通过弹钢材料提升榴弹威力的原理与方法

王树山， 赵传， 孙雨荟， 刘东奇， 张学军， 王光志

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081； 2.中国北方工业有限公司， 北京 100053；3.豫西集团河南北方红阳机电有限公司， 河南 南阳 473000)

0 引言

用作榴弹、迫弹等弹丸/战斗部壳体的合金钢材料，在此称为弹钢。弹钢壳体爆炸破碎形成形状各异、质量不等的自然破片群，其对目标的毁伤能力主要取决于有效破片数。有效破片数与弹钢性质直接相关，因此研究和应用破碎性能好的弹钢，是增大有效破片数暨提升杀伤威力的重要途径。

合金材料弹钢的大规模应用起始于20世纪五六十年代，其中最具代表性的是含碳量0.6%的铁碳合金C60钢，随后改进为至今仍在一些小口径弹上沿用的D60钢。由于该类弹钢的强度较低，不能适应高膛压、高过载发射条件，从70年代后期开始，通过合金化方式发展了一批力学性能良好、兼具较高破片率的弹钢材料，如60Si2Mn、58SiMn、55SiMn等。80年代，在55SiMnVB、58SiMn基础上通过调整化学成分研制出的50SiMnVB钢，以其优异的力学及工艺性能成为目前应用最广泛的典型弹钢代表。进入21世纪，为满足远射程、高初速、超高发射膛压与过载等需求，具有更高强度并兼顾破片率的新型弹钢开始出现，如40CrMnSiB，其屈服强度可达1 500 MPa。由此可见，弹钢材料的发展历程一直以提高强度等力学性能为主线，并逐步兼顾破片率提高和工艺性能改善。由于缺乏对弹钢材料性质、破碎效果及杀伤威力之间内在关联机制的认识，按目前弹钢材料的发展态势，难以从提升威力的角度牵引弹钢材料的创新发展与科学应用，也就无法通过弹钢材料实现对特定目标的针对性威力提升，更做不到兼顾多目标实现威力同时提升。

弹钢壳体破碎既具有随机性也具有确定性，其中随机性体现为破片质量的各不相同，而确定性体现为破片数量随质量的分布符合一定的统计规律。经过Lineau、Mott等、Grady等的研究，将自然破片的质量分布规律总结成为普遍认可和接受的Weibull分布模型(Mott分布是其特例)。Weibull分布为一种双参数分布，两个控制参数是尺度参数和形状参数。Mott和Grady将解释为破片的特征质量，与破片的平均质量呈正相关。Beetle等、Crossland、Pearson等、Goto等、隋树元等、胡八一等、阎建国等、朱建军等、孔祥韶等分别研究了不同热处理状态或微观结构对裂纹生成及扩展的影响。这些研究能够较好地解释破片的形成及形状特征，但并未真正涉及材料微观结构、破片质量分布、有效破片数及杀伤威力之间的关系问题。

1 威力提升原理与方法

1.1 通过调控μ提升有效破片数的数学原理

Grady在Mott分布的基础上提出了双参数控制的Weibull分布，刘东奇等从数学形式、物理含义以及拟合精度等角度对常用的破片质量分布模型进行了综合分析，认为Weibull分布对于描述典型榴弹爆炸产生破片的质量分布具有更好的适用性。Weibull分布模型为

(1)

式中：()为质量大于等于(g)的破片数量；为战斗部壳体的质量(g)；为尺度参数(g)；为形状参数，∈(0，1)。Mott分析了大量的破碎性试验数据，认为典型榴弹壳体在内爆载荷作用下主要产生二维破碎，即形状参数=12。

(1)式中，当为有效破片的临界质量时，()为有效破片数。由于(1)式中含Gamma函数项，通过(1)式构造有效破片数关于的函数其形式较为复杂，需要进行数学变换：

假设有、两种弹丸，除壳体材料外两弹丸完全一致，因此两弹丸的壳体质量均为，形状参数均为；、两壳体材料的尺度参数分别为和。针对某特定目标时，弹丸的有效破片数大于弹丸，即

()>()

(2)

(1)式代入(2)式，得到

(3)

整理(3)式，得到

(4)

根据(4)式，构造函数()：

(5)

(2)式和(4)式完全等价，()即能反映有效破片数随的变化规律。

以破片速度为1 000 m/s的榴弹为例。当针对人员目标时，破片杀伤人体的能量标准=784 J，根据动能公式计算得到有效破片临界质量=016 g；当针对轻型装甲车辆目标时，将其等效为12 mm厚的装甲钢板，采用黄长强等给出的侵彻公式得到在正侵彻条件下穿透12 mm厚装甲钢板的破片临界质量=222 g。针对(5)式，令=12，分别取016 g和222 g，得到()和()，分别代表弹丸杀伤人员目标及轻型装甲车辆目标时的有效破片数关于的函数，函数曲线如图1所示。图1中：、、分别代表制式弹钢50SiMnVB、新型弹钢50SiMnX以及40SiMn2X的尺度参数；为针对人员目标的最优尺度参数；为针对轻型装甲车辆目标的最优尺度参数；满足()=()；满足()=()；满足()=()。

