激光淬火基體對身管鍍鉻層界面裂紋形成的影響

摘 要:身管鍍鉻層失效解剖分析表明:鍍鉻層界面裂紋的形成起源于鉻層/基體界面自由邊的斷裂。在此基礎(chǔ)上，采用激光離散淬火基體再鍍鉻的復(fù)合工藝，新工藝鍍鉻身管靶場實驗結(jié)果表明:激光淬火基體可以提高界面自由邊抗斷裂的能力。通過對界面結(jié)構(gòu)和鉻層界面研究和激光淬火鋼基體的特點分析，得出提高的結(jié)論是:提高了界面兩側(cè)材料的強度和改變了鉻層界面的生長方式以及基體殘余壓應(yīng)力緩解了界面剝落應(yīng)力。

關(guān)鍵詞:界面 斷裂 鉻層 激光淬火

中圖分類號:TN24文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)07(b)-0115-02

由于鉻的低摩擦系數(shù)和高熔點以及耐腐蝕等優(yōu)點，幾十年來，采用鍍鉻方法對身管基體進行防護成為提高身管壽命的主要手段，但鉻層從基體上剝落成為影響鍍鉻身管壽命的關(guān)鍵問題[1-2]，為此提高鉻層的抗剝落能力也就成為鍍鉻身管延壽的技術(shù)難點。

鋼基體上鍍鉻的界面結(jié)合屬于金屬鍍層結(jié)合，在良好的工藝條件下，其界面結(jié)合強度等于甚至高于基體的強度。根據(jù)涂層和基體之間的界面結(jié)合強度差異，可將涂層分為強界面和弱界面涂層兩種情況，而金屬鍍層結(jié)合屬于前者。目前，對界面裂紋形成過程的失效分析主要集中在弱界面涂層，其結(jié)論是:涂層表面裂紋在界面處偏折，演化成界面裂紋。對大口徑加農(nóng)炮的鍍鉻炮管和小口徑機槍鍍鉻槍管解剖實驗表明:前者鉻層表面裂紋進入基體，但鉻層失效形式為沿界面剪切剝落，不形成界面裂紋;而后者以鉻層表面裂紋進入基體后分叉形成次界面裂紋，相鄰次界面裂紋匯合導(dǎo)致鉻層剝落失效。由此可見，由于不同口徑的身管工況條件不同，其鉻層剝落失效的方式也不同。

為了解決我國某種型號鍍鉻身管壽命問題，利用激光離散淬火預(yù)處理基體提高鍍鉻身管壽命的工藝措施被提出來，其效果達到了預(yù)期目的，具體射擊技術(shù)參數(shù)在文獻已做了報導(dǎo)。為了揭示該新工藝提高鍍鉻身管壽命的機理，本文先對該型號原始鍍鉻身管進行解剖，對界面裂紋形成過程進行分析。在此基礎(chǔ)上，對新工藝的鍍鉻身管進行同樣的解剖，對激光淬火區(qū)和原始區(qū)的界面裂紋形成情況作對比分析。并利用離子刻蝕研究界面結(jié)構(gòu)的方法和研究鉻層界面組織形貌的化學腐蝕去基體法以及激光淬火可以得到高強度的馬氏體和殘余壓應(yīng)力的特點，就激光淬火對鉻層界面自由邊斷裂的影響機理進行探討。

1 鍍鉻層界面裂紋形成過程分析

取某種型號鋼基體上鍍鉻的壽終身管作研究對象。利用線切割設(shè)備，沿軸向方向，將身管一分為二，先作軸截面內(nèi)的裂紋形貌分析。為了分析界面裂紋形成過程，在沿軸線方向的不同位置取小試樣，進行磨、拋后，得到圖1所示的界面裂紋形成過程演化圖。a)表明:鉻層表面裂紋進入基體，并沒有形成界面裂紋。根據(jù)表面裂紋在界面處偏折的判斷準則[13]可知:界面結(jié)合強度要高于基體的，這和金屬鍍層的界面結(jié)合強度要高于基體的電鍍理論解釋是相一致的。(b)表明:當裂紋在基體擴展到一定的長度時，在鉻層表面裂紋與界面相交的根部，形成界面裂紋。(a)和(b)的鉻層厚度不同，是由于前者比后者更靠近槍口，受到彈丸磨損小的緣故。由于本文研究的內(nèi)容是界面裂紋形成過程，因此不影響界面裂紋形成過程的演化分析。

圖1可以表明:對于鋼基體上鍍鉻界面，即使表面裂紋直接進入基體，并沒有在界面偏折，但隨著裂紋在基體內(nèi)部擴展長度的增加，才形成界面裂紋。如果表面裂紋在界面偏折后演化成界面裂紋，表面裂紋不會在基體內(nèi)繼續(xù)延續(xù);而裂紋分叉又是指在裂紋尖端處形成新的裂紋。很顯然，本文的界面裂紋形成不屬于裂紋偏折和分叉情況。

