经实弹射击后的镀铬枪管的激光预处理对裂纹密度的影响

从表6.1和图6.17可看出，在同样的工况条件下，两种试样的铬层裂纹密度都随热疲劳次数的增加而增加，但有激光预处理钢基体试样的铬层裂纹密度自始至终都比无激光预处理钢基体的铬层裂纹密度小。胡莹等［7，9］通过解剖分析经实弹射击后的镀铬枪管发现，有激光预处理钢基体的铬层裂纹密度明显比无激光预处理的铬层裂纹密度小，这一结果与本章的结果一致。杨少敏和黄拿灿［1］采用涂层裂纹密度参数评价PVD硬质涂层的断裂韧性，他们得到的结论是涂层的裂纹密度小则其断裂韧性大，涂层的裂纹密度大则其断裂韧性小。再根据前面陈述的德国工程师协会编制的用压痕法测量PVD涂层结合性能（力）的VDI 3198—1992《压痕法试验原理和评级》标准，可以得到一点启示，即采用激光预处理钢基体技术至少可以得到三个很重要的结果：一是强化了基体表面，二是提高了铬层的断裂韧性，三是提高了铬层与钢基体的界面结合性能。

其实，早在本章的热疲劳试验前，作者就曾采用过拉伸法研究了激光离散预处理钢基体试样的铬层性能及其界面结合性能，试验的试件制作、过程及方法与第3章中的侧向基体拉伸法相同，激光离散预处理钢基体拉伸试样的横截面示意图如图6.18所示。拉伸试验的结果为：试样在两个激光带之间开裂，即在无激光处理区开裂，且断口发生在无激光处理区，如图6.19所示，其中（a）图为铬层表面开裂图，（b）图为与（a）图对应的横截面图。

图6.18　激光离散预处理钢基体拉伸试样的横截面示意图

图6.19　铬层/激光离散预处理钢基体在拉伸载荷作用下的断裂特征

（a）激光离散预处理钢基体上的铬层表面开裂图；（b）铬层／激光离散预处理钢基体横截面图

开裂区域发生在无激光淬火区的原因是这一部分区域是弱区，其弱的方面表现在铬层的性能、界面性能和基体的性能。

其实，关于激光离散预处理钢基体延长镀铬身管寿命的材料学机制可参阅文献［7］，其中指出激光预处理钢基体后，在激光相变硬化区的晶粒得到了高度的细化，该细化的组织结构会“遗传”到界面微结构和铬层的微结构，其中对界面微结构的影响如图6.20所示。

图6.20　铬层/原始基体和铬层/激光相变硬化区的界面SEM形貌

（a）铬层／原始基体界面SEM形貌；（b）铬层／激光相变硬化区界面SEM形貌［8］

从图6.20可看出，铬层／原始基体的界面存在一层“夹层”，而铬层／激光相变硬化区的界面平整且光滑。为了进一步证实这一结果，李怀学［8］利用XTEM手段，再次发现后者的界面平整且光滑，而前者的界面存在一层“夹层”，如图6.21所示。(www.xing528.com)

图6.21　铬层/原始基体和铬层/激光相变硬化区的界面XTEM形貌

（a）铬层／原始基体界面XTEM形貌；（b）铬层／激光相变硬化区界面XTEM形貌［8］

基体表层由于激光相变硬化得到的高度细化组织结构“遗传”到铬层的微结构特征，如图6.22所示，其中图6.22（a）显示了初始镀铬层的结构及形貌，呈现出与激光离散淬火基体相同的周期性梯度结构形貌，其中：A区为激光相变硬化区对应的铬层形貌，B区为过渡区对应的铬层形貌，C区为原始基体对应的铬层形貌，这三区铬层形貌的放大图分别对应着图6.22的（b）、（c）、（d）图。这些图片表明激光相变硬化区上镀铬层的组织高度细化，经统计，无激光预处理和有激光预处理的钢基体上的初始镀铬层的晶粒平均尺度分别为30～50 nm和8～12 nm［8］。

图6.22　三区铬层的SEM形貌

为了进一步证实激光相变硬化组织对镀铬层结构产生的这一重要影响，李怀学［8］利用TEM手段，再次发现基体激光相变硬化区对应的镀铬层具有更精细的组织结构，如图6.23所示（从衍射环的形状可看出）。

图6.23　原始基体和激光相变硬化区对应的铬层TEM形貌［8］

（a）原始基体对应的铬层TEM形貌；（b）激光相变硬化区对应的铬层TEM形貌

从材料的微观结构与力学性能的关系来看，一般来说，晶粒的细化会提高金属材料的力学性能，界面微结构的优化会提高界面结合的力学性能，这更进一步证实了激光处理区所对应的铬层性能、界面性能和基体性能要优于无激光处理区所对应的这些性能。本章的热疲劳试验与激光离散预处理钢基体的拉伸试验都证实了这一结果。