穿甲弹弹芯材料的发展趋势研究_岳明凯

一般情况下 , 贫铀合金弹芯 的侵彻能力在同等情况下较钨合 金弹芯高约 10 % ～ 15 %。试验 表明二者的主要区别在于贫铀合 金材料的临界绝热剪切应变率和 临界绝热剪切应变值较低 , 易于 发生绝热剪切断裂 , 具有 “自锐 ” 效应 ;而钨合金弹芯在轴向侵彻 力作用下 , 头部呈 “蘑菇状 ”, 导 致侵 彻 阻力 增大 , 侵 彻 能力 降 低 [ 1] 。但是由于贫铀合金的放射 性污染 , 很多国家已经禁止使用
3 复合材料穿甲弹芯 高密度钨合金弹芯材料的研
究在相当长的时间内主要集中在 合金成分 、 粉末冶金工艺 、 热处 理和形变加工工艺上 , 虽然材料 强度已有较大突破 。但这还不足 以满足由于装甲板抗弹能力日益 增强而需要更大幅度地提高穿甲 弹威力的要求 。因此 , 20世纪 80 年代后国外开展了各种复合材料 的研究 , 如 Al-Fe、 Al-W丝 、 AlSiC、 Pb-Fe、 钢 -W、 U-W丝等 。
DO I :10.16338/j .issn.1009 -1319.2010.12.012
引战系统
穿甲弹弹芯材料的发展趋势研究
岳明凯 曲家惠
摘 要 穿甲 弹 的弹 芯 是穿 甲
弹的主体 , 弹芯 材料 的性能 直接 决定 穿甲弹的侵 彻性 能 。对穿甲 弹及 其弹 芯材料的研究现状 和发展 趋势进 行了 详尽的分 析 , 阐述 了贫 铀 合金 、 钨 合 金和复合材 料的 侵彻性 能差 别 ;提出 了开发具有绝热剪切敏感性和 “自锐 ” 效应的新型 材料 , 穿 甲威力 提高 到贫 铀合金的侵彻水平 是穿甲 弹弹芯 材料 研究的主攻方向 。
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பைடு நூலகம்
克 炮 配 备 了 M827、 M829 和 M829A1型 贫 铀 穿甲 弹 。据 悉 , 美国不仅拥有坦克炮用贫铀弹 , 还拥有 25 mm A-10机载 、 AV-8 舰载 贫铀弹和 7.62 mm狙击步 枪专用贫铀弹 , 30 mm阿帕奇武 装直升 机专 用贫 铀 弹及 20 mm AH-1W眼镜蛇武装直 升机专用 贫铀弹 。处于研制阶段的还有布 雷得利 25 mm自动炮的 穿甲弹 药 [ 3] 。经过 40多年的开发研究 , 贫铀弹已形成一个庞大家族 , 其 穿甲能力 也不 断提高 。 20 世纪 90年代中期美军 装备的 XM946 式贫 铀穿甲 弹穿甲 度就 已达到 800 mm ～ 900 mm, 并已 向高精 度的 “灵巧型 ”发展 。
贫铀弹的出现有效地提高了 穿甲弹的威力 。在 海湾战争 中 , 苏制 T-72 坦克 125 mm加农 炮 (非 贫 铀 弹 )最 大 有 效 射 程 为 1 800 m, 不能 穿 透美 M1A1 坦 克贫 铀 装 甲 ;而 美 M1A1 坦 克 120 mm加农炮 (贫铀弹 )则在加 倍距离上 可击穿苏制 T-72 非贫 铀装甲 。贫铀合金由于具有优异 的弹道特性而被广泛地用作动能 穿甲弹弹芯材料 。但是 , 考虑到 贫铀合金具有重金属化学毒性和 放射性危害 , 世界禁用的呼声也 越来越高 。
几十种火炮上装备了钨合金穿甲 弹 , 火 炮 口 径 从 60 mm 到 125 mm, 弹 芯 最 大 质 量 可 达 4 kg, 并采 用了 多种 组装 形式 , 如整体 、 多块 、 加钢套等 。由 于 高密度钨合金的力学性能和弹道 性能得以不断研究与改进 , 加之 钨原料的供应不断得到改善 , 美 国耐热金属会的一些人士便主张
