温度对某枪管材料力学性能影响试验

曹 帅，徐 诚

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

【化学工程与材料科学】

温度对某枪管材料力学性能影响试验

曹 帅，徐 诚

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

为了研究温度对枪管材料30SiMn2MoVA力学性能的影响，将枪管材料加热到不同温度(20℃～600℃)进行拉伸试验；试验得到了不同温度下枪管材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、断后伸长率；根据试验结果，建立了高温下枪管材料屈服强度、抗拉强度、弹性模量与温度的经验模型；试验表明：随着温度的升高，枪管材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量不断降低，断后伸长率在20℃～500℃有较小波动，在500℃～600℃急剧升高，研究结果为枪管和弹丸相互作用机理提供了参考。

高温；试验；枪管；力学性能

枪械在连发射击后单发射击平均弹着点与初始状态偏差较大，这种冷热偏现象在枪械中经常出现，但目前人们对该现象的主控因素和形成机理了解不多[1]。弹丸在枪管的运动过程中弹头壳始终与枪管膛线接触，并且承受高温的作用，膛内火药燃气温度一般可达到2 000℃～3 000℃[2-3]。高温环境对枪管的材料性能产生影响，其材料性能的变化对弹丸出枪口的运动姿态的影响规律，目前尚不得而知[4]。因此，亟需了解不同温度条件下枪管力学性能变化特性。

目前，国内高温下的材料性能试验主要是针对建筑领域的钢材料和其他行业的新型复合材料等[5-10]。但是，针对兵器领域所做的材料试验较少，枪管材料属于高强度合金结构钢，采用了特殊的热处理方式，与其他领域的钢材料差距很大，了解其力学性能对研究枪弹相互作用机理尤为重要，本文针对枪管所用钢材料进行了相应的试验研究。

1 试验设计

1.1 材料试件

枪管材料所需试件按照《金属材料高温拉伸方法》(GB4338—2006)并参考试验夹具设计加工，几何尺寸如图1所示。根据图1的几何尺寸加工出的材料试件如图2所示。

图1 试件图(单位：mm)

图2 试件实物

1.2 试验步骤

枪管材料夹持方法如图3所示，夹具选用两个夹锤。试验过程如下：

测量试件尺寸，在试件上画好标距；将试件装在电子试验万能试验机夹具上，将测温的三根导线用铁丝固定在试件上，使其贴紧试件，通过微机控制系统给试件一定的预拉力；用温度控制器将材料设定到对应的试验温度，然后用加热炉对试件加热，其间用棉花封住加热炉上下出口避免热量流失。常温时，试件要加引伸计；在温度保持了一段时间后，拉伸试件，直至试件拉断，记录下试验数据。常温时，蜂鸣声响起时摘掉引伸计；用游标卡尺测量试件拉断后各尺寸参数并记录。

2 试验结果与分析

在常温、200℃、300℃、400℃、500℃和600℃条件下，对试件进行拉伸，每种温度条件下分别重复拉伸2次，试验结果一致性良好，取2次试验的均值进行试验结果分析。由于引伸仪高温时无法使用，故常温时可以得到材料的应力-应变曲线，高温下测得的移动台位移与试件变形位移差距较大，故高温下得到的是载荷-位移曲线。枪管材料常温下应力-应变曲线和不同温度下载荷-位移曲线如图4、图5所示。

图3 试件夹持

图4 枪管材料常温下应力-应变曲线

图5 枪管材料不同温度下载荷-位移曲线

从图5可以明显看出，随着温度的升高曲线的最高点逐渐降低，说明其抗拉强度随着温度升高而降低。曲线的前半段上升阶段的斜率逐渐增大，说明其弹性模量随着温度升高逐渐减小。

1) 屈服强度。此次试验，钢材料并没有明显的屈服过程，以0.2%的残余应变对应的应力值作为屈服强度，屈服强度随温度变化曲线如图6所示。随着温度的升高，屈服强度值不断减小。其中在20℃～400℃时，下降较均匀，400℃之后，下降较快。当温度为200℃和300℃，屈服强度分别为1 070 MPa和1 045 MPa，相对于常温分别下降了10.5%和12.6%。当温度为400℃、500℃和600℃时，屈服强度分别为985 MPa、865 MPa和580 MPa，相对于常温分别下降了17.8%、27.6%和51.4%。

