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常规武器用钢 (steels for conventional weapons)

用于制造枪、炮、坦克和战术导弹等武器主要部件的合金结构钢的总称。现代化的常规武器都具有火力威力大和灵活机动性好的特点,对枪、炮钢的技术要求取决于它们的射击参量(如火炮的瞠压,炮弹的初速度,射击速度,射程等)和炮弹的炸裂参量(如炸片的有效数量,炸片速度等),而坦克和战术导弹用钢则取决于武器的自重以及从一个地方运动到另一个地方所需要的时间。设计制造各类常规武器主要部件所选用的钢材,必须满足这些技术要求。

分类常规武器用钢主要包括厚壁大口径火炮身管用钢、炮弹弹体用钢、均质装甲钢和导弹发动机壳体用钢。

厚壁大口径火炮身管用钢 在射击到,火炮身管承受着很复杂的应力。由于要经受射击参量(如炮弹初速度可达500~3000m/s),高温、高压、高速火药气体对管壁的作用和冲击,炮弹对管壁的挤压,形成了很高的切向应力;而且身管表面经受着交替地快速加热(以107℃/s的加热速率使温度升高到710℃以上)和快速冷却(105℃/s),使钢的组织产生了奥氏体和马氏体的反复相变,形成了很大的组织应力和热梯度。苛刻的服役条件对火炮身管用钢提出了很高的要求,所以炮钢应具有如下性能:高横向比例极限%26sigma;p或高屈服强度%26sigma;0.1,,在射击时不产生永久变形;高横向室温和-40℃的低温韧性,在射击时不发生脆性断裂;低裂纹扩展速率,高的周期疲劳次数,从而具有很长的使用寿命。为使身管用钢在射击条件下不软化胀膛,还应具有高的高温强度。

为保证大口径火炮身管用钢良好的综合性能,在合金设计上,世界各国普遍都采用镍铬钼钒系列(见表1)。为保证钢的淬透性和改善钢的低温韧性,都添加较高的镍,通常为3.O%~3.5%。但从表1可看出,美国的155mm身管用钢与175mm身管用钢相比,在合金设计上是有差异的。155mm身管用钢的碳含量约降低了O.05%,这有利于韧性的提高;铬含量约降低了O.6%,有利于细化晶粒提高韧性;钒含量约增加O.10%,对韧性是不利的。

 

厚壁大口径火炮身管用钢具有高横向比例极限一。、或高屈服强度吼。和良好的低温韧性(见表2)。为保证这些性能,在热处理工艺中,美国175mm身管用钢和中国相应的身管用钢都采用高温正火加低温淬火加回火的热处理工艺,使钢的成分和组织均匀化,进一步细化晶粒,以获得良好的综合力学性能。表2大口径火炮身管用钢的力学性能。

炮弹弹体用钢 为保证炮弹具有很大的杀伤威力,因此炮弹弹体用钢,通常都采用高强度、低韧性的钢。在合金设计中,通常都采用高碳、高锰、高硅和其他脆性元素,使钢中碳化物数量增加、回火脆性倾向增大、奥氏体晶粒粗大化,以保证弹体钢具有很高的破片率,从而增大杀伤威力。弹体钢的化学成分示于表3,力学性能示于表4。

 

均质装甲钢 在战争中装甲钢将受到不同距离、口径、速度的各种弹丸的冲击与爆炸物的轰击,瞬间承受巨大的动能、破片、冲击波和聚能效应,使装甲钢在高温、高压和高速作用下发生塑性变形、破裂、甚至部分熔化或气化。因此要求装甲钢具有良好的抗弹性能。装甲钢的抗弹性能主要是指其抗弹丸的侵彻能力、抗冲击能力和抗崩落能力。抗侵彻能力是指在一定装甲厚度和弹丸着角的条件下,装甲钢不被击穿的最大动能弹着速或能抵御某种标准破甲弹的能力。一般认为它随着装甲材料的硬度和弹性模量的提高而提高。抗冲能力是指在弹丸的高速冲击下,装甲不发生开裂和崩落等损伤的能力。它与材料的韧性和强度有关。所以要求装甲钢具有良好的抗侵彻、抗冲击和抗崩落等能力,即要求装甲钢应具有高强度和良好的韧性,以提高钢的抗弹性能。在制造装甲车辆的过程中,还要求装甲钢具有良好的冷热加工性能和焊接性能。典型的均质装甲钢的化学成分和力学性能列于表5和表6。

导弹发动机壳体用钢 为减轻导弹弹体的重量,要求壳体用钢应具有高的比强度,以增大火箭的推力;为防止低应力破坏,要求壳体用钢应具有高的断裂韧性;为降低制造成本,要求壳体用钢应具有良好的加工性能和焊接性能。

