shù)字顯示，其結(jié)構(gòu)原理圖和實(shí)物圖如下頁(yè)圖1和圖2所示。

2 試驗(yàn)材料

采用與身管膛線相同的材料PCrNiMo鋼制作銷試樣，其化學(xué)成分（質(zhì)量百分比）如表1所示。

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

表1 銷試樣PCrNiMo鋼的化學(xué)成分

采用與彈帶相同的材料96黃銅制作盤試樣，其化學(xué)成分（質(zhì)量百分比）如表2所示。

表2 盤試樣96黃銅的化學(xué)成分

3 試驗(yàn)方法

選取接觸壓力、滑動(dòng)速度和周圍介質(zhì)溫度作為試驗(yàn)設(shè)定參數(shù)，試驗(yàn)時(shí)間為60 s。在每種典型工況下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，通過(guò)取3次試驗(yàn)的平均值確定摩擦系數(shù)和磨損率。

通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上的摩擦力矩傳感器測(cè)得摩擦力矩，摩擦力矩與力臂（力臂是盤試樣的半徑）的商即為摩擦力F，按式（1）計(jì)算出摩擦系數(shù)μ［4］。

式中，F(xiàn)為摩擦力；N為施加在銷試樣上的法向壓力。

磨損量采用測(cè)量磨損失重的方法得到。每次試驗(yàn)前、后，用酒精清洗銷試樣后烘干，采用BS210S電子分析天平（感量為0.1 mg）測(cè)量銷試樣的磨損質(zhì)量損失，按式（2）計(jì)算磨損率W：

其物理意義為單位摩擦功的磨損量。式中ΔW為磨損質(zhì)量損失（mg）；R是平均摩擦半徑，也就是銷試樣摩擦表面與盤試樣的旋轉(zhuǎn)軸中心之間的距離（m）；t為摩擦?xí)r間（sec）；n為盤試樣的轉(zhuǎn)速（r/min）；N為施加在銷試樣上的法向壓力（N）；μ為摩擦系數(shù)［5］。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在給定溫度的條件下（常溫25℃、400℃、500℃、1 000℃），分別考察滑動(dòng)速度和接觸壓力對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率的影響。由于篇幅的限制，僅以500℃條件下的摩擦磨損試驗(yàn)為例，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 滑動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率的影響

圖3 滑動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

從圖3可以看出：摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)速度的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)滑動(dòng)速度在20 m/s～50 m/s之間時(shí)，摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)速度的增加下降較快，說(shuō)明在該滑動(dòng)速度區(qū)間內(nèi)，摩擦系數(shù)對(duì)于滑動(dòng)速度比較敏感；而當(dāng)滑動(dòng)速度在50 m/s～70 m/s之間時(shí)，摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)速度的增加而緩慢降低，說(shuō)明在該滑動(dòng)速度區(qū)間內(nèi)，滑動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響比較小，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖4 滑動(dòng)速度對(duì)磨損率的影響

從圖4可以看出：隨著滑動(dòng)速度的增加，銷試樣的磨損率增加；在滑動(dòng)速度小于等于40 m/s時(shí)，磨損率較小，且磨損率隨著滑動(dòng)速度增加而增大的趨勢(shì)不明顯；當(dāng)滑動(dòng)速度大于40 m/s后，隨著滑動(dòng)速度的增加，磨損率增加的趨勢(shì)明顯，且載荷越大，磨損率增加的趨勢(shì)越明顯。

4.2 接觸壓力對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率的影響

從下頁(yè)圖5可以看出：在滑動(dòng)速度較低時(shí)，隨著接觸壓力的增加，摩擦系數(shù)急速下降，摩擦系數(shù)的波動(dòng)范圍較大，穩(wěn)定性較差；但隨著滑動(dòng)速度的升高，接觸壓力的增加使得摩擦系數(shù)下降的趨勢(shì)逐漸平緩，變得不明顯，比滑動(dòng)速度低時(shí)穩(wěn)定，同時(shí)摩擦系數(shù)也有所降低。

