浅谈部分武器用钢

常规武器用钢(steels for conventional weapons)主要包括厚壁大口径火炮身管用钢

以下介绍两类钢材。

1.均质装甲钢

装甲防护系统中最简单的结构单元为均质装甲，均质装甲是由单一的均质材料构成，如单纯的非金属或金属材料。通常“均质”指具有同一成分、均匀的组织结构和均一的机械性能的装甲铸件或轧材。均质装甲的均质性保证在装甲板的纵横截面上不出现反射应力波的第二介质。金属材料的均质性需要由高水平的冶金工艺来保证，均质装甲钢的抗弹性能取决于钢质纯净度、强度、韧性和厚度。

一战时，装甲战斗车辆在设计上就采用了钢装甲，当时钢装甲的厚度一般在8mm～14mm。

钢材料在用途上适应性强，改变其成分并经热处理后便可获得破坏能量或吸收能量的特性。一战期间采用的钢装甲经过热处理具有很高的硬度，铆接安装在车辆上。而焊接较厚的甲板就要求降低硬度，于是便制造出了布氏硬度值（HBW）为390HBW的薄装甲乃至220HBW的厚装甲。二战时的军用车辆采用了更厚的装甲，其中“虎”式坦克250mm厚的钢装甲更是达到了极致。

二战以后，均质钢装甲成为军用车辆采用最广泛的装甲材料，通过轧制相应化学成分的钢锭使其成形以获得所要求的弹道特性。钢板通常要加热到820℃～860℃，之后在油或水中淬火，进行硬化处理。由于处理后的钢板刚性高、韧性低，所以还要在400℃～650℃的火炉中进行数小时的回火处理，最后的产品才能具有合适韧度和刚性的均匀微结构（即均质钢）。

回火温度要根据所要求的机械和弹道特性确定，硬度较高、厚度较薄的钢材要求的温度较低，韧性较好、厚度较大的钢材要求的温度较高。

采用单一的、具有不同贯通厚度特性的钢板还有其他优点。对低碳厚钢板的一面进行表面硬化处理，可以使一种材料同时具备硬质破坏和韧性吸收的双重特性，其主要优点在于底层甲板的可塑性更大，从而阻止装甲板上的裂纹延展；而表面层硬度高，则能够使攻击弹丸变形或破碎。

制造具有不同贯通硬度特性的钢装甲的最常用办法是进行表面硬化处理，早期使用的是碳化处理技术，曾于19世纪90年代用来制造战列舰的船体，将碳浸入钢材的外表面层以增加碳含量，进而提高其硬度，称为高硬度钢。

二战期间，德国曾对“虎王”坦克的装甲进行火焰硬化处理，用瓦斯火焰对甲板表面高温加热，再迅速淬火冷却加工出硬度极高的脆层。这种甲板随着厚度的增大，其硬度逐渐减小。

把不同的钢板轧合在一起可以制造出双硬度甲板。与单一硬度的装甲材料相比，这种甲板具有不同的硬度值。早在二战时，就采用这种技术制造出了双硬度钢。

目前美国在该技术领域居于领先地位，其方法是将两块镍合金钢紧密轧合在一起，表面层碳含量较高，经热处理后具有较高的硬度，硬度值可以达到580HBW～710HBW，而另一面硬度较低，为450HBW～530HBW。

另外，二战后，若要增加车辆的防护，就意味着要增加更厚的钢板，而这会减少机动性。因此开始将空气、陶瓷或是贫铀(depleted uranium，简称DU)等材料加入钢材而成为复合装甲，兼具防护与轻便的特性。日新月异的反坦克武器使传统的轧压均质装甲的防护能力捉襟见肘，遂由更新型的复合装甲取代，而测量单位随之改变。

新产生的装甲估量数被称作

表1是双硬度装甲的弹道性能数据，包括阻挡枪弹所要求的装甲厚度、面积密度（即阻挡枪弹所要求的每平方米质量）和质量效能（Em）。后者的量值可以用具有所要求防护能力的均质装甲钢的面积密度除以相关装甲材料的面积密度求得。

如表1所示，就穿甲弹而言，双硬度装甲（DHA）的弹道性能要优于高硬度装甲（HHA）。但是，尽管采用双硬度装甲具有明显的优点，大多数主流装甲材料生产商却并不愿意生产这种装甲，其主要原因是用户较少，而制造工艺复杂，成本太高。

