某型穿甲弹弹托材料储存状态下的老化寿命预估

杨岩峰，罗丹，杨万均，杨昊雨，李旭,5，李鸿飞，吴帅,5

（1.陆军工程大学石家庄校区，河北 050003； 2.西南技术工程研究所，重庆 400039； 3.国防科技工业自然环境试验研究中心，重庆 400039； 4.西藏拉萨大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，拉萨 850100；5.甘肃敦煌大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，敦煌 736202）

引言

某型穿甲弹弹托作为穿甲弹的主要受力件，在膛内担负着将火药气体的能量可靠地传递给飞行弹丸，变成飞行弹丸的穿甲动能，同时起到膛内引导和稳定作用[1]。因此，弹托材料必须具有很好的强度，才能满足弹丸膛内发射要求。从弹托在膛内的工作过程看，主要受到火药气体的冲击作用，因此，耐冲击强度应该是弹托材料最关键的性能表征参数。弹托材料随弹长期储存后，耐冲击强度若下降到合格指标要求以下，当穿甲弹发射时，弹托将无法承受火药气体的冲击作用而失去预定功能，可能引起穿甲弹发生爆炸等严重后果。国内外相关研究经验表明，弹托用尼龙66基体材料在实际储存或温度老化过程中，耐冲击强度会呈现波动下降趋势，可作为老化性能表征参数[2-5]。

本文选择了冲击强度性能作为寿命预估的评定指标，使用经过温度加速试验后再进行冲击试验的某型穿甲弹弹托拖材料的试验数据，计算得出试验温度下的老化速率常数，再通过方程拟合得出常温25 ℃条件下的老化速率常数。最后即可建立该型弹托材料的以冲击强度作为评定指标的性能退化方程，预估其老化寿命。

1 试验与测试

1.1 试验样品

本文采用某型穿甲弹弹托材料进行测试，按GB/T 1043.1-2008[6]规定的参数和数量进行试样制备，尺寸参数如图1所示，制备好的冲击试样见图2。

图1 弹托材料冲击试样尺寸

图2 制备好的弹托材料冲击试样

1.2 确定试验用最高温度点

使用Q600 SDT同步温度分析仪，以5 ℃/min升温速率，测试弹托材料温度失重曲线，测试结果如图3所示[7, 8]。

从图3可以看出，当分解温度为130℃时，弹托材料的温度失重率达到1 %。温度失重率过高会导致其实验室加速试验机理和自然环境条件下的老化机理不一致，所以在此基础上初步确定温度老化试验的最高温度不能超过120 ℃。

图3 温度失重曲线图

在此基础上，开展弹托材料在120 ℃条件下为期24 h的温度老化试验，结果表明：试验后该型弹托材料试样的外观形貌并没有发生明显改变，并且其冲击强度保留率高于80 %。从而确定试验用最高温度为120 ℃。

1.3 确定试验用温度梯度

以120 ℃为基点，以10 ℃为温度梯度，向下依次取5个温度老化试验温度点，分别为120 ℃、110 ℃、100 ℃、90 ℃、80 ℃。

1.4 温度老化试验

本试验在热老化试验箱中开展，首先将5台温度老化试验箱的温度设定为120 ℃、110 ℃、100 ℃、90 ℃、80 ℃，然后使用计量检定合格的温度计对试验箱内的温度进行测定，确定温度无偏差。试验箱的温度会快速达到设置的温度并保持稳定。当试验箱稳定运行2 h后，将该型弹托材料试样均匀放置在箱内，在栏架边缘的试样，其与试验箱内壁的距离不能低于70 mm。关闭试验箱的箱门并计时。

试验情况如图4所示。

图4 弹托材料温度老化试验情况

1.5 冲击强度性能测试

试样参照GB/T 1043.1-2008[6]，利用塑料摆锤冲击试验机检测弹托材料温度老化前后的冲击强度。

2 试验结果与讨论

2.1 冲击强度保留率计算

按式（1）计算弹托材料冲击强度保留率：

式中：

Ps—第i次取样试样冲击强度保留率；

Wi—第i次取样试样冲击强度值；

W0—冲击强度原始值。

弹托材料在5个老化试验温度下的冲击强度保留率计算结果见表1。

对表1冲击强度保留率数据作图，见图5。

表1 弹托材料冲击强度保留率计算结果

从图5可以看出，在5个温度老化试验温度点下，弹托材料的冲击强度保留率均随着试验时间延长呈现下降趋势，且老化温度越高，下降速率越快，说明冲击强度保留率与老化试验温度呈负相关关系。

图5 弹托材料冲击强度保留率变化数据

2.2 基于力学性能的老化寿命预估基本原理

高分子材料在温度老化过程中的冲击强度保留率P与老化时间τ的关系可用公式（2）进行描述：

式（2）中：

P—老化时间为τ时的冲击强度保留率，%；

τ—老化时间，d；

K—性能变化的速率常数，d-1；

A—常数；

α—修正系数，常数。

式中：

Pij和—在第i个老化试验温度下，第j个测试点的性能变化指标试验值和预测值。

老化特性指标变化的速率常数K与温度T的关系服从Arrhenius方程见式（4）：

式中：

T—绝对温度，K；

E—表观活化能，J·mol-1；

Z—频率因子，d-1；

R—气体常数，J·K-1·mol-1。

因此，首先按照冲击强度保留率P与老化时间τ的关系，分别计算出不同温度老化温度的老化速率常数K，然后根据Arrhenius方程外推出常温（25 ℃）的老化速率常数，最后根据已确定的失效临界值，计算置信度不低于95 %的常温储存寿命。

2.3 数据处理过程

由图6的数据处理流程图可知，该型弹托材料的保留率计算结果符合式（2）描述，可求得弹托材料α=0.27。

图6 数据处理流程图

从表2中可以看出，弹托材料的lnP与线性相关系数大于查表值，说明在95 %置信度下，lnP与的线性关系显著，也即弹托材料的冲击强度保留率呈现指数型下降趋势。

表2 弹托材料断裂伸长率保留率与试验时间拟合方程

进一步计算得到该型弹托材料在常温储存条件（25 ℃）下，老化寿命时间τ与冲击强度保留率关系方程中各参数的计算结果，见表3。

表3 25 ℃下弹托材料冲击强度保留率变化参数计算结果

由此，将冲击强度保留率P的失效判据0.6代入式（5），计算得到某型穿甲弹弹托材料常温25 ℃条件下储存寿命约21.99年，置信度为95 %。

3 结论

通过对某型穿甲弹弹托材料老化试验结果处理，以常温（25 ℃）作为储存条件，冲击强度保留率的60 %为失效判据，在95 %置信度下，其平均储存寿命约为21.99年。