刨削現象

對刨削的研究最早出現在位于美新墨西哥州的空軍研究院霍蘭姆高速檢測軌道（highspeedtesttrack，HHSTT）試驗過程中。1968年，該機構在進行單軌橇體試驗時，F.P.Gerstle等以1.83km/s的速度在高速火箭橇測試軌道上首次觀測到了刨削現象。電磁軌道炮發射過程中，當金屬彈丸的速度達到高速甚至超高速時，金屬軌道上出現了刨削現象，80年代初R.A.Marshall等首次在澳大利亞國立大學（AustraliaNationalUniversity，ANU）軌道炮軌道上觀察到刨削損傷。兩種刨削盡管背景不同，但均是滑塊在軌道上滑動，當滑塊與軌道相對滑動速度較高（＞1.5km/s）時，軌道表面出現軌道損傷現象，其典型形狀為液滴狀。

刨削試驗研究

1.刨削影響因素：火箭撬、軌道炮及輕氣炮試驗過程中出現了刨削現象，表1是對以往試驗過程中發生刨削情況的總結。研究發現，火箭撬撬體與滑塊發生刨削的閾值速度在1.5km/s以上，電磁軌道炮為1.5~2.5km/s，輕氣炮為3.0km/s以上。因此，速度是刨削產生的重要因素。除此之外，刨削還跟摩擦副配副情況及材料特性有關。

1）速度對刨削的影響：為研究速度與刨削的關系，1997年，L.C.Mixon等利用中尺度火箭撬試驗系統進行了速度與刨削數量及發生位置關系的研究，結果見圖2。統計結果表明，刨削多發生在軌道的中后部，而該位置滑塊的速度大多都已達到高速甚至超高速，刨削發生頻繁的位置恰好是滑塊峰值速度的附近，因此，速度是影響刨削發生的關鍵因素。

2）材料特性對刨削的影響：刨削的閾值速度跟試驗設備、摩擦副材料配副及配副材料的特性等有關。1999年，Stefani和Parker分別選用了7075鋁合金、CD110銅、1015鋼等12種不同的電樞材料在銅C11000軌道上進行了刨削試驗。

研究結果表明：1）刨削的閾值速度跟材料的配對有直接關系，摩擦副材料性能越相近，刨削發生的幾率越高，反之亦然；2）軌道硬度相同的條件下，刨削的閾值速度取決于滑塊（電樞）的硬度，電樞硬度的提高有利于刨削閾值速度的提高；3）軌道硬度較大時，刨削閾值速度取決于軌道材料；電樞硬度變化對刨削閾值速度的影響較小；而當電樞材料硬度大于軌道時，刨削閾值速度隨電樞硬度上升而大幅上升。AFIT（AirForceInstituteofTechnology）在總結發射試驗后發現，滑動副材料的屈服強度/密度與刨削閾值速度可擬合成線性關系，如圖4所示。可以看出，材料強度的提升有利于刨削閾值速度的提高。K.R.Tarcza等為了驗證材料強度對閾值速度的影響，使用密度為11.35g/cm3、平均屈服強度為33MPa的鉛做了刨削模擬試驗，成功地在245m/s的低速下復現了刨削損傷，驗證了刨削閾值速度與材料強度的關系。

2.刨削的沖擊特性和熱效應

刨削是極限工況條件下的瞬態過程，為了研究刨削的形成機理，從刨削發生后遺留在軌道上的刨坑入手，進行了刨坑特性研究，以期獲得刨削形成過程的一些證據。F.P.Gerstle，K.F.Graff等在火箭撬刨削的最初研究中，描述典型的刨坑為“液滴狀”，表面具有波紋結構并有擠壓的卷邊和明亮的剪切帶。軌道炮軌道上發現的刨坑，形狀也多為液滴狀，且尖部朝炮尾、弧部朝炮口，尺寸較火箭撬上的刨坑小很多。表2列出試驗過程中發現的典型刨坑的形狀及尺寸。

利用軌道炮，C.Persad等研究了刨坑內外軌道材料的硬度變化情況及刨削所引起的塑性流動問題。研究發現刨坑內表面為樞軌的混合材料，硬度都大于樞軌自身硬度，而周圍的軌道硬度卻變化不大，硬度的變化及繁多的變形顆粒都表明了刨削在垂直軌道表面方向引起很大的塑性變形。利用三維輪廓成像技術，C.Persad發現刨坑處引起的塑性流動深至表面以下6mm，刨坑位置的軌道背面表面與其它表面高度差達到50μm，而軌道背面其它部位的表面平均高度差都小于5μm。說明刨削發生時，軌道經歷了沖擊過程，造成了軌道材料的塑性變形及軌道材料性能的改變。而材料微觀檢測結果中大量孿晶的出現同樣也佐證了刨削產生的沖擊特性。除此之外，對刨坑性能的檢測還發現，刨削過程還受摩擦熱和焦耳熱的影響，刨坑內有明顯的絕熱剪切痕跡。因此，刨削的發生是沖擊和熱效應對軌道材料共同作用的結果。