随着 20世纪 60年代多层装 甲的兴起 , 钨合金穿甲弹穿过夹 层装甲前易于破裂的缺点越来越 明显 , 这有力地刺激了新合金和 新材料弹芯的研制 。美国是最早 研制和使用贫铀武器的国家 。 20 世纪 50年代末到 60年代初 , 美 国便开始用铀及其合金制造常规 武器弹药 , 主要用于穿甲弹弹芯 和破甲弹 的药型罩 。 20世 纪 70 年代后 , 美国研制开发了坦克炮 用贫铀弹 , 并先后在 M60坦克和 M1坦克的 105 mm坦克 炮上 配 备了 M735A1 (第 1 代 )、 M774 (第 2 代 )、 M833 (第 3 代 )、 M900(第 4 代 )贫铀穿甲弹 ;另 外 , 还为 M1A坦克的 120 mm坦
贫铀穿甲弹在现代战争中已 被屡屡使用并显示其威力 。最早 使用的贫铀弹是在 1982年的英 阿马岛战争中 , 而让世界真正认 识贫铀弹穿甲威力的则是海湾战 争 。在 1991年的海湾战争中 , 美 国首次大规模使用了坦克贫铀炮 弹和贫 铀装 甲材 料 , 以及 A-10 攻击机的贫铀炮弹 、 贫铀穿甲弹 等贫铀武器 。美国海 、 陆 、 空军 使用 贫铀 炮弹 摧毁 了伊 拉克 4 000多辆装 甲战斗 车辆 , 而美
北约 集 团 的 原 西 德 Fraunhofer研究所 研究了 锻造 后的高 密度钨合金丝与镍 、 不锈钢 、 高 温合金等的复合材料 , 这种材料 具有极高的韧性和冲击强度 , 由 这种材料制得的弹芯长径比可达 40以上 , 据称 , 可穿 透 700 mm 均质装甲钢板 。
美国曾研究了经镀覆的丝增 强基体材料 、 熔 渗丝增强 材料 、 粉末 -钨丝及基组成的复合材料 , 试验表明 , 在钨合金丝上电沉积 铜和化学汽相沉积钽 , 不会降低 钨合金钨丝的强度和塑性 , 但电 沉积会使钨丝的性能降低 。美国 还研究了一种钨合金丝增强的铀
本文 2010-07-13收到 , 作者分别系沈阳 理工大学装备工程学院副教授 、 教授
飞航导弹 2010年第 12期
贫铀弹 。目前 , 国内外对穿甲弹 芯材料技术的研究热点主要集中 在提高钨合金韧性 、 研制新型绝 热剪切钨合金 、新型钨纤维或晶 须 、 增强复合弹芯材料及集束式 钨弹芯材料等方面 , 其中超细晶 钨基材料是新型绝热剪切钨合金 材料中的一种 , 很多学者正致力 于超细晶弹芯材料的研究 。下面 将主要介绍贫铀合金 、 钨合金及 复合材料在穿甲弹芯上的应用和 发展 。
采用钨合金和贫铀合金做弹芯 , 可击 穿大倾 角的装 甲和 复合装 甲。
由于穿甲弹完全靠动能破坏 装甲 , 所以弹芯的动能和弹芯的 材料性能便成了最重要的性能指 标 。为了击穿坦克装甲 , 弹芯的 硬度必须高 , 同时还要有足够的 韧性 。动能越大, 穿甲威力越 大 ;韧性好 , 膛内发射和碰击装 甲时 不 易破 碎 。 国外 普 遍采 用 钨、 贫铀合金做穿甲弹弹芯材 料, 这两种金属的密度都在 19 g/cm3左右 , 大约是钢密度的 2.5倍 ;同时这两种金属合金的 硬度都很高 , 因此非常适合做穿 甲弹弹芯 , 目前国外绝大多数国 家装备的都是钨合金或者贫铀合 金的穿甲弹 。
