溫度對某槍管材料力學(xué)性能影響試驗

曹 帥，徐 誠

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094)

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

溫度對某槍管材料力學(xué)性能影響試驗

曹 帥，徐 誠

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094)

為了研究溫度對槍管材料30SiMn2MoVA力學(xué)性能的影響，將槍管材料加熱到不同溫度(20℃～600℃)進行拉伸試驗；試驗得到了不同溫度下槍管材料的屈服強度、抗拉強度、彈性模量、斷后伸長率；根據(jù)試驗結(jié)果，建立了高溫下槍管材料屈服強度、抗拉強度、彈性模量與溫度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停辉囼灡砻鳎弘S著溫度的升高，槍管材料的屈服強度、抗拉強度、彈性模量不斷降低，斷后伸長率在20℃～500℃有較小波動，在500℃～600℃急劇升高，研究結(jié)果為槍管和彈丸相互作用機理提供了參考。

高溫；試驗；槍管；力學(xué)性能

槍械在連發(fā)射擊后單發(fā)射擊平均彈著點與初始狀態(tài)偏差較大，這種冷熱偏現(xiàn)象在槍械中經(jīng)常出現(xiàn)，但目前人們對該現(xiàn)象的主控因素和形成機理了解不多[1]。彈丸在槍管的運動過程中彈頭殼始終與槍管膛線接觸，并且承受高溫的作用，膛內(nèi)火藥燃氣溫度一般可達到2 000℃～3 000℃[2-3]。高溫環(huán)境對槍管的材料性能產(chǎn)生影響，其材料性能的變化對彈丸出槍口的運動姿態(tài)的影響規(guī)律，目前尚不得而知[4]。因此，亟需了解不同溫度條件下槍管力學(xué)性能變化特性。

目前，國內(nèi)高溫下的材料性能試驗主要是針對建筑領(lǐng)域的鋼材料和其他行業(yè)的新型復(fù)合材料等[5-10]。但是，針對兵器領(lǐng)域所做的材料試驗較少，槍管材料屬于高強度合金結(jié)構(gòu)鋼，采用了特殊的熱處理方式，與其他領(lǐng)域的鋼材料差距很大，了解其力學(xué)性能對研究槍彈相互作用機理尤為重要，本文針對槍管所用鋼材料進行了相應(yīng)的試驗研究。

1 試驗設(shè)計

1.1 材料試件

槍管材料所需試件按照《金屬材料高溫拉伸方法》(GB4338—2006)并參考試驗夾具設(shè)計加工，幾何尺寸如圖1所示。根據(jù)圖1的幾何尺寸加工出的材料試件如圖2所示。

圖1 試件圖(單位：mm)

圖2 試件實物

1.2 試驗步驟

槍管材料夾持方法如圖3所示，夾具選用兩個夾錘。試驗過程如下：

測量試件尺寸，在試件上畫好標距；將試件裝在電子試驗萬能試驗機夾具上，將測溫的三根導(dǎo)線用鐵絲固定在試件上，使其貼緊試件，通過微機控制系統(tǒng)給試件一定的預(yù)拉力；用溫度控制器將材料設(shè)定到對應(yīng)的試驗溫度，然后用加熱爐對試件加熱，其間用棉花封住加熱爐上下出口避免熱量流失。常溫時，試件要加引伸計；在溫度保持了一段時間后，拉伸試件，直至試件拉斷，記錄下試驗數(shù)據(jù)。常溫時，蜂鳴聲響起時摘掉引伸計；用游標卡尺測量試件拉斷后各尺寸參數(shù)并記錄。

2 試驗結(jié)果與分析

在常溫、200℃、300℃、400℃、500℃和600℃條件下，對試件進行拉伸，每種溫度條件下分別重復(fù)拉伸2次，試驗結(jié)果一致性良好，取2次試驗的均值進行試驗結(jié)果分析。由于引伸儀高溫時無法使用，故常溫時可以得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，高溫下測得的移動臺位移與試件變形位移差距較大，故高溫下得到的是載荷-位移曲線。槍管材料常溫下應(yīng)力-應(yīng)變曲線和不同溫度下載荷-位移曲線如圖4、圖5所示。

圖3 試件夾持

圖4 槍管材料常溫下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 槍管材料不同溫度下載荷-位移曲線

從圖5可以明顯看出，隨著溫度的升高曲線的最高點逐漸降低，說明其抗拉強度隨著溫度升高而降低。曲線的前半段上升階段的斜率逐漸增大，說明其彈性模量隨著溫度升高逐漸減小。

