金属材料在军事装备上的应用

金属材料在军事装备上的

应用

金属合金在军事装备上的应用

班级：机自1305

学号：41340156

姓名：包龙飞

金属合金在军事装备上的应用

关键词：金属材料军事上的应用

摘要：军用新材料是军用高技术的基础，谁能更快地开发和应用具有特定性能的新材料，谁就拥有最强大的技术潜力。因此世界各国军事部门都把军用新材料的研究开发放在特殊的地位，各国的军用高技术计划无不以新材料作为其重要的内容之…

金属材料是最重要的工程材料之一。按冶金工艺，金属材料可以

分为铸锻材料、粉末冶金材料和金属基复合材料。铸锻材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料包括钢、铸铁和各种铁合金。有色金属是指除黑色金属以外的所有金属及其合金，如铝及铝合金、铜及铜合金等。工程结构中所用的金属材料90%以上是钢铁材料，其资源丰富、生产简单、价格便宜、性能优良、用途广泛。钢有分为碳钢和合金钢，铸铁又分为灰口铸铁和白口铸铁。金属材料的结构及其性能决定了它的应用。而金属材料的性能包括工艺性能和使用性能。工艺性能是指在加工制造过程中材料适应加工的性能，如铸造性、锻造性、焊接性、淬透性、切削加工性等。使用性能是指材料在使用条件和使用环境下所表现出来的性能，包括力学性能（如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等）、物理性能（如熔点、密度热容、电阻率、磁性强度等）和化学性能（如耐腐蚀性、抗氧化性等）。

军用材料按材料性能和用途可分为结构材料和功能材料两大类,

主要应用于航空工业、航天工业、兵器工业和船舰工业中。结构材料

主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀和抗辐射等性能要求。以下介绍的则是当下最主要也是最火热的金属合金材料在世界军事装备上的应用。

一：铝合金

铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料。铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点，作为结构材料，因其加工性能优良，可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等，以充分发挥材料的潜力，提高构件刚、强度。所以，铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料。铝合金在航空工业中主要用于制造飞机的蒙皮、隔框、长梁和珩条等；在航天工业中，铝合金是运载火箭和宇宙飞行器结构件的重要材料，在兵器领域，铝合金已成功地用于步兵战车和装甲运输车上，最近研制的榴弹炮炮架也大量采用了新型铝合金材料。近年来，铝合金在航空航天业中的用量有所减少，但它仍是军事工业中主要的结构材料之一。铝合金的发展趋势是追求高纯、高强、高韧和耐高温，在军事工业中应用的铝合金主要有铝锂合金、铝铜合金（2000系列）和铝锌镁合金（7000系列）。新型铝锂合金应用于航空工业中，预测飞机重量将下降8~15%；铝锂合金同样也将成为航天飞行器和薄壁导弹壳体的候选结构材料。随着航空航天业的迅速发展，铝锂合金的研究重点仍然是解决厚度方向的韧性差和降低成本的问题。

二：镁合金

镁合金在航空、航天较早得到应用, 在兵器上也得到一定应用,最早应用于军事工业领域是在1916 年,被用于制造77mm 炮弹引线。国外

一些发达国家由于资源原因,对镁合金在兵器上的应用还持谨慎态度。镁合金在兵器上应用的有关实例如下所述。法国AMX - 30 坦克为法国装甲部队的主要装备之一,是二次世界大战后法国生产数量最多的坦克,AMX - 30 坦克的CN105F1 型105mm 线膛炮的身管热护套采用了镁合金。英军的大口径120mmBATL6Wombat 无后座力反坦克炮采用了镁合金,大大减轻了重量,加上所配的M8 0. 5in 步枪,总重才308kg。美国制造的一种Racegun (强装药,运用了先进技术的战斗用手枪) , 其扳机等零件采用镁、钛合金, 重量减轻45 % ,击发时间减少66 %。美国研制中的新式单兵作战系统(OICW) ,功能齐全,很多零件采用了轻合金,重量仅8. 172kg ,但军方仍希望进一步减重1. 8kg 以上。俄罗斯生产的POSP6 ×12 枪用变焦距观测镜壳体采用镁合金;法国WK50 式反坦克枪榴弹应用了镁合金,全弹质量仅800g。美军装备的M274A1 型军用吉普车采用了镁合金车身及桥壳,大大减轻了重量,具有良好的机动性及越野性能,4个士兵可以抬起来。有的改型还装上无后座力炮,成了最袖珍的自行火炮。美国水陆两栖突击车AAAV 采用WE43A 镁合金制造动力传送舱。

