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目前,国内外中大口径的脱壳穿甲弹弹托普遍采用超硬铝合金棒料机加而成,如LC4CS、LC9CS等,该材料特点是强度高、密度低,LC4CS材料的静态抗拉强度σb=580MPa,ρ=2.78~2.83g/cm3,而且机加性能较好,货源充足,价格便宜,是大中口径脱壳穿甲弹弹托的主要材料。随着装甲目标的日益加强,在飞行弹体的长径比进一步加大、弹体材料的密度和强度进一步提高受到限制时,要想充分挖掘穿甲潜力,在弹托结构和材料上做进一步研究,以提高穿甲威力,已势在必行。64260
而国内外都在寻找一种密度更低的、强度更高的轻型材料来代替铝合金材料加工弹托,减少弹丸的消极重量,提高弹丸炮口速度,达到提高穿甲威力的目的。另外,目前的超硬铝合金弹托普遍采用棒料经机械加工而成,不仅浪费工时,而且材料利用率较低(约30%),使脱壳穿甲弹的成本较高。
1）镁合金材料镁
合金是以镁为基本元素、增加其它稀土元素以提高镁合金的综合性能,镁合金具有强度高、密度低、加工性能好、耐腐蚀等特点,广泛应用于飞机机翼等大型承载件,以MB15镁合金为例,其强度σb≥300MPa,密度为ρ=1.8g/cm3,仅为铝合金LC4CS密度的64%,这对减轻弹托重量、增加弹丸初速极为有效,表1为铝合金和镁合金在某小口径脱壳穿甲弹上试验结果。另外,将镁合金材料用于国内某定型的脱壳穿甲弹上,弹托质量下降662g,在相同的装药条件下,初速提高55m/s,使其有效穿甲距离增加约1100mm,极大地提高了该武器系统穿甲威力。为了克服铝合金棒坯材料利用率低的缺点,在镁合金中添加一定量的稀土元素,可以提高镁合金的超塑性能,采用超塑成型的加工工艺,获取弹托形状,目前经过添加稀土元素的高强度镁合金的超塑流动性能δ可达1450%以上,国外,经预处理的稀土镁合金的超塑流动性δ达1700%以上。目前,对用高强度稀土镁合金经超塑成型的弹托经靶场试验,其发射强度可靠,与铝合金弹托的弹丸性能相当。论文网
2）铝锂合金弹托
锂是世界上最轻的金属,其密度仅为0.53g/cm3,约为铝的1/5,因此,在铝合金中加入一定的锂,将有效地降低铝合金的密度,每加入1%的锂,其合金密度下降约3%,目前,国内采用快速凝固技术,可以使合金中的锂含量达到4%,从而得到最轻的铝合金材料,其密度约2.41g/cm3,力学性能与当前使用LC9CS相当。弹托在膛内发射时,受到火药气体的高温、高压、高应变率的瞬间作用,其动态下的性能好坏是决定铝锂合金能否用于弹托的关键因素,一般弹丸发射时应变率可达103~4s-1,弹托结构的损伤与破坏是在此高应变率下产生的,因此,对弹托材料不仅要有好的静态性能,更要有好的动态性能。而Al-Li合金的动态性能与LC4的动态性能接近,Al-Li合金材料用于弹托时,在某口径炮上进行了射击试验,结果射击过程中,弹丸飞行姿态正确,满足发射强度要求,脱壳顺利、一致。因此用Al-Li合金代替LC4(或LC9)加工弹托,不仅可以满足弹丸的发射要求,而且可以提高弹丸的穿甲性能。
3）非金属复合材料弹托
非金属复合材料以它特有的高强度、高弹模、低密度特性,广泛应用于各领域,并已逐步成为不可替代的重要材料,科学家预言:“2000年以后,复合材料将比单一材料占有更优先的位置”。非金属复合材料通常是指将增强纤维加入到基体树脂材料之中,使之具有较高的力学性能和较低的密度。复合材料分为热固性和热塑性两种,我国目前的复合材料大多数是采用热固性,但近几年来,在热塑性复合材料领域也有了较大的发展。复合材料的力学性能取决于增强材料的力学性能,目前采用的增强材料有玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、石墨纤维等非金属复合材料在与金属材料的力学性能相当的前提下,其密度远低于金属材料,以碳纤/环氧树脂与LC9CS为例相比,强度提高91%,密度却下降43%,比强度高出3倍以上。因此,可用高强度稀土镁合金经超塑成型的弹托经靶场试以极大地降低弹托质量,提高弹丸的初速和穿甲威力。对国内某定型产品,采用碳纤/环氧树脂代替LC9CS加工弹托,则弹托重量减轻0.81kg,在相同装药量时,弹丸初速提高了67m/s,使该产品的有效穿甲距离在原来基础上增加约1300mm以上,这对提高我军的作战能力具有极其重要的意义。与金属材料相比,非金属复合材料另一个特点是成型工艺简单,可以根据模具的不同,一次成形结构复杂的产品,避免二次机械加工所造成的材料强度损失,同时也充分提高了材料的利用率。由于弹托与飞行弹体之间通常以梯形齿传递载荷,各个梯形齿承受较大的剪切应力,而非金属复合材料的一个致命弱点是层间剪切和面内剪切强度较低,有些复合材料的层间剪切强度仅为抗拉强度的1/10左右,因此,要将非金属复合材料真正用于弹托设计,还有较多的工作要做,应从材料的组分优化、材料结构排列、产品的成形工艺以及弹托的结构设计、弹托与飞行弹体间力的传递方式等进行深入的探讨和研究。