图1 有效破片数随μ的变化曲线Fig.1 Curve of effective fragment number versus μ

由图1可知：

1)大小代表了目标抗破片侵彻能力的强弱，<，因此()和()分别对应相对软和相对硬的目标，前者的有效破片数恒大于后者。

=1

(6)

由(6)式可知，与有效破片的临界质量呈正比，当所针对目标相对软时，较小，也较小，即<。

3)尺度参数∈(，)或∈(，)的弹钢，与尺度参数为的弹钢相比，分别对人员目标或轻型装甲车辆目标的有效破片数和杀伤威力得到提升。因此，二者交集∈(，)的弹钢相比于尺度参数为的弹钢，对人员和轻型装甲车辆目标均能提高有效破片数和杀伤威力，即实现了兼顾不同类型目标的共同提升。

1.2 通过调控μ的物理原理

为了对产生上述现象的原因做进一步研究，Zhao等选取50SiMnVB及60Si2Mn为研究对象，采用弹道枪进行速度为1 000 m/s、700 m/s和400 m/s的射弹冲击加载试验，研究了材料断裂模式和断裂方式与材料种类及应变率之间的关系，典型的断裂模式如图2所示。研究结果表明，当受载区域的应变率较高时，材料在冲击载荷作用下主要产生与晶粒晶界关系密切的沿晶断裂；在较高应变率下，加载方式、金相组织及材料种类对断裂模式的影响不显著。

图2 较高应变率下50SiMnVB和60Si2Mn靶板上产生的典型沿晶断裂[22](放大500倍)Fig.2 Typical intergranular fracture on 50SiMnVB and 60Si2Mn target plates at higher strain rates[22](500×)

1.3 工程实现

1)改变材料的化学成分。添加Nb、V、Ti、Si、Ca等合金元素，能够抑制奥氏体晶粒长大，达到细化晶粒的目的。

2)调整炼制及成型工艺。结晶过程中通过机械超声波振动、电磁搅拌等工艺可有效提供形核功，使晶粒细化。毛坯成型过程中，采用锻造工艺，可使晶粒更加均匀及细化，还可以提高材料的综合力学性能。

3)调整热处理工艺。通过改变冷却介质，控制冷却速度及过冷度，可调整晶粒大小；淬火保温时间通常与晶粒尺寸正相关，改变保温时间也可调控晶粒尺寸。

图3 榴弹威力提升原理与方法Fig.3 Principle and method of grenade power enhancement

2 新型弹钢材料试制

2.1 新型弹钢的设计

以50SiMnVB为参照，试制新型弹钢，目的是提高对人员及轻型装甲车辆目标的杀伤威力，且材料屈服强度不低于1 100 MPa、延伸率不低于10，以满足常规的高膛压、高过载发射条件的使用要求。

试制了两种新型弹钢，其化学成分及代号分别为40SiMn2X和50SiMnX。两种新型弹钢与50SiMnVB同属SiMn系合金钢，其中X代表能够改变材料晶粒尺寸的一系列元素，40SiMn2X中X系列元素的含量约是50SiMnX的2倍；材料炼制完成后采用锻造成型，进一步细化晶粒，并优化材料的综合力学性能，将每种新材料锻为130 mm×2 400 mm 的棒料。

2.2 力学性能及晶粒尺寸

对两种新型弹钢的力学性能进行测试，作为对比，还测试了50SiMnVB的力学性能。根据国家标准GB/T 2281—2001金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法中要求加工拉伸试件，采用万能试验机进行静力拉伸试验(试件应变率为10s)，得到3种材料的力学性能参数以及毛坯成型及热处理工艺参数，如表1所示，其中(MPa)和(MPa)分别为材料的屈服强度和拉伸强度，和分别为延伸率和断面收缩率。

表1 3种弹钢材料的力学性能参数及晶粒尺寸Table 1 Mechanical properties and grain sizes of three steel materials

从表1中可知，两种新型弹钢40SiMn2X和50SiMnX的屈服强度均大于1 100 MPa，延伸率均大于10，满足高膛压、高过载发射条件的使用要求；在相同的热处理状态下，40SiMn2X强度略低于50SiMnVB，但延伸率显著优于50SiMnVB；50SiMnX强度与50SiMnVB相当，塑性优于50SiMnVB。

3 静爆威力试验

3.1 静爆试验

将3种弹钢材料(50SiMnVB、40SiMn2X和50SiMnX)分别制成122 mm试验弹壳体，试验弹结构及尺寸如图4(a)所示，试验弹实物如图4(b)所示。3种弹钢的毛坯成型工艺，以及热处理工艺参数见表1。每种材料加工成2发试验弹，共6发。试验弹内部装填钝黑铝炸药，装药密度175 g/cm。试验弹前端装配模拟引信，采用电触发引爆试验弹。6发试验弹壳体的平均质量为1592 kg，最大质量为1602 kg，最小质量为1575 kg，相对偏差为171；主装药的平均质量为407 kg，最大质量为410 kg，最小质量为404 kg，相对偏差为146。由此可见，6发试验弹一致性良好。

