如题,很不幸从两天前开始作者阳了捏,在转阴前尽量保持两天一更
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——摸鱼题外话:炮管制造工艺及材料——
在火炮中很关键的一个机构是火炮身管,这也是对工业水平的严峻考验,在身管设计中,通常采用两种分类∶一种是根据炮膛结构来分为滑膛、线膛、半滑膛和锥膛等;一种是根据身管结构来分为普通单筒身管、增强身管、可分解身管等。
19世纪以前火炮主要是采用普通单筒身管(Monoblock Tube),即由一个毛胚制成,只有一层管壁。其优点是结构简单、制造方便、成本较低,因而得到了广泛的应用。普通单筒身管发射时,内层产生的应力很大,而外层的应力很小,也就是说,外层材料没有得到充分利用。
对高膛压、大威力的火炮来说,采用普通单筒身管,必须增加壁厚和采用高强度炮钢,这对火炮的使用和生产都是不利的。
在小口径自动高射炮中,由于身管长、射速高、刚度及散热问题较突出,常采用外表面均匀分布若干纵向沟槽构成的普通单层星形断面身管(Star Section Barrel)。如在面积相同的横剖面及长度的条件下,星形的惯性矩大于环形惯性矩,因此,其刚度大、质量小且易于散热。
但在19世纪下半叶以来,欧洲列强流行了增强身管,又称紧固身管,是指为提高身管强度,在制造过程中,采用某种工艺措施,使身管内壁产生受压、外壁产生受拉的有利预应力,以改善发射时管壁的应力分布,提高身管承载能力和身管寿命。按照产生预应力方法的不同,身管可分为筒紧身管、丝紧身管和自紧身管。
如维克斯8英寸榴弹炮采取的便是20世纪初流行的筒紧身管(Built-up Barrel),这时的情况是虽然合金钢开始得到应用,但炮钢强度相对于不断提高的对火炮威力的追求仍显较低,故为提高火炮威力,列强多采用筒紧技术,口径从小到大,层数有2~6层。
例如,美1917式76.2mm高射炮身管为双层筒紧身管,美1920式406mm海岸炮为四层筒紧身管,沙俄1914年式45倍径406毫米口径火炮则为五层筒紧身管(如图所示)——
这类身管由两层或多层同心圆筒过盈地套在一起。最内一层叫内管(Inner Tube),外层称为被筒(Jacket),中间层称紧固层,紧固层或被筒的内径稍小于相邻内筒的外径,相差量称紧缩量或过盈量(Shrink Range)。
此法要在将外筒加热膨胀后,迅速将其套在内管上;冷却后,外筒要恢复原来尺寸,因存在过盈量,内筒阻止其恢复,使外筒受拉,内筒受压,在各层管壁内产生了所要求的预应力,其方向与发射时膛压对管壁产生的应力方向相反,从而使发射时内筒的实际应力减小——在同样壁厚、同样材料的条件下身管可承受更大的压力,并提高外筒金属的利用率,从而提高了身管弹性强度极限。
筒紧身管的层数与火炮口径、膛压、材料、质量大小等因素有关。层数愈多,各筒壁间的应力分布愈均匀,最内层的合成应力愈小,制造愈困难。
而黎清秋根据设备手册上的剖面图,自然判断出英美这款8英寸榴弹炮是典型的双层筒紧身管,在同类中算是比较易造的。
此类身管制造时的硬性要求是将外筒加热至700K(炼钢时的温度要求在2000K以上),要求尽量把磷、硫、铜等杂质除净,并控制碳、镍、锰、铬等元素的含量。过多的磷会降低钢的冲击韧性,导致钢材结构疏松变脆,难以承受过大的压力。
材料组分上,现代火炮身管材料都采用合金钢,常以中碳镍铬铂系合金钢为主,也有增加少量的钒做改性钢。但,主要是要求含磷硫尽量低,再有些锰、镍、铬即可,在20世纪初,炮管钢材核心要求说白了就是高锰低磷的中碳钢,范围定得不死,1913年沙俄的火炮制造厂还拿老型号的炮用碳钢糊弄造船总局,未普及镍铬合金钢〔中合金钢(镍含量3.5%)〕,并围绕使用何种材料引发了二者的议价争执,最终的妥协结果是用碳素钢造火炮身管的被筒,其余采用镍铬合金钢。
如后世作为常用炮钢之一的PCrNi3MoV合金钢的元素比例:
碳C :0.34~0.41;
硅Si:0.17~0.37;
锰Mn:0.25~0.50;
硫S :允许残余含量≤0.015;
磷P :允许残余含量≤0.020;
铬Cr:1.20~1.50;
镍Ni:3.00~3.50;
铜Cu:允许残余含量≤0.020;
钼Mo:0.35~0.45;
钒V :0.10~0.25。
在钢里加入镍和锰会增加钢的强度,并使奥氏体的化学性质更加稳定,加入铬会使硬度及熔点上升,加入钒也可以使硬度上升,但同时更会减轻金属疲劳所带来的效应。锰增强耐磨特性,镍增强抗拉强度,镍和铬提高合金钢的耐腐蚀特性,因此这些元素对于火炮身管是十分重要的——虽然传统碳钢此时也不是不能糊弄过去。
