10.3.2. Основные механизмы изнашивания стволов и их причины

Исследования показывают, что с увеличением числа произведенных выстрелов происходит увеличение диаметральных размеров канала ствола и искажение его первоначальной формы. Этот процесс, характеризуемый общим термином износ ствола, может в зависимости от большого числа конструктивных, технологических, баллистических и эксплуатационных факторов принимать разнообразные формы: развитие и разгар сетки трещин, отрыв хромового покрытия, сколы, смятие полей нарезов, образование и разрушение химически и структурно измененного материала в поверхностном слое и т.д.

Однако внешний признак износа – изменение геометрии канала ствола, имеет постоянно наблюдаемую закономерность – существование трех характерных зон износа:

1 – зоны наибольшего износа, прилегающей к началу нарезов;

2 – зоны умеренного износа в средней части ствола;

3 – зоны повышенного износа вблизи дульного среза.

Поскольку причинами износа являются тепловые, механические и химические воздействия ведущих элементов пуль (сн) и пороховых газов, нетрудно установить, что наибольший износ в первой зоне связан с наибольшей интенсивностью и продолжительностью таких нагрузок по сравнению с другими участками ствола.

Механизмы износа на этом и других участках ствола, а также длина зон износа могут быть различны для различных образцов СПВ. Известны четыре основных, наиболее ярко проявляющихся механизмов износа стволов: трибомеханический, термопластический, эрозионный и термохимический.

Первый из них определяется процессами, сопровождающими трение ведущих элементов пуль (сн). Трение ведущих элементов пуль (сн) о ствол отличается той особенностью, что взаимодействие контактирующих материалов здесь происходит при высоких давлениях (~ 200...400 МПа) и скоростях (до 1000 м/с). Ранее мы уже отмечали, что столь высокие параметры взаимодействия неизбежно ведут к большим значениям температур в зоне контактирования.

В подобных условиях взаимодействия необходимо так подобрать контактирующие материалы, чтобы один из материалов пары трения практически не изнашивался. Естественно, что речь здесь идет о материале ствола. Для этого необходимо, чтобы другой контактирующий материал был значительно слабее, мягче, податливее, чем первый. В то же время нельзя, очевидно, допускать и существенного износа ведущих элементов пули (сн), поскольку терялось бы такое ценное качество ствольного баллистического двигателя, как кучность стрельбы.

Исходя из этих соображений, уже давно эмпирическим путем подобрана и до настоящего времени используется пара трения "медь - сталь" или ее разновидность "томпак - хром". В таких парах выделяющееся тепло "размягчает" поверхностный слой пули (сн) вплоть до оплавления и образования своего рода высокотемпературной смазки, снижающей коэффициент трения в системе "пуля - отвод".

Этот процесс для определенного диапазона параметров трения безусловно выгоден с точки зрения износа. Но при повышении скорости скольжения все более начинает проявляться и отрицательный фактор - расплавленная медь переносится на поверхность ствола, причем давление, оказываемое ею на выступы шероховатостей ствола, пропорционально скоростному напору . Последняя величина, пропорциональная квадрату скорости скольжения, растет в направлении дульного среза.

Таким образом, физические процессы, реализуемые при трении пули (сн) о ствол, предопределяют рост трибомеханического износа. Очевидно, что при прочих равных условиях величина такого износа будет тем больше, чем больше длина участка контакта пули (сн) со стволом. Для примера отметим, что в 12,7-мм пуле Н = 30 мм, в то время как ширина ведущего пояска 30-мм снаряда Н = 10 мм. Поэтому трибомеханический износ ствола пулями более ярко выражен, чем такой же механизм износа в стволах большего калибра.

Напротив, механизм термопластического износа является превалирующим в малокалиберных пушках. Основные закономерности этого износа состоят в следующем.

С ростом числа выстрелов в очереди температура поверхности ствола к каждому новому выстрелу непрерывно повышается. Интенсивность повышения температуры при этом определяется в первую очередь темпом стрельбы, так как материал ствола с уменьшением промежутков времени между очередными выстрелами все более и более не успевает справляться с отводом тепла от внутренней поверхности.

