激光淬火基体对身管镀铬层界面裂纹形成的影响

激光淬火基体对身管镀铬层界面裂纹形成的影响 镀铬身管寿命的工艺措施被提出来 , 其效 沿轴线方向的不同位置取小试样, 钢基体上镀铬的界面结合属于金属镀[ 3] 层结合 , 在良好的工艺条件下 , 其界面结 抛后, 得到图1 所示的界面裂纹形成 果达到了预期目的 , 具体射击技术参数在 [4 ]合强度等于甚至高于基体的强度。根据涂 [9 ]化图。图1( a) 明:铬层表面裂纹进 已做了报导。为了揭示该新工艺提高 文献层和基体之间的界面结合强度差异 , 可将 镀铬身管寿命的机理 , 本文先对该型号原 并没有形成界面裂纹 。根据表面 裂[5 ]涂层分为强界面和弱界面涂层两种情况, [ 1 3 ] [3-4]始镀铬身管进行解剖 , 对界面裂纹形成过 可知 : 界 面 面处偏折的判断准则 而金属镀层结合属于前者。目前,对界面 程进行。在此基础上, 对新工艺的镀铬 度要高于基体的 , 这和金属镀层 的 裂纹形成过程的失效分析主要集中在弱界 [ 6] 面涂层 , 其结论 是 :涂层表面裂纹在界面 身管进行同样的解剖 , 对激光淬火区和原 合强度要高于基体的电镀理论解处偏折, 演化成界面裂纹。对大口径加农炮 一致的 。图1( b) 表明:当裂纹在基 体 始区的界面裂纹形成情况作对比分析 。并 的镀铬炮管和小口径机枪镀铬枪管解剖实 [10 ]一定的长度时 , 在铬层表面裂纹 与 利用离子刻蚀研究界面结构的方法和研 [ 7] 验表明 :前者 铬层表面裂纹进入基体 , 但 交的根部,形成界面裂纹。图1(a)和 究铬层界面组织形貌的化学腐蚀去基体法 铬层失效形式为沿界面剪切剥落 , 不形成 [11]以及激光淬火可以得到高强度的马氏体 铬层厚度不同 , 是由于前者比后 者 [ 1 2 ] 和残余压应力的特点 枪口, 受到弹丸磨损小的缘故。由于 , 就激光淬火对铬 究的是界面裂纹形成过程 , 因 响界面裂纹形成过程的演化分析 图1可以表明:对于钢基体上镀 即使表面裂纹直接进入基体,并没有 偏折,但随着裂纹在基体内部扩展长 加,才形成界面裂纹。如果表面裂纹 偏折后演化成界面裂纹,表面裂纹不 体内继续延续;而裂纹分叉又是指在 端处形成新的裂纹。很显然,本文的 纹形成不属于裂纹偏折和分叉情况 2 界面自由边断裂分析 为了进一步分析界面裂纹形成 图1 ( a ) 图1 ( b ) 铬层表面进入基体形貌界面裂纹形貌过程 , 在上述轴截面内对铬层表 面 图1界面裂纹形成过程貌分析的基础上 , 进行铬层表面 形 析 , 得到图 2 。图 2 表明 :铬层表面裂 图2 铬层表面裂纹的表面形貌 图3 图4 基体离散处理镀铬层结构示 界面自由边断裂模型 ?作者简介 :郭长城 , 男 , 助理工程师 , 单位 :江海职业技术学院 、机电工程系。 2012 NO.20 Science and Technology Innovation Herald 工 程 技 术 铬层界面自由边抗断裂的能力, 其原因是: ( 1) 通过改变铬层生长方式 , 消除铬层 和基体之间的中间层 , 提高了界面结合强 度。 ( 2) 激光淬火基体得到的高强度马氏体 和铬层初始生长层强度的提高 , 增加了界 面附近材料的强度。 ( 3) 激光淬火得到的基体表面残余压应 力减缓了自由边的剥落应力。 图5 离散基体裂纹轴截面形貌 参考文献 [1] S . S o p ok a , C . R i c k a r d , S . D u n n b . T h e r - mal chemical mechanical gun bore ero- s i on of a n a d va nc ed a r t i ller y s yst em pa r t one:t heor ies an d mech an is ms [ J ] . W e a r , 2 0 0 5 , 2 5 8 : 6 5 9 - 6 7 0 . [2] S . S o p o k , C . R i c k a r d , S . D u n n b . T h e r m a l c h emi c a l–mec h a n i c a l gu n b or e er o- s i on of a n a d va nc ed a r t i ller y s yst em par t two:modeling a nd pr ed ictions [ J ] . 