质量是影响兵器装备实现战场快速反应能力的主要因素之一,所以,现代高技术战争对兵器装备的质量指标提出了极为苛刻的要求。发达国家无一不投入巨资,研究轻质结构材料以及与之配套的先进制造技术,以期减轻兵器装备质量,提高兵器装备的机动性,增加携弹量和野战辅助系统用量,提高兵器及士兵战场生存和作战能力。镁合金由于上诉一系列优点,成为了兵器轻量化的理想材料。从兵器零件的使用特点

和性能要求分析,枪械武器、装甲车辆、导弹、火炮、弹药、光电仪器、武器用计算机及军用器材中有较大数量的铝合金零件和工程塑料件,根据目前镁合金材料的性能和使用特点,改用镁合金材料制造相关零件,在技术上是可行的,并且有如下的发展趋势。

三：钛合金

钛合金具有较高的抗拉强度（441~1470兆帕），较低的密度（4.5g/cm3），优良的抗腐蚀性能和在300~550oC温度下有一定的高温持久强度和很好的低温冲击韧性，是一种理想的轻质结构材料。钛合金具有超塑性的功能特点，采用超塑成形－扩散连接技术，可以以很少的能量消耗和材料消耗将合金制成形状复杂和尺寸精密的制品。

钛合金在航空工业中的应用主要是制作飞机的机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和接头等；在航天工业中，钛合金主要用来制作承力构件、框架、气瓶、压力容器、涡轮泵壳、固体火箭发动机壳体及喷管等零部件。50年代初，在一些军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等结构件；60年代，钛合金在飞机结构上的应用扩大到襟翼滑轧、承力隔框、起落架梁等主要受力结构中；70年代以来，钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加，从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机，它在F14和F15飞机上的用量占结构重量的25%，在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和33%；80年代以后，钛合金材料和工艺技术达到了进一步发展，一架B1B飞机需要90402公斤钛材。现有的航

空航天用钛合金中，应用最广泛的是多用途的a+b型Ti-6Al-4V合金。近年来，西方和俄罗斯相继研究出两种新型钛合金，它们分别是高强高韧可焊及成形性良好的钛合金和高温高强阻燃钛合金，这两种先进钛合金在未来的航空航天业中具有良好的应用前景。

随着现代战争的发展，陆军部队需求具有威力大、射程远、精度高、有快速反应能力的多功能的先进加榴炮系统。先进加榴炮系统的关键技术之一是新材料技术。自行火炮炮塔、构件、轻金属装甲车用材料的轻量化是武器发展的必然趋势。在保证动态与防护的前提下，钛合金在陆军武器上有着广泛的应用。155火炮制退器采用钛合金后不仅可以减轻重量，还可以减少火炮身管因重力引起的变形，有效地提高了射击精度；在主战坦克及直升机－反坦克多用途导弹上的一些形状复杂的构件可用钛合金制造，这既能满足产品的性能要求又可减少部件的加工费用。

在过去相当长的时间里，钛合金由于制造成本昂贵，应用受到了极大的限制。近年来，世界各国正在积极开发低成本的钛合金，在降低成本的同时，还要提高钛合金的性能。在我国，钛合金的制造成本还比较高，随着钛合金用量的逐渐增大，寻求较低的制造成本是发展钛合金的必然趋势。

四：超高强度钢和先进高温合金

超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200兆帕和1400兆帕的钢，它是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开

发的。超高强度钢大量用于制造火箭发??压容器和一些常规武器。由于钛合金和复合材料在飞机上应用的扩大，钢在飞机上用量有所减少，但是飞机上的关键承力构件仍采用超高强度钢制造。目前，在国际上有代表性的低合金超高强度钢300M，是典型的飞机起落架用钢。此外，低合金超高强度钢D6AC是典型的固体火箭发动机壳体材料。超高强度钢的发展趋势是在保证超高强度的同时，不断提高韧性和抗应力腐蚀能力。