3.刨削模擬試驗

為了進行可控的刨削復現試驗研究，K.F.Graff等利用槍管加速射彈，將射彈打在一定弧度彎曲的目標靶上，從而在實驗室環境下重現了刨削現象，模擬試驗裝置和目標靶所得到的刨坑，如圖5所示。這項研究中的試驗技術手段開啟了刨削研究的模擬試驗方法，后續的一些實驗大都以此為基礎展開。除此之外，K.R.Tarcza等仿制俄亥俄州立大學的刨削模擬裝置，使用輕氣炮將1g鉛彈丸加速到最大速度500m/s，最低曾在245m/s的速度滑動時出現了刨削，遠低于之前報道的刨削速度。2003年S.Satapathy等在反轉鎢-鋼系統的超高速滑動刨削的彈道實驗中，首次對非平面形狀刨削進行了試驗，得到的刨槽形狀與平面試驗中的極為相似，并證實刨削確實能引起裂紋并導致穿透性能的衰退。

刨削的仿真研究

刨削是極端工況條件下軌道的瞬態損傷過程。該過程經歷了閃溫、強磁場和高速沖擊，很難用常規的檢測技術進行在線檢測，因此無法正確認識刨削的發生過程及刨削形成機理，刨削仿真技術就是基于該特點而發展起來的。

1.Barker模型：早在1977年，人們就試圖用計算機仿真技術來描述刨削過程。L.I.Boehman等的仿真結果表明，速度對滑塊不穩定運行有重要影響，但其并未成功仿真刨削的發生。1987年，美國桑迪亞國家實驗室的L.M.Barker等利用爆炸流體動力學區的計算機程序（CTH，CHARTDtotheThreeHalves，桑迪亞國家實驗室開發的用于處理三維強沖擊問題的有限元軟件）完成了刨削平行沖擊熱動力學（ParallelImpaceThermodynamics，PIT）模型的仿真計算。他們將刨削形成機理理解為電樞與軌道上微觀凸出顆粒的超高速沖擊作用，刨削的形成過程由接觸雙方沖擊引起的高沖擊應力決定，而沖擊應力與沖擊速度、沖擊角度、屈服強度和沖擊波速度相關，作用模型如圖6所示。基于該刨削模型，L.M.Barker等研究了不同材料發生的刨削閾值速度參數，并首次發現刨削不只具有下限閾值速度，同時具有一個上限閾值速度，既當速度大于某個速度值時亦不會發生刨削，由于科研水平的限制，該上限閾值速度至今未被試驗證實。

2.Tachau模型：1991年，R.D.M.Tachau等利用CTH重新對刨削進行了仿真。在Barker的基礎上，Tachau發展了該模型，提出了微角度傾斜碰撞模型。Tachau賦予滑塊一定的法向速度（0.1km/s），利用該模型成功進行了刨削仿真。研究結果顯示，平行沖擊動力學模型對刨削的仿真不僅需要粗糙峰的存在，而且還需要樞軌間隙，Tachau在仿真過程中忽略了摩擦效應。仿真模型如圖8所示。Tachau等認為，速度（法向速度和水平速度）是產生刨削的重要因素之一。除此之外，接觸界面的溫度必須足夠高以至于金屬呈現黏塑性流態、金屬與金屬直接接觸以及接觸點需產生高壓核心區等均影響著刨削的發生。

3.Schmitz模型：1998年，在Tachau模型的基礎上，基于Barker的粗糙峰模型，Schmitz利用CTH開發了一種新的軟件工具，該工具可根據經驗數據和所賦予的初始條件進行刨削預測及預測樞軌的摩擦磨損情況。Schmitz認為在撞擊的1/4μm內，若高壓核心區生長則意味著刨削的發生，若高壓核心區并未生長，則刨削不會發生。同時，Schmitz還驗證了不同材料配對刨削閾值速度的影響規律，仿真結果與試驗數據對比。

4.美國空軍技術研究所的工作：美國空軍技術研究所針對火箭橇刨削現象進行了刨削形成機理研究。建立了一種滑塊微角度侵徹刨削機制，為刨削形成機理的研究奠定了基礎。

1）Laird的工作：2002年，Laird在前人工作的基礎上，重點進行了高溫環境的數值模擬。他認為，高溫降低了材料的屈服極限，刨削較易發生；材料的塑性變形、法向速度以及材料強度低等均可影響刨削的發生，上述因素并非獨立影響刨削，而是各種因素綜合作用的結果。