锰也还好说,锰广泛存在于自然界中,地壳中含锰0.1%,为地壳中第十多的元素,土壤中含锰0.25%,茶叶、小麦及硬壳果实含锰较多。海底一到六公里深处也广泛存在着锰结核。锰结核呈黑色或棕褐色,形状如球状或块状,它含有30多种金属元素,其中最有商业开发价值的是锰、铜、钴、镍等。
当然,20世纪工业只能找软锰矿,从生物体和海底捞根本是得不偿失天马行空的想法。但21世纪开始有了这种设想。
锰在小麦、茶树等许多农作物的碳氮代谢、光合作用、酶活化、氧化还原、蛋白质合成等方面具有极其重要的作用,小麦使用锰素,可提高氮磷钾的肥料利用率,强化光合作用,增加千粒重,甚至据有关资料,增产幅度达7.5%。而锰也是茶树生长发育所必须的微量元素,在植物体内起着非常重要的生理作用,缺锰会严重影响茶树的生长发育。植物缺锰时不能形成叶绿素,叶脉间失绿褪色,但叶脉仍保持绿色,叶片自叶缘开始枯黄,这是缺锰与缺铁的主要区别,不过在逐渐丧失光合作用能力进而“饿死”方面是一致的。
在正常生长的茶树中,一般幼嫩组织的含锰量较低,而衰老组织的含锰量较高。老叶含锰量是成叶的一点多倍,是嫩叶的两三倍,因此选取衰老组织提锰,对于茶树的影响可以尽量降低。
水蓼等农田杂草为锰超积累植物,后世用来治理锰污染。
镍矿在地壳中的含量为0.018%,在地壳中铁镁质岩石含镍高于硅铝质岩石,例如橄榄岩含镍为花岗岩的1000倍,辉长岩含镍为花岗岩的80倍。
具体数据方面,地壳中镍的平均含量约为0.8mg/kg,地表水中约含镍10ug/L,土壤中镍的含量约为40mg/kg(干土样)。植物体内镍的含量一般在0.05-5.0μg/g,即0.05-5.0mg/kg。水稻含镍量,参考中国东南沿海优势产区,为0.35±0.33 mg/kg。
古代青铜器有时也含镍,叙利亚境内出土的青铜含镍量可高至2%。现代工业品也有不少含镍,可惜铁镍蓄电池1901年才发明,麦克风收音盒之类的也都没有,全世界的镍产量的时间趋势上,1906年也是萌芽期,总产量仅在万吨级。
直到20世纪初,越南没有大量的工业镍制品,最多的应该是银行发行的硬币……
镍对植物也很重要,缺镍时,由于尿素不能及时分解而积累,对植物造成毒害,首先造成叶片的尖端和边缘组织坏死,严重时叶片整体坏死。
越南镍矿主要集中在山罗省的铜镍矿——班福矿,镍和铜的储藏量是19.3万吨,仅镍就有12万吨。锰则主要分布在高平省的下龙矿床。
在锰镍铬三种微量元素中,铬是最稀有的。
铬也是生物体必需的微量元素,从猪胃中提取出一种称为葡萄糖耐量因子的含铬化合物,能够恢复大鼠受损的糖耐量,人出现葡萄糖耐量异常时,补充铬可得到纠正,不过铬在生物体内的含量比镍还少:植物中的铬含量在0.08~0.59mg/kg 之间,其中土豆最低为0.08mg/kg,干草最高为0.59mg/kg——
而铬在无机界的含量也不如镍,铬在地壳中的含量为0.01%,居第17位——不过尽管如此,铬仍算是土壤中常见的微量元素:土壤中铬元素含量为1~ 500mg/kg, 大多数土壤含铬为25~85mg/kg,虽然远不及锰在土壤中0.25%的含量,但平均每给500吨土壤,就可以提出1吨炮用镍铬合金钢所需的铬。越南的铬矿主要分布在清化省挪山区古定等地,储量约 2000 万吨,适合露天开采,精选后,三氧化二铬含量可达46%以上,算是品位较佳。
如此,制成优质钢并加热到可以锻造的状态后,剩下的步骤就是塑形了,工业上要将钢材锻造成桶状,这时会比最终尺寸大,然后将锻造好的桶状钢进行加工,将中心加工成几乎正确的直径大小,再将硬化塞穿过中心以对炮管施加预应力,然后将内炮管加工成正确的尺寸,如果是线膛炮还要添加膛线……
并调整它的温度,进行加热和冷却——
前述在制造筒紧身管时要加热外筒至700K后冷却。金属冷处理可用氮之类的惰性气体方式降温处理金属表面,如液氮深冷处理金属材料,氮气没有腐蚀性,但温度低的情况下容易使分子不规则排列,导致韧性,强度下降。其他方面氩气作用:在精炼过程中搅拌钢水,均匀钢水温度、成分,促进钢水夹杂物上浮,加快钢水脱氧,在连铸过程中做保护浇铸,并且能够给钢水降温,搅拌钢水,并起和在精炼中相同的作用。氮气亦有其他功能如作为载气或者仪表气使用,不直接插入钢水中使用。
附一种现代炼钢工艺: EAF电弧炉+LF精炼+VD真空脱气炉(喂Ca-Si线)+钢锭(底浇注/氩气保护)+锻造+退火+黑皮磨光(车削)+ SEP1921 C/c级探伤+两端锯齐
剩下的工作就是将外部尺寸塑造成正确的大小,添加后膛配件,云云。