图4 试验弹Fig.4 Test projectile

静爆试验的布场方式如图5所示。试验弹放置于木质支架上，质心距地面高度15 m。在试验场地内距爆心不同距离布设25 mm厚松木靶(高度3 m，以爆点为圆心，距离起爆点分别为20 m、30 m和40 m处3组，弧长分别为5 m、8 m和11 m，各自覆盖所在圆周的124弧长，互不遮挡)以模拟人员目标。布设12 mm厚装甲钢板(高2 m、宽15 m，距爆心距离均分别为6 m、8 m、10 m处3块。靶板放置在靶架上，靶板几何中心距地15 m)以模拟轻型装甲车辆目标，试验现场如图6所示。

图5 布场示意图Fig.5 Test setup

图6 试验现场Fig.6 Test site

3.2 试验结果

每种弹钢进行2发重复试验，每发试验后统计每块靶板上的穿透破片数，取算术平均值作为每种弹钢的最终试验结果并进行后续的数据处理。每发试验后每块靶板上的穿透破片数，及每种弹钢对应的穿透破片的均值如表2所示。

表2 3种弹钢制成试验弹在靶板上产生的穿透破片数Table 2 The number of effective fragments produced by the three test projectiles on the target plates

绘制穿透松木靶的破片数随距离的变化曲线，如图7所示。依据国家军用标准GJB 3197—1998炮弹试验方法推荐的数据处理方法，在图7(a)～图7(c)中过坐标原点作斜率为4π3的直线，与曲线的交点横坐标即为对人员目标的(穿透破片)密集杀伤半径(m)。其中，为横轴单位长度示值与纵轴单位长度示值的比值，根据图7(a)～图7(c)所采用的坐标轴可以计算得到为110，因此该直线与轴所夹锐角为2273°。照此方法得到3种弹钢制成的试验弹对人员目标的(穿透破片)密集杀伤半径，结果如表3所示。绘制穿透12 mm厚钢靶的破片密度()随距离的变化曲线，如图8所示。其中()表示穿透破片的密度，是距离的函数。根据文献[1]将穿透破片密度为2片m的特征杀伤半径作为弹丸对轻型装甲车辆目标的杀伤威力半径。采用图解法计算得到3种弹钢的试验弹对轻型装甲车辆目标的杀伤威力半径，结果如表3所示。同时，表3中还给出了两种新型弹钢(40SiMn2X和50SiMnX)制成试验弹针对人员及轻型装甲车辆目标时，相比于制式试验弹(壳体材料为50SiMnVB)杀伤威力的提升情况。

图7 穿透松木靶的破片数随距离变化曲线Fig.7 Curves of the number of fragments penetrating pine target versus distance

图8 穿透12 mm厚钢靶的破片密度随距离变化曲线Fig.8 Distance-dependent curves of the density of fragments penetrating 12 mm steel target

从表3中可知，50SiMnVB制成的试验弹对人员目标的(穿透破片)密集杀伤半径为252 m，40SiMn2X与50SiMnX制成的试验弹对人员目标的(穿透破片)密集杀伤半径分别为268 m和283 m，相对于50SiMnVB分别提高了63和123。50SiMnVB制成的试验弹对轻型装甲车辆目标的杀伤威力半径为76 m，40SiMn2X与50SiMnX制成的试验弹对轻型装甲车辆目标的杀伤威力半径分别为10 m和78 m，相对于50SiMnVB分别提高了316和26。

表3 采用3种弹钢制成弹丸对不同 目标的杀伤威力半径Table 3 Different power radii of the three test projectiles

4 分析与讨论

在相同的热处理条件下，两种新型弹钢40SiMn2X和50SiMnX的屈服强度分别为1 1935 MPa和1 311 MPa，均大于1 100 MPa；延伸率分别为13和115，均大于10。由此可见，两种新型弹钢具有优异的综合力学性能，均满足常规的高膛压、高过载发射条件使用要求，具有较好的实用性。

根据3种弹钢(制式弹钢50SiMnVB及两种新型弹钢40SiMn2X和50SiMnX)制成试验弹的静爆威力试验结果可知，相比于制式试验弹(壳体材料为50SiMnVB)，两种新型弹钢40SiMn2X和50SiMnX制成试验弹对轻型装甲车辆目标和人员目标的杀伤威力半径分别提高了316和123，且均实现了两种目标杀伤威力的同时提高。表明采用本文所建立的榴弹威力提升原理与方法试制的新型弹钢，达到了预期目的，具有重要的应用前景。

5 结论

2)试制的两种新弹钢40SiMn2X和50SiMnX力学性能优越，对轻型装甲车辆和人员目标的杀伤威力半径比50SiMnVB分别提高了316和123，且均能够兼顾两种目标实现共同提升，具有重要的工程应用前景。