圖5 接觸壓力對(duì)摩擦系數(shù)的影響

圖6 接觸壓力對(duì)磨損率的影響

從圖6可以看出：隨著接觸壓力的增加，銷試樣的磨損率呈線性增加趨勢(shì)；隨著滑動(dòng)速度的增加，銷試樣的磨損率也增加，且滑動(dòng)速度越大，增加的趨勢(shì)就越顯著。究其原因，是在高速高載的條件下，摩擦副產(chǎn)生了大量的摩擦熱，使得摩擦表面發(fā)生軟化，強(qiáng)度降低，發(fā)生嚴(yán)重的塑性流動(dòng)，銷試樣在反復(fù)的機(jī)械作用和熱應(yīng)力作用下，產(chǎn)生大量的磨屑。

5 微觀試驗(yàn)

高速摩擦磨損條件下銷試樣的失效機(jī)理要比低速條件下的失效機(jī)理復(fù)雜得多。為了分析不同滑動(dòng)速度和接觸壓力下銷試樣的失效機(jī)理，對(duì)經(jīng)過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)后的銷試樣，應(yīng)用EDAX型能譜分析儀和SM5610LV型掃描電子顯微鏡，觀察銷試樣高溫高速條件下摩擦磨損后的形貌，并對(duì)摩擦表面的成分進(jìn)行分析，初步探討滑動(dòng)速度和接觸壓力對(duì)摩擦系數(shù)、磨損率的影響，以及銷試樣PCrNiMo鋼的失效機(jī)理。

5.1 滑動(dòng)速度的影響

如圖7（a）所示：在滑動(dòng)速度為20 m/s、接觸壓力為0.66 MPa時(shí)，摩擦表面比較粗糙，摩擦副的接觸表面上出現(xiàn)了金屬轉(zhuǎn)移，這是因?yàn)榻佑|點(diǎn)發(fā)生塑性變形流動(dòng)，并進(jìn)一步形成粘著接點(diǎn)。接點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)方向上長(zhǎng)大并被剪斷，然后又形成新的接點(diǎn)，新接點(diǎn)又被剪斷，隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)行，整個(gè)摩擦表面布滿了被不斷剪斷的接點(diǎn)和轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的黃銅而產(chǎn)生粘著磨損。當(dāng)兩種材料發(fā)生粘著磨損時(shí)，剪斷不一定只發(fā)生在較軟材料一邊，較硬材料也會(huì)粘附到較軟材料表面上去，對(duì)于PCrNiMo鋼/96黃銅摩擦副來(lái)說(shuō)，不僅黃銅轉(zhuǎn)移到鋼上面去，而且鋼也會(huì)轉(zhuǎn)移到黃銅上面去，只是數(shù)量上比黃銅的轉(zhuǎn)移要少得多［6］。導(dǎo)致磨粒磨損過(guò)程的產(chǎn)生，是由于銅離子的冷作硬化所致，也可能是由于鋼質(zhì)粒子脫離鋼銷而粘附到銅表面上所致，只是鋼銷的磨損量較小，因而磨損率較低。

圖7 不同滑動(dòng)速度下磨損表面的掃描電鏡照片和能譜分析

如圖7（c）所示：隨著摩擦磨損過(guò)程的進(jìn)行，大量的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，塑性變形進(jìn)一步增大，當(dāng)滑動(dòng)速度達(dá)到70 m/s、接觸壓力為1 MPa時(shí)，動(dòng)能比低速時(shí)要大的多，在摩擦過(guò)程中轉(zhuǎn)化為熱能，使摩擦表面溫度逐漸升高，這會(huì)造成基體塑性變形程度增加而使摩擦表面光滑形成薄膜，摩擦系數(shù)降低，同時(shí)銷試樣表面硬度下降，表面出現(xiàn)了剝落坑，導(dǎo)致磨損率增加。這與圖3和圖4中摩擦系數(shù)與磨損率隨滑動(dòng)速度的變化趨勢(shì)一致。

5.2 接觸壓力的影響

在試驗(yàn)結(jié)果分析中可以看出，銷試樣的摩擦系數(shù)隨著接觸壓力的增加有減小的趨勢(shì)，同時(shí)磨損率卻顯著地增加。這種影響是通過(guò)對(duì)接觸面積的大小和變形程度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，增加接觸壓力使兩個(gè)接觸表面的真實(shí)接觸面積增加。但在一般接觸條件下，實(shí)際接觸面積并不與法向壓力成正比，而是與載荷的平方根或者立方根成正比，增加得緩慢一些。因此，接觸壓力的增加會(huì)使摩擦系數(shù)降低。同時(shí)，由于接觸面積的增加，變形程度加劇，還使得產(chǎn)生的磨損粒子增多且不易從接觸區(qū)排出，從而使磨損加劇。