2 界面自由邊斷裂分析

為了進一步分析界面裂紋形成的演化過程，在上述軸截面內(nèi)對鉻層表面裂紋形貌分析的基礎(chǔ)上，進行鉻層表面形貌的分析，得到圖2。圖2表明:鉻層表面裂紋形貌是很不規(guī)則，采用化學去掉鉻層的方法，就會發(fā)現(xiàn)這些表面裂紋就是軸截面內(nèi)進入基體的裂紋，把這些裂紋稱之為主裂紋。結(jié)合(a)和(2)可知:由這些主裂紋將鉻層和部分基體同其它部分隔離開，形成“孤島”。為了分析方便，將這些不規(guī)則的“孤島”取出，簡化成圖3所示的矩形立方體雙材料結(jié)構(gòu)，圖中的上層表示鉻層，下層表示基體，基體的厚度(h2)是進入基體裂紋的長度與鉻層厚度(h2)之差。圖3表明:由表面裂紋的面和界面相交所形成的線，就是界面自由邊。則鉻層界面裂紋的形成就屬于界面自由邊斷裂問題，即界面裂紋的形成起源于鉻層/基體在界面自由邊的斷裂，而非表面裂紋在界面偏折或基體內(nèi)分叉的原因。

由于自由邊的存在，在該處存在應(yīng)力奇異性現(xiàn)象，即該處的界面應(yīng)力(稱之為剝落應(yīng)力)遠遠大于遠離自由邊的數(shù)值，界面斷裂先從自由邊開始。自由邊應(yīng)力強度因子隨雙材料層厚度比值(h1/h2)的變化關(guān)系理論結(jié)果表明:隨著比值的減小，應(yīng)力強度因子增加，即增加了界面自由邊斷

裂的可能性。(a)、(b)的厚度對比和界面裂紋形成現(xiàn)象與上述理論結(jié)果相一致，則說明界面自由邊斷裂與進入基體的裂紋長度有關(guān)。這也與鉻層剪切剝落與進入基體的裂紋長度呈正比關(guān)系的炮管解剖現(xiàn)象相吻合。

3 激光淬火基體對界面自由邊斷裂的影響

3.1 激光離散淬火處理基體

利用YAG激光器對上述分析的同種型號身管的內(nèi)膛進行周期性離散淬火預(yù)處理，然后鍍鉻。形成了圖4所示的沿基體界面離散化的激光淬火區(qū)、原始基體區(qū)相結(jié)合的鍍鉻層/基體結(jié)構(gòu)。

3.2 靶場實驗結(jié)果

對上述離散激光處理的鍍鉻身管進行3000發(fā)靶場實驗，對射擊后的身管進行同樣的失效解剖分析。取淬火區(qū)和原始區(qū)上的鉻層均斷裂的軸向試樣，進行磨、拋光后，利用0.3%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，得到如圖5所示的垂直激光掃描方向的軸截面圖。圖5表明:在激光淬火區(qū)和原始區(qū)上的鉻層均發(fā)生斷裂、并且裂紋進入基體，激光淬火基體的裂紋明顯要長于原始基體的。

為了比較激光淬火區(qū)和原始區(qū)的界面裂紋形貌，對表面裂紋與界面相交處進行放大，得到圖6。圖6表明:盡管激光淬火區(qū)的表面裂紋要長于原始基體的，但激光淬火區(qū)沒有形成界面裂紋，而原始基體的則形成了界面裂紋。說明激光淬火基體提高了界面自由邊抵抗斷裂的能力。

4 激光淬火基體影響因素分析

4.1 基體殘余壓應(yīng)力的影響

眾所周知，激光淬火鋼基體，可以在基體表面形成殘余壓應(yīng)力，這就在鉻層和原始基體之間形成了一個具有殘余壓應(yīng)力的中間層。對殘余應(yīng)力與外載荷產(chǎn)生的自由邊應(yīng)力進行疊加，利用有限元進行殘余應(yīng)力對自由邊剝落的影響分析表明:殘余壓應(yīng)力可以降低界面自由邊的剝落應(yīng)力值，故也提高了鉻層界面自由邊抗斷裂的能力。

4.2 激光處理區(qū)硬度提高的影響

激光淬火基體增加了基體表面的硬度，進而提高了界面的強度，提高了鉻層與基體的界面結(jié)合強度，因此控制了激光處理區(qū)的界面裂紋的形成。

5 結(jié)論

通過對鍍鉻身管失效解剖分析表明:鋼基體上鍍鉻的界面裂紋形成是界面自由邊斷裂的結(jié)果。激光淬火基體可以提高鍍鉻層界面自由邊抗斷裂的能力，其原因是:

(1)通過改變鉻層生長方式，消除鉻層和基體之間的中間層，提高了界面結(jié)合強度。

(2)激光淬火基體得到的高強度馬氏體和鉻層初始生長層強度的提高，增加了界面附近材料的強度。

(3)激光淬火得到的基體表面殘余壓應(yīng)力減緩了自由邊的剝落應(yīng)力。

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