1) 屈服強度。此次試驗，鋼材料并沒有明顯的屈服過程，以0.2%的殘余應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力值作為屈服強度，屈服強度隨溫度變化曲線如圖6所示。隨著溫度的升高，屈服強度值不斷減小。其中在20℃～400℃時，下降較均勻，400℃之后，下降較快。當溫度為200℃和300℃，屈服強度分別為1 070 MPa和1 045 MPa，相對于常溫分別下降了10.5%和12.6%。當溫度為400℃、500℃和600℃時，屈服強度分別為985 MPa、865 MPa和580 MPa，相對于常溫分別下降了17.8%、27.6%和51.4%。

圖6 槍管材料屈服強度隨溫度變化曲線

2) 抗拉強度。槍管材料抗拉強度隨溫度變化的曲線如圖7所示，隨著溫度的升高，槍管鋼材料的抗拉強度不斷下降。在常溫20℃時，其抗拉強度為1 235 MPa。溫度從20℃到200℃，抗拉強度降到1 160 MPa，下降了約6.1%；300℃時，抗拉強度為1 120 MPa，僅比200℃降低了40 MPa，相對于常溫20℃下降了約9.3%；400℃時，抗拉強度相對于常溫20℃下降了約16.6%；400℃之后，抗拉強度大幅度下降，其中500℃抗拉強度相對于常溫下降了約27.9%，600℃抗拉強度相對于常溫下降了51.0%。

圖7 槍管材料抗拉強度隨溫度變化曲線

圖6和圖7的試驗結(jié)果表明：溫度對槍管材料的屈服強度和抗拉強度有著極大影響。尤其是當溫度超過600℃時，槍管材料的抗拉強度和屈服強度值出現(xiàn)顯著下降，這與材料內(nèi)部的組織改變有關(guān)。因此，應(yīng)避免槍械長時間連續(xù)射擊，要注意槍管的冷卻。

3) 斷后伸長率。槍管材料斷后伸長率隨溫度的變化曲線如圖8所示，槍管材料斷后伸長率在20℃～500℃變化不是很大，呈較小的波動狀態(tài)，當溫度為600℃時，槍管材料的斷后伸長率出現(xiàn)了極端變比，較20℃～500℃增加了55.6%。

試驗結(jié)果表明：當溫度不超過500℃時，槍管材料的伸長率變化不明顯，說明材料組織還沒有發(fā)生明顯的變化；當超過500℃時，材料的組織發(fā)生變化進而導(dǎo)致伸長率顯著增加，槍械使用時，若槍管材料的伸長率增加必然導(dǎo)致槍管變形，影響槍管的射擊準備度。因此，為了保證槍械射擊精準度，要避免槍械長時間連續(xù)射擊或采用一定的冷卻措施。

圖8 槍管材料斷后伸長率隨溫度變化曲線

4) 彈性模量。材料在彈性變形階段，應(yīng)力和應(yīng)變成正比關(guān)系，彈性模量指的是彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變的比值。本次試驗常溫時通過引伸計測的是試件位移，高溫測的是試驗臺位移，與試件位移相差較大。通過ANSYS仿真，比較常溫時試件位移和試驗臺位移，找到系統(tǒng)誤差，估算高溫時試件位移，最后估算高溫下彈性模量。計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 槍管材料彈性模量隨溫度變化曲線

整體上槍管鋼材料的彈性模量隨溫度升高呈不斷減小的趨勢，其中常溫時，彈性模量為207 GPa；當溫度為200℃和300℃時，槍管材料的彈性模量分別為204 GPa、200 GPa，相對于常溫分別降低了1.4%、3.3%，變化不是很大。當溫度為400℃、500℃和600℃時，槍管材料的彈性模量分別為195 GPa、190 GPa、182 GPa，相對于常溫分別降低了5.8%、8.2%、12.0%。

試驗結(jié)果表明：在20℃～600℃鋼的彈性模量隨著溫度的升高而均勻降低，彈性模量的降低，意味著槍管材料變軟，這也與材料內(nèi)部組織的改變有關(guān)，使得材料更容易變形。