军仅被伊拉克炮火毁伤 25 辆战 车 。这场战争中 , 美军共有 1 772 辆 M1A1系列坦克 , 其中有 594 辆采用贫铀夹层装甲皆未被伊拉 克炮火 、 反坦克导弹和步兵反坦 克武器所穿透 。战后美国防部充 分肯定了使用贫铀武器的重大军 事意义 , 并坚持在以后的战争中 继续使用 。波黑战争中 , 北约使 用了 1 万 多枚 贫铀 弹 , 在 1999 年空袭南联盟的侵略战争中以美 国为首的北约部队又大规模应用 贫铀武器 , 有约 30 t贫铀弹被遗 留在狭小的科索沃战场[ 3] 。在伊 拉克战争中 , 据不完全统计 , 美 军仅 A-10雷电攻击机在伊拉克 境内投 下的 贫铀 弹残 片就 达 75 t。
关键词 穿甲弹 贫 铀合金
钨合金 绝热剪切 敏感性 自锐
引 言 穿甲弹出现于 19世纪 60年
代 , 最初主要用来对付覆有装甲 的工事和舰艇 。第一次世界大战 出现坦克以后 , 穿甲弹在与坦克 的斗争中得到迅速发展 。普通穿 甲弹采用高强度合金钢做弹体 , 头部采用不同的结构形状和不同 的硬度分布 , 对轻型装甲的毁伤 有较好的效果 。在第二次世界大 战中出现了重型坦克 , 相应地研 制出碳化钨弹芯的次口径超速穿 甲弹 , 由于减轻弹重, 提高初 速 , 增加了着靶比动能 , 提高了 穿甲威力 。 20世纪 60年代研 制 出 了尾翼 稳定超 速脱壳 穿甲 弹 (见图 1), 能获得很高的着靶比 动能, 穿甲威力得到大幅度提 高 。 20世纪 70 年代后 , 这种 弹
钨可以而且应该用作穿甲弹弹芯 的主要材料 。
随着主战坦克 、 舰船装甲及 各种军用工事的日益强化 , 对穿
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甲弹 性能提 出了越 来越 高的要 求 。高密度钨合金动能穿甲弹不 仅具有良好的穿甲威力 , 而且与 贫铀合金穿甲弹相比具有无毒 、 无放射性污染等优点 , 是当今世 界各 国装备 的主要 穿甲 弹用材 料 , 也是穿甲弹今后发展的主要 方向 。采用添加合金元素 、 粉末 改性 、 对试样进行后续处理等手 段都可以有效地改善钨合金材料 的某些性能 。
2 钨合金穿甲弹芯 理论研究证明 , 穿甲弹芯侵
彻装甲的深度同其制造材料密度 的平方成正比 。增大弹芯材料的 密度就等于增加弹芯的动能 , 提 高弹芯的侵彻能力 。钨合金是一 类以钨为基 (钨的质量分数通常
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为 80% ～ 97 %), 并添加有 Ni、 Fe、 Mn、 Co、 Cu、 Mo、 Cr等元素 的合金 , 其密度高达 16.5 g/cm3 ～ 19 g/cm3 。高密度钨合金不仅 密度大 , 而且还具有一系列优异 的性能 , 例如强度高 、 硬度高 、 延性好 、机械加工性能好 、 热膨 胀系数小 、 导热系数大 、 抗氧化 和抗腐蚀性能好 、 可焊性好等优 点 [ 4] , 因此被广泛用于国民经济 各工业部门和国防工业方面 , 也 使得高密度钨合金无论是在工艺 上 、 性能上、 机理研究上 , 都吸 引了各国 科学 家们 的 极大 兴 趣 [ 5] 。
钨合金材料的发展经历了以 下几个阶段 :高强 度钢 -WC硬 质 合金 、 烧结态钨合金 、 深加工高 密度 钨合 金 (形变 加 工 及 热 处 理 )和高密 度钨合 金复合 材料 。 1976年 , 美国陆军外围科学和工 艺中 心 (FSTC)召 开专 门 会议 , 公布了变形加工态高密度钨合金 的研究结果 , 这表明第四代的穿 甲弹钨合金弹芯材料基本研制成 功 。到 20世纪 80年代 , 世界一 些主要国家分别在十几种坦克和