图6 枪管材料屈服强度随温度变化曲线

2) 抗拉强度。枪管材料抗拉强度随温度变化的曲线如图7所示，随着温度的升高，枪管钢材料的抗拉强度不断下降。在常温20℃时，其抗拉强度为1 235 MPa。温度从20℃到200℃，抗拉强度降到1 160 MPa，下降了约6.1%；300℃时，抗拉强度为1 120 MPa，仅比200℃降低了40 MPa，相对于常温20℃下降了约9.3%；400℃时，抗拉强度相对于常温20℃下降了约16.6%；400℃之后，抗拉强度大幅度下降，其中500℃抗拉强度相对于常温下降了约27.9%，600℃抗拉强度相对于常温下降了51.0%。

图7 枪管材料抗拉强度随温度变化曲线

图6和图7的试验结果表明：温度对枪管材料的屈服强度和抗拉强度有着极大影响。尤其是当温度超过600℃时，枪管材料的抗拉强度和屈服强度值出现显著下降，这与材料内部的组织改变有关。因此，应避免枪械长时间连续射击，要注意枪管的冷却。

3) 断后伸长率。枪管材料断后伸长率随温度的变化曲线如图8所示，枪管材料断后伸长率在20℃～500℃变化不是很大，呈较小的波动状态，当温度为600℃时，枪管材料的断后伸长率出现了极端变比，较20℃～500℃增加了55.6%。

试验结果表明：当温度不超过500℃时，枪管材料的伸长率变化不明显，说明材料组织还没有发生明显的变化；当超过500℃时，材料的组织发生变化进而导致伸长率显著增加，枪械使用时，若枪管材料的伸长率增加必然导致枪管变形，影响枪管的射击准备度。因此，为了保证枪械射击精准度，要避免枪械长时间连续射击或采用一定的冷却措施。

图8 枪管材料断后伸长率随温度变化曲线

4) 弹性模量。材料在弹性变形阶段，应力和应变成正比关系，弹性模量指的是弹性阶段，应力与应变的比值。本次试验常温时通过引伸计测的是试件位移，高温测的是试验台位移，与试件位移相差较大。通过ANSYS仿真，比较常温时试件位移和试验台位移，找到系统误差，估算高温时试件位移，最后估算高温下弹性模量。计算结果如图9所示。

图9 枪管材料弹性模量随温度变化曲线

整体上枪管钢材料的弹性模量随温度升高呈不断减小的趋势，其中常温时，弹性模量为207 GPa；当温度为200℃和300℃时，枪管材料的弹性模量分别为204 GPa、200 GPa，相对于常温分别降低了1.4%、3.3%，变化不是很大。当温度为400℃、500℃和600℃时，枪管材料的弹性模量分别为195 GPa、190 GPa、182 GPa，相对于常温分别降低了5.8%、8.2%、12.0%。

试验结果表明：在20℃～600℃钢的弹性模量随着温度的升高而均匀降低，弹性模量的降低，意味着枪管材料变软，这也与材料内部组织的改变有关，使得材料更容易变形。

3 温度对材料力学性能影响的经验模型

有限元仿真中，不同温度下的材料性能参数对仿真结果有着重要影响，本文在试验的基础上，拟合了材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量三项力学性能指标,得到其经验模型。

屈服强度经验模型：

其中，Rp0.2(T)为温度为T时钢材料的屈服强度(MPa)；Rp0.2为常温下钢材料的屈服强度(MPa)；T为钢材料的温度(K)。

抗拉强度经验模型：

其中，Rm(T)为温度为T时钢材料的抗拉强度(MPa)；Rm为常温下钢材料的抗拉强度(MPa)。

弹性模量经验模型：

其中，E(T)为温度为T时钢材料的弹性模量(GPa)；E为常温下钢材料的弹性模量(GPa)。

拟合曲线和试验对比如图10～图12所示。

图10 屈服强度理论模型与试验值

图11 抗拉强度理论模型与试验值

图12 弹性模量理论模型与试验值

4 结论

研究表明：温度对枪管钢材料参数具有显著影响，随着温度的升高，材料的力学性能除断后伸长率外，都不断降低。研究结果为枪管的设计和维护提供参考，同时也为枪弹的高温下仿真提供了较为准确的材料模型参数。

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(责任编辑 杨继森)

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

国家自然科学基金项目(51575279)

曹帅(1992—)，男，硕士研究生，主要从事枪管温度场仿真研究。

10.11809/scbgxb2017.02.035

曹帅，徐诚.温度对某枪管材料力学性能影响试验[J].兵器装备工程学报，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