В результате каждый последующий выстрел в очереди начинается при температуре поверхности канала ствола большей, чем на предыдущем выстреле. Если же учесть непрерывное снижение прочностных характеристик металла ствола с ростом температуры, то оказывается, что каждый новый снаряд, имеющий практически неизменную прочность его ведущих элементов, будет врезаться в нарезную часть ствола, все более ослабляемую предыдущими выстрелами.

Таким образом, можно полагать, что на некотором выстреле в очереди температура поверхности канала ствола достигнет такого уровня, при котором механические характеристики материалов ствола и ведущих элементов снаряда будут близки по величине. Очевидно, что дальнейшая стрельба приведет в этом случае к смятию (выглаживанию) нарезной части ствола. Ствол исчерпает свою живучесть из-за неправильного, нестабилизированного вращением полета снарядов на траектории.

Указанный вид износа, связанный с пластическим деформированием нарезной части ствола в условиях высоких температур, и принято называть термопластическим износом. В стволах малокалиберных пушек такой механизм износа устанавливает существование предельных или критических режимов стрельбы, при которых ствол выходит из строя при производстве одной непрерывной очереди выстрелов или серии очередей с короткими перерывами.

Вполне понятно, что чем меньше темп стрельбы и размеры отстреливаемого боекомплекта, тем в большей степени будет ослаблен термопластический износ, тем меньше его воздействие на ресурс ствола. В таких условиях на первый план выдвигаются механизмы эрозионного и термохимического износа.

Явление эрозии, или поверхностного разрушения твердых тел под действием жидкой или газообразной среды, хорошо изучено, поскольку встречается в разнообразных технических устройствах: двигателях, турбинах и т.п.

В самом грубом представлении можно считать, что при эрозии мельчайшие частицы потока газа разрушают поверхностный слой металла вследствие ударов о его поверхность. Поэтому эрозия заметно возрастает с увеличением кинетической энергии действующих частиц, а также с повышением шероховатости поверхности.

Если частицы или изделие, на которое они воздействуют, находятся при высоких температурах, то процесс эрозии значительно усиливается термическим влиянием в связи со снижением прочностных свойств металла. При наличии агрессивной среды возникает дополнительное химическое взаимодействие между частицами и поверхностью металла, что приводит к еще более сильному эрозионному разрушению.

Характер разрушения поверхности при эрозии бывает весьма разнообразным. На поверхности металла появляются трещины, продольные бороздки различной формы и размеров, но ориентированные, как правило, в направлении потока. В зависимости от характеристик металла и параметров воздействующего потока может происходить или равномерное "сдувание" частиц о поверхности, или явно выраженное локальное разрушение поверхности.

В своей работе "О выгорании каналов в стальных орудиях" Д.К.Чернов отмечал: "...при воспламенении заряда в канале орудия образуется чрезвычайно сгущенная газовая атмосфера, которую можно назвать огненною жидкостью, принимая во внимание ее большую плотность, близкую к плотности самого пороха, и очень высокую температуру. Падая, раскаленная жидкость, при давлении в несколько тысяч атмосфер, плотно прилегающая к стенкам канала, быстро нагревает поверхностный слой металла до высокой температуры, причем толщина такого слоя, вследствие кратковременности нагревающего действия газов, будет очень незначительна и выразится в десятых или сотых долях миллиметра", и далее "... поверхностный слой металла нагревается выше точки плавления и буквально смывается быстродвижущимися пороховыми газами. Раскаленный канал представляется тогда в виде изборожденной гладкими продольными морщинами поверхности ...".

Подводя итог краткому описанию процессов поверхностного изнашивания стволов, отметим, что в стволах любого образца СПВ в процессе стрельбы реализуются все рассмотренные механизмы износа, и живучесть определяется их совокупным влиянием.

К настоящему времени предложен целый ряд теоретических и экспериментальных зависимостей, описывающих основные закономерности того или иного вида износа. Однако ввиду исключительной сложности процессов, происходящих при стрельбе, эти зависимости имеют ограниченное применение и не позволяют во многих случаях с достаточной степенью точности рассчитать количество выстрелов, приводящее ствол в негодное состояние.

Для расчета величины живучести существует более десятка эмперических формул. Наиболее достоверные результаты дают зависимости проф. Б.В.Орлова, допустимое количество выстрелов в первом приближении