图6 ( a ) 激光淬火区的界面 图6 ( b ) 原始基体的界面 W e a r , 2 0 0 5 , 2 5 8 : 6 7 1 - 6 8 0 . 图6 界面裂纹比较[3] 徐滨士 , 朱绍华 . 表面工程的理论与技 [9]术 [ M ] . 北京国防出版社 , 1 9 9 9 : 1 9 4 -是很不规则, 采用化学去掉铬层的方法 , 就 3000发靶场实验,对射击后的身管进行同 1 9 6 . 会发现这些表面裂纹就是轴截面内进入基 样的失效解剖分析 。取淬火区和原始区上 [4] 黄子勋 , 吴纯素 . 电镀理论 [ M ] . 北京 : 中 体的裂纹, 把这些裂纹称之为主裂纹。结合 的铬层均断裂的轴向试样 , 进行磨 、抛光 国农业机械出版社 , 1 9 8 2 : 7 6 , 2 6 . 图 1 ( a ) 和 ( 2 ) 可知 :由这些主裂纹将铬层和 后, 利用0.3% 的硝酸酒精溶液进行腐蚀, 得 [5] A . G . E v a n s , J . W . H u t c h i n s o n . T h e 部分基体同其它部分隔离开, 形成“孤岛”。 到如图5 所示的垂直激光扫描方向的轴截 thermomechanical integrity of thin f ilms 为了分析方便 , 将这些不规则 的“孤岛 ”取面图 。图 5 表明 : 在激光淬火区和原始区上 and multilayers[J ].Acta Metallurgica et 出, 简化成图3 所示的矩形立方体双材料结 的铬层均发生断裂、并且裂纹进入基体,激 M a t e r i a l i a , 1 9 9 5 , 4 3 ( 7 ) : 2 5 0 7 - 2 8 9 0 . 构 , 图中的上层表示铬层 , 下层表示基体 , 光淬火基体的裂纹明显要长于原始基体 [6] G . K i r c h h o f f , T h . G o b e l , H . - A . B a h r , 基体的厚度 ( h ) 是进入基体裂纹的长度与 的。 2 H . B a l k e , K . W e t z i g , K . B a r t s c h . D a m a g e 为了比较激光淬火区和原始区的界面 铬层厚度( h ) 之差。图3 表明:由表面裂纹的 2 analysis f or thermally cycled (T i,Al) N 面和界面相交所形成的线 , 就是界面自由 裂纹形貌 , 对表面裂纹与界面相交处进行 放大 , 得到图 6 。图 6 表明 :尽管激光淬火区 c oa ti n gs —est i ma t ion of st r en gth an d 边。则铬层界面裂纹的形成就属于界面自 inter f ace f racture toughness[ J] .S urf ace 由边断裂问题 , 即界面裂纹的形成起源于 的表面裂纹要长于原始基体的 , 但激光淬 a n d C o a t i n g s T ec h n o l og y , 2 0 0 4 , 1 7 9 : 铬层/ 基体在界面自由边的断裂 , 而非表面 火区没有形成界面裂纹 , 而原始基体的则 形成了界面裂纹 。说明激光淬火基体提高 3 9 - 4 6 . 裂纹在界面偏折或基体内分叉的原因。 [7] J . H . U n d e r w o o d , M . D . W i t h e r e l l , S . 由于自由边的存在 , 在该处存在应力 了界面自由边抵抗断裂的能力。 奇异性现象, 即该处的界面应力( 称之为剥 S o p o k , J . C . M c N e i l , C . P . M u l l i g a n , G . [ 16 ] 落应力) 远远大于远离自由边的数值, 界 4 激光淬火基体影响因素分析 N . V i gi la n t e. T h er m om ec h a n i c a l mo d - eli n g of t r an s ien t t her ma l da mage i n 面断裂先从自由边开始 。自由边应力强度 4 . 1 基体残余压应力的影响 c a n n on b or e ma t er i a ls [ J ] . Wea r , 2 0 0 4 , 因子随双材料层厚度比值( h /h ) 的变化关 众所周知 , 激光淬火钢基体 , 可以在基 1 2 [12][ 16 ] 系理论结果表明:随着比值的减小, 应力 2 5 7 : 9 9 2 - 9 9 8 . 体表面形成残余压应力,这就在铬层和原 始基体之间形成了一个具有残余压应力的 强度因子增加 , 即增加了界面自由边断 裂[8] 卓穗如. 机枪枪管寿命预测技术论文集 的可能性。图1( a) 、( b) 的厚度对比和 中间层 。对残余应力与外载荷产生的自由 [ M] .中国兵器工业第二零八研究所,北 界面裂纹形成现象与上述理论结果相一 边应力进行叠加 , 利用有限元进行残余应 京 , 1 9 9 6 : 3 . [ 2 0 ] 致 , 则说明界面自由边断裂与进入基体的 力对自由边剥落的影响分析表明 : 残余 [9] 陈光南 , 罗耕星 , 张坤 . 提高镀铬身管寿 命的激光工业强化新方法[J ].兵工学报压应力可以降低界面自由边的剥落应力 裂纹长度有关 。这也与铬层剪切剥落与进 ( 增刊 ) , 2 0 0 3 , 1 2 : 6 - 1 0 .入基体的裂纹长度呈正比关系的炮管解剖 值 , 故也提高了铬层界面自由边抗断裂的 [7 ]现象相吻合。 能力。 [10] 徐向阳 , 张坤 , 陈光南 , 罗耕星 . 激光硬 4 . 2 激光处理区硬度提高的影响 激光淬化基体对镀铬层组织和结合的影响[ J] . 3 激光淬火基体对界面自由边断裂的影响 火基体增加了基体表面的硬 中国激光 , 2 0 0 6 , 3 3 ( 3 ) : 4 1 3 - 4 1 6 . 度, 进而提高了界面的强度 , 提高了铬层与[11]李怀学 , 陈光南 , 张国祥 , 张坤 , 罗耕星 .3 . 1 激光离散淬火处理基体 利用YAG激光 基体的界面结合强度 , 因此控制了激光处 初始镀铬层的基体溶解法研究[J ].材料 器对上述分析的同种型 热处理学报 , 2 0 0 6 , 2 7 ( 2 ) : 9 4 - 9 7 . 号身管的内膛进行周期性离散淬火预处 理区的界面裂纹的形成。 [9][12]K . O b e r g f e l l , V . S c h u l z e , O . V o h r i n g e r . 理,然后镀铬。形成了图4所示的沿基体界 Classification of microstructural changes 面离散化的激光淬火区 、原始基体区相结 5 结论 in laser har dened steel sur f aces[J] .Ma- 合的镀铬层 / 基体结构。 通过对镀铬身管失效解剖分析表明 : ter ials S cience and E ngineer ing 2003, 3 . 2 靶场实验结果钢基体上镀铬的界面裂纹形成是界面自由 A 3 5 5 : 3 4 8 - 3 5 6 . 对上述离散激光处理的镀铬身管进行边断裂的结果 。激光淬火基体可以提高镀