圖8 不同接觸壓力下磨損表面的掃描電鏡照片

如圖8（a）所示：當(dāng)載荷為0.66 MPa、速度為70 m/s時(shí)，摩擦副表面由于受到重復(fù)性的機(jī)械作用和熱應(yīng)力，致使銷試樣出現(xiàn)低周期熱疲勞磨損，銷試樣的摩擦表面上面出現(xiàn)裂紋，但是裂紋的數(shù)量相對(duì)較少，因而出現(xiàn)剝層脫落的幾率小。如圖8（b）所示，隨著接觸壓力的增加，外界環(huán)境對(duì)摩擦副輸入的能量增加，導(dǎo)致摩擦副產(chǎn)生的摩擦熱也相應(yīng)地增加，從而造成摩擦表面溫度的進(jìn)一步升高，熱應(yīng)力加劇，表現(xiàn)在銷試樣的表面上就是裂紋數(shù)目的增加；如圖8（c）所示，根據(jù)摩擦學(xué)理論，在高速高載條件下，摩擦副滑動(dòng)時(shí)，表層下的位錯(cuò)很少，位錯(cuò)主要集中在離開(kāi)表層有一定距離處。位錯(cuò)的大量積聚將產(chǎn)生微孔隙，這些孔隙或者因?yàn)殚L(zhǎng)大或者因?yàn)椴牧鲜芗舳饋?lái)，從而產(chǎn)生與磨損面平行的裂紋，當(dāng)裂紋達(dá)到極限長(zhǎng)度時(shí)，位于銷試樣表面的材料就以薄瓣?duì)畹男问絼兟湎聛?lái)。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）在給定試驗(yàn)溫度的條件下（常溫25℃、400℃、500℃、1 000℃），滑動(dòng)速度與接觸壓力對(duì)PCrNiMo鋼/96黃銅摩擦副摩擦磨損性能有類似的影響規(guī)律，但在不同的滑動(dòng)速度與接觸壓力下，滑動(dòng)速度與接觸壓力對(duì)摩擦磨損性能的影響程度不同。

（2）在中等大小的滑動(dòng)速度與接觸壓力范圍內(nèi)，PCrNiMo鋼/96黃銅摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損率對(duì)滑動(dòng)速度和接觸壓力的改變十分敏感，因此，材料的摩擦磨損特性存在著敏感的滑動(dòng)速度和接觸壓力范圍。

［1］張喜發(fā)，盧興華.火炮燒蝕內(nèi)彈道學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［2］張樹(shù)霞.彈帶擠進(jìn)過(guò)程的有限元分析［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2008,27（2）：51-52.

［3］Sun H Y,Ma J S,Yao J J.Dynamic Analysis on the Rotating Band’s Engraving Process［C］//Advanced Material Research, Trans Tech Publications，Switerland,2010.

［4］張永振，賈利曉.材料干滑動(dòng)摩擦磨損性能的研究進(jìn)展[J].潤(rùn)滑與密封，2010，35（9）：1-7.

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Tribological Test and Failure Mechanism Analysis of Driving Band’s Engraving Processunder

HU Hui-bin，CHEN Shu-xiao，WANG Hong-bo，CAO Li-jun
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Driving band’s engraving process is a complex and nonlinear dynamic behavior.The wear extent of land’s starting area is an important technical index to denote the barrel life.PCrNiMo steel is used to produce pin samples and yellow brass is used to produce disc samples.Tribological test based on MMS-1G pin-on-disk tribological tester is carried out to study the tribological characteristics and explore the surface wear mechanism under high-speed,elevated-temperature and dry-sliding conditions.Morphologies of wear surface are studied by SEM and the influences of sliding velocity and contacting pressure on wear surface are generalized.Test results indicate that the influences of sliding velocity and contacting pressure on tribological characteristics of PCrNiMo steel are similar,but their influence extents are different,and they all have sensitive variation ranges.

tribological test，wear rate，failure mechanism，driving band；land

TP391.9；TJ303

A

1002-0640（2015）12-0167-04

2014-11-08

2015-01-19

總裝軍內(nèi)科研項(xiàng)目（裝X字[2013]609號(hào)）

胡慧斌（1980-），女，河北滄州人，博士。研究方向：武器系統(tǒng)仿真與信息化。