导弹发动机壳体用钢的合金设计,通常都采用中碳的镍、铬、钼、钒系列(见表7)。碳可提高钢的强度,但对钢的塑性和韧性有害,在保证强度的前提下,其含量应尽量低,一般为O.3%~O.4%;为保证钢的淬透性,应加入适量的镍、铬和钼;由于铬在钢中能生成Cr7C3碳化物,降低了最大阻力的温度(或二次硬化温度),为防止软化的产生,钢中的铬含量应受到限制。力学性能示于表8。从表8可以看出,在热处理过程中,对硅、钼含量较高的钢种,可采用中温回火,对硅、钼含量较低的钢种,可采用低温回火。

冶炼工艺 制造现代化常规武器主要构件所选用的钢材,基本上都是高强度钢或超高强度钢。这两类钢都易于出现低温(-40℃)脆化和缺口脆化。提高钢的纯净度,即降低钢中的硫、磷含量,减少钢中非金属夹杂物和气体含量,是减轻这两种脆化倾向和提高钢的韧性的有效途径。结构材料冶金工艺的发展,总是在解决%26ldquo;强度高、韧性低%26rdquo;的矛盾中前进的。特种冶金的出现,适应了这种要求。

美国175mm加农炮身管用钢,采用真空碳脱氧工艺冶炼。英国挑战者坦克装备的120mm线膛炮采用电渣重熔法冶炼。

20世纪50年代,采用碱性平炉双联法冶炼了加农炮身管;70年代,采用电渣重熔法冶炼了加榴炮身管;80年代中期,采用碱性电炉加喷粉处理加电渣重熔法冶炼了加农炮身管;坦克炮身管是用碱性电炉加喷粉处理加真空脱气工艺冶炼的。超高强度钢,通常采用真空感应炉加真空白耗炉的双真空冶炼法冶炼。均质装甲钢,最近采用电炉加钢包精炼炉冶炼,使钢中的氧含量达到20%26times;10-6、氢含量1.5%26times;10-6、氮含量56%26times;10-6

展望 随着现代冶金技术的发展,常规武器用钢得到了迅速的发展。

厚壁大口径火炮身管用钢服役条件非常苛刻,要承受高速、高温、高压、急冷急热、反复交变载荷等的作用,因此要求身管用钢必须具有高比例极限郎或高屈服强度和良好的冲击韧性。为达到这个目的,厚壁大口径火炮身管用钢正向追求良好综合性能方向发展,主要发展有两个。一是以美国为代表.开发高强度身管用钢,最高屈服强度%26sigma;0.1已达1240~1310MPa,但该钢的冲击韧性比较低,仅为8.3J;二是以中国为代表,重视开发强韧性匹配好的身管用钢,把屈服强度适当降低到980~1120MPa的水平。通过降低钢中碳含量和提高镍含量,提高了身管用钢的韧性,获得了良好的综合性能,延长了身管用钢的使用寿命。

均质装甲钢的最新发展主要表现在以下几个方面。在合金设计思想上,世界各国普遍采用多元少量的合金设计方法,开发中、低碳的低合金装甲钢,不但改善了钢的工艺性能,也降低了钢的生产和加工成本;在钢的冶炼技术上,普遍采用高纯化冶炼技术,大幅度降低钢中的硫和磷,如炉外精炼、喷射冶金和电渣重熔等,其中以电渣重熔法采用的最多。美国和前苏联采用电渣重熔法冶炼的装甲钢,其抗穿甲弹的侵彻能力可提高30%~40%。并已分别列入本国的军标中;在轧制工艺上,普遍采用控制轧制和控制冷却技术生产装甲钢,进一步降低了钢的焊接碳当量,改善了钢的焊接工艺性,降低了生产成本;在装甲类型上,普遍采用复合装甲。作为复合装甲重要组成部分的均质装甲钢,正向中、薄板方向发展,一般使用厚度为35mm以下,最厚不超过50mm。为提高装甲的防护水平,美国研制成功了贫铀复合装甲,已在美国M1A1型主战坦克上应用,具有很高的防护水平,防穿甲大于600mm,防破甲大于130mm,成为世界上最先进的复合装甲之一。因此,积极开展贫铀装甲材料的研究是装甲钢发展的另一个新方向。

炮弹弹体用钢,目前正在向高强度(抗拉强度高于1000~1400MPa)、高破片率和低韧性方向发展,以不断提高炮弹的杀伤威力和杀伤面积。弹体钢韧性低、脆性大,可大幅度提高有效破片率,进而提高杀伤威力。但是,弹体钢的低韧性也是有限度的,至少要满足弹体在制造、运输、储存和安全使用等方面的要求。因此,炮弹弹体钢的高强度、高破片率和低韧性的合理匹配,也是重点的研究方向之一。


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