2）Szmerekovsky的工作：Szmerekovsky的工作主要是在Laird的基礎上做了加膜的類似仿真研究。仿真結果顯示，在軌道上加一層保護膜的效果會比無膜的抗刨削效果好。

3）Cinnamon的工作：研究主要集中在火箭撬的具體材料性能試驗的建模上，同時對法向速度沖擊的研究更細致，并進行了2~100m/s多組法向速度沖擊仿真。根據仿真結果，認為一定的軌道差或迎面角的存在使得火箭撬發生了刨削，而這種假設目前看來非常符合實際情況。其仿真模型。

抑制刨削方法的研究

美國空軍技術學院、Holloman空軍基地和德克薩斯大學先進技術研究所等多家火箭撬和軌道炮滑動界面研究單位，先后開展了刨削的抑制方法的研究。

1.選用高強度和低密度的軌道材料：Tarcza等為了研究影響刨削閾值速度的主要因素及作用規律，總結了前人在試驗發射和使用CTH代碼模擬中得到的刨削速度和使用的材料特性，通過各種材料特性的變化規律和刨削速度的對比發現，選用高強度和低密度的材料可提高刨削的閾值速度。

2.軌道基材表面的鍍膜技術：美國空軍技術學院在火箭撬抗刨削的長期研究中，先后使用鉭、鎳、鋁、氧化鋯、鎢和鈷等的耐高溫材料，以及四氟乙烯、碳-碳和碳-酚等易熔材料作為火箭滑軌上的涂層，以抵抗熱效應損傷和減小結構變形，有效的控制了刨削的發生概率。而高技術研究所從軌道炮滑動電接觸性能出發，采用電鍍鋁膜最大限度地減小了對電傳導的影響。對7075-T6鋁電樞和C15725銅軌道進行了2，5，25，50μm純鋁涂層的試驗，在單發達到3.5km/s的試驗中都成功的消除了明顯的刨削現象，而無涂層的對比試驗則在1.96km/s時出現了刨削。

3.分層等釋壓結構設計：刨削的產生是源于高壓核心區的形成及發展，如果降低壓力、抑制高壓核心形成是否能夠達到抑制刨削的目的，分層釋壓結構設計就是基于這種思想提出的。Marshall和Persad發現試射11層層疊電樞時，刨削區域無論是大小還是深度都明顯小于單體電樞，只是刨槽的數量和密度略高一些，刨槽的寬度始終比每層電樞的寬度小；同時他們還提出使用分層導軌時，即使速度接近3km/s，也不會出現刨削現象。無獨有偶，L.M.Barker等研究火箭滑軌上的刨削時也提出了使用包含塑料輪換層和高強度、高韌性鋼的分層滑塊設計，并在1987年以1.9km/s的速度首次測試，沒有發現刨削。而根據波紋曲面，Tachau也提出了一種滑塊設計，可擾亂接觸點高壓核心區的壓力增長，實現抑制刨削。這些分層和獨特的結構設計將高速滑動時瞬態點的連續作用區縮短，有效的釋放了瞬時高壓，從而達到了避免刨削的可觀效果。

結束語

盡管各國對超高速刨削現象、刨削規律、刨削產生機理及刨削抑制方法等方面進行了大量理論和試驗研究，也取得了一定的成果，但截至目前為止，人們對超高速刨削的形成機理仍未完全掌握，各種仿真模型也僅是在一定程度上進行了刨削過程的還原，在仿真過程中給予了大量假設，并不能真實反映超高速刨削的形成過程。因此，對極端工況條件下金屬材料的損傷的研究還將繼續進行，在未來一段時間，它將重點在以下幾個方面發展：1）新刨削形成機理研究。利用試驗技術和計算機仿真技術相結合進行刨削形成機理的探索研究，旨在提出一種能夠通過試驗驗證的刨削形成機理，從而有效抑制金屬材料在超高速條件下的刨削。2）新型抗刨削材料研制。研制能夠適用于軌道炮、火箭撬等超高速試驗的高強度金屬材料，以對抗速度的提升對材料造成的損傷，實現高速甚至超高速條件下金屬材料的零損傷。3）抗刨削方法及抗刨削策略研究。針對目前科學技術水平發展不能完全消除刨削的現狀，采取多種抗刨削方法和手段（比如，軌道材料梯度優化、軌道支撐減震設計及樞軌結構配合等），最大限度地降低刨削的產生。（本文圖、表略）

本文作者：張倩 朱仁貴 李治源 李鶴 金龍文 單位：石家莊 軍械工程學院3系