高温合金是航空航天动力系统的关键材料。高温合金是在600~1200oC高温下能承受一定应力并具有抗氧化和抗腐蚀能力的合金，它是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。按照基体组元的不同，高温合金分为铁基、镍基和钴基三大类。发动机涡轮盘在60 年代前一直是用锻造高温合金制造，典型的牌号有A286和Inconel 718。70年代，美国GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56发动机涡轮盘，大大增加了它的推重比，使用温度显著提高。从此，粉末冶金涡轮盘得以迅速发展。最近美国采用喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮盘，与粉末高温合金相比，工序简单，成本降低，具有良好的锻造加工性能，是一种有极大发展潜力的制备技术。五：钨合金

钨的熔点在金属中最高，其突出的优点是高熔点带来材料良好的高温强度与耐蚀性，在军事工业特别是武器制造方面表现出了优异的特性。在兵器工业中它主要用于制作各种穿甲弹的战斗部。钨合金通过粉末预处理技术和大变形强化技术，细化了材料的晶粒，拉长了晶

粒的取向，以此提高材料的强韧性和侵彻威力。我国研制的主战坦克125Ⅱ型穿甲弹钨芯材料为W-Ni-Fe，采用变密度压坯烧结工艺，平均性能达到抗拉强度1200兆帕，延伸率为15%以上，战技指标为2000米距离击穿600毫米厚均质钢装甲。目前钨合金广泛应用于主战坦克大长径比穿甲弹、中小口径防空穿甲弹和超高速动能穿甲弹用弹芯材料，这使各种穿甲弹具有更为强大的击穿威力。

六：金属基复合材料

金属基复合材料具有高的比强度、高的比模量、良好的高温性能、低的热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性在军事工业中得到了广泛的应用。铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类，其中颗粒增强铝基复合材料已进入型号验证，如用于F－16战斗机作为腹鳍代替铝合金，其刚度和寿命大幅度提高。碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，成功地用于制作人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜、人造卫星抛物面天线等；碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损的特点，可用于制作火箭、导弹构件，红外及激光制导系统构件，精密航空电子器件等；碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能，是高推重比发动机的理想结构材料，目前已进入先进发动机的试车阶段。在兵器工业领域，金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托，反直升机/ 反坦克多用途导弹固体发动机壳体等零部件，以此来减轻战斗部重量，提高作战能力。

七：金属间化合物

金属间化合物具有长程有序的超点阵结构，保持很强的金属键结合，使它们具有许多特殊的理化性质和力学性能。金属间化合物具有优异的热强性，近年来已成为国内外积极研究的重要的新型高温结构材料。在军事工业中，金属间化合物已被用于制造承受热负荷的零部件上，如美国普奥公司制造了JT90燃气涡轮发动机叶片，美国空军用钛铝制造小型飞机发动机转子叶片等，俄罗斯用钛铝金属间化合物代替耐热合金作活塞顶，大幅度地提高了发动机的性能。在兵器工业领域，坦克发动机增压器涡轮材料为K18镍基高温合金，因其比重大、起动惯量大而影响了坦克的加速性能，应用钛铝金属间化合物及其由氧化铝、碳化硅纤维增强的复合轻质耐热新材料，可以大大改善坦克的起动性能，提高战场上的生存能力。此外，金属间化合物还可用于多种耐热部件，减轻重量，提高可靠性与战技指标。

参考文献：

1：书名《金属材料学》,作者戴启勋，化学工业出版社出版。

2：书名《金属材料学》，主编杨超聪，张文莉，东北大学出版社。

3：书名《美国武器大百科》，军情视点编，化学工业出版社，2015。4: 书名《陆军武器大百科》，军情视点编，化学工业出版社，2015。5:书名《空军武器大百科》，军情视点编，化学工业出版社，2015。6：https://www.360docs.net/doc/0f9723736.html,/中华军事网