3 溫度對材料力學(xué)性能影響的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/h2>

有限元仿真中，不同溫度下的材料性能參數(shù)對仿真結(jié)果有著重要影響，本文在試驗的基礎(chǔ)上，擬合了材料的屈服強度、抗拉強度、彈性模量三項力學(xué)性能指標,得到其經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

屈服強度經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

其中，Rp0.2(T)為溫度為T時鋼材料的屈服強度(MPa)；Rp0.2為常溫下鋼材料的屈服強度(MPa)；T為鋼材料的溫度(K)。

抗拉強度經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

其中，Rm(T)為溫度為T時鋼材料的抗拉強度(MPa)；Rm為常溫下鋼材料的抗拉強度(MPa)。

彈性模量經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

其中，E(T)為溫度為T時鋼材料的彈性模量(GPa)；E為常溫下鋼材料的彈性模量(GPa)。

擬合曲線和試驗對比如圖10～圖12所示。

圖10 屈服強度理論模型與試驗值

圖11 抗拉強度理論模型與試驗值

圖12 彈性模量理論模型與試驗值

4 結(jié)論

研究表明：溫度對槍管鋼材料參數(shù)具有顯著影響，隨著溫度的升高，材料的力學(xué)性能除斷后伸長率外，都不斷降低。研究結(jié)果為槍管的設(shè)計和維護提供參考，同時也為槍彈的高溫下仿真提供了較為準確的材料模型參數(shù)。

[1] 丁建春.彈丸膛內(nèi)動力分析[D].南京：南京理工大學(xué)，2001.

[2] 金志明.現(xiàn)代內(nèi)彈道學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1992.

[3] 陸家鵬，譚興良，雷志義.自動武器氣體動力學(xué)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1991.

[4] 陸文廣，芮筱亭，顧金良，等.彈丸膛內(nèi)姿態(tài)與縱向運動測試與分析[J].兵工學(xué)報，2006， 27(1)：149-153.

[5] 趙麗，李晉峰.45鋼高溫拉伸性能試驗研究[J].大型鑄鍛件，2013， 5(8)：31-34.

[6] 劉星海,武鳳娟，武會賓，等.GCr15鋼的高溫力學(xué)性能研究[J].熱加工工藝， 2013,42(14):60-64.

[7] 陳建鋒，曹平周.高溫后結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能試驗[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報，2010,11(3):328-333.

[8] 毛雪平,王崗，張立殷，等.鎳基合金C276高溫拉伸力學(xué)性能的試驗分析[J].動力工程，2009，29(7)：699-702.

[9] 許江,張丹丹，彭守建，等.溫度對含瓦斯煤力學(xué)性質(zhì)影響的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(1)：2730-2735.

[10]徐世烺,李賀東.超高韌性水泥基復(fù)合材料直接拉伸試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2009，42(9)：32-39.

[11]張振輝，秦濤，付強. 槍管強度的理論計算與數(shù)值計算的誤差分析[J].兵工自動化，2015(1):28-31.

(責任編輯 楊繼森)

Experimental on Influence of Temperature on Mechanical Properties of Barrel in Material 30SiMn2MoVA

CAO Shuai，XU Cheng

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

In order to research influence of temperature on mechanical properties of barrel in material 30SiMn2MoVA, the barrel was heated to different temperatures (20～600℃) for tensile test. By doing the test, yield strength, tensile strength, modulus of elasticity and elongation of the barrel at different temperatures were obtained. According to testing result, empirical models for yield strength-temperature, tensile strength-temperature and modulus of elasticity-temperature were proposed. It shows that as temperature increases, yield strength, tensile strength, and modulus of elasticity of barrel decreases continuously. As for elongation, it fluctuates slightly from 20℃ to 500℃, and increases sharply from 500℃ to 600℃. Outcome of this paper can provide reference for interaction mechanism between barrel and projectile.

high-temperature；experiment；barrel；mechanical property

2016-09-15；

2016-10-16

國家自然科學(xué)基金項目(51575279)

曹帥(1992—)，男，碩士研究生，主要從事槍管溫度場仿真研究。

10.11809/scbgxb2017.02.035

曹帥，徐誠.溫度對某槍管材料力學(xué)性能影響試驗[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(2):159-162.

format:CAO Shuai，XU Cheng.Experimental on Influence of Temperature on Mechanical Properties of Barrel in Material 30SiMn2MoVA[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):159-162.

TJ04

A

2096-2304(2017)02-0159-04