高硬度装甲通常是指硬度值超过450HBW的均质钢装甲，其制造方法与均质钢装甲相似，只是回火温度要低一些。通常，只要求高硬度装甲中较薄的部分能够防护铅锑子弹，3mm即可防护手枪子弹，8mm足以抵御高初速步枪子弹，例如初速约为920 m/s的5.56×45mm SS109子弹。

若要防护钢芯穿甲弹，厚度则要增加到12mm～13mm，而对付更坚硬的碳化钨弹芯，如7.62×51mm FFV枪弹，则还要进一步增大厚度。瑞士莫瓦格公司制造的“锯脂鲤”装甲车上采用了焊接高硬度钢，能够防护7.62mm枪弹。其它采用高硬度钢的装甲车辆还有由美国卡迪拉克·盖奇公司生产的“鱼工”轻型坦克和LAV 300 系列轮式装甲车。

瑞士“锯脂鲤”装甲车

美国LAV 300轮式装甲车

2.厚壁大口径火炮身管用钢

随着世界材料和工艺技术的不断发展 ，高强钢以及新型复合材料的不断涌现 ，采用新型材料的火炮身管也在逐渐开发，但炮钢仍然是当今用来制造加农炮、榴弹炮等大口径厚壁火炮身管的主要材料，炮钢的性能水平直接关系到火炮威力及机动性。由于火炮身管特殊的工况条件，火炮身管材料要同时具备 耐高压 、耐高温 、耐高速火药气体烧蚀 、耐弹带磨损和 耐低周疲劳等的特殊性能 。因此，炮钢材料 除具有一 般合金结构钢 的共同特点外，还有更为严格的技术性能要求 。炮管锻件标准是炮管生产和验收的依据 ，直接反映炮钢材料科研和生产技术 的水平 。

目前 ，世界各国的大口径厚壁炮钢基 采用 Cr—Ni—Mo一V中碳低合金系钢，且钢中镍的质量分数在3％左右 。这类钢具有较高 的淬透性 ，能保证大截面钢淬火和调质处理后获得较好的强度 和 塑性配合 ，具有较高的抗脆断能力 ，成分范围经过多年的研究和生产，已经非常成熟，几十年来一直被作为制造火炮身管的材料。

我国的炮钢标准中，对同等强度级别钢的塑性 、韧性要求与美国标准（美帝掌握核心科技）相同。

为减轻质量，随着火炮内膛压力的递减，身管的壁厚设计成梯度减薄的结构，同时保证身管各处都具有足够的强度，必须保证炮管锻件沿长度方向力学特性的均匀性 。美国标准规定炮管锻件上任一试片中和任何两个相邻试片间的强度变化不超过40MPa。与AemetlO0，AF1410等用于航空结构件的钢相 比，炮钢虽然性能水平不是最高，在性能控制上却最为严格 。

火炮常常在寒冷的环境下服役，为保证炮管在低温发射时的安全性，防止脆断，炮钢的韧脆转变温度应该低于火炮使用环境的最低温度 。现代铬镍钼钒炮钢的韧脆转变温度可以达到一60℃。

火炮身管在火药燃烧的高温作用下 ，膛面产生严重裂纹 ，裂纹的不断发展最终导致身管在低于设计允许应力的低周载荷下发生断裂失效。因而要求火炮身管有足够高的对裂纹扩展的抑制力、足够低的疲劳裂纹扩展速率 ，以确保身管有足够的疲劳寿命。 断裂韧性是衡量炮钢低周疲劳性能的重要指标 ，在强度级别相同的情况下，炮管的临界裂纹深度 随炮钢的断裂韧性增高而增大，身管疲劳寿命也随之而增高。 虽然在现行标准中还没有对炮钢的断裂韧性作明确规 定 ，但在火炮的设计中，断裂韧性早已成为与屈服强度 同样重要的指标。

高强度炮钢对氢致裂纹造成的延迟断裂非常敏感 ，而回火温度对

用于常规武器的炮钢材料的应用量很大，必须考虑其使用的经济合理性 ，过多地增加合金元素往往给炮钢的均质性和工艺性能带来负影响 ，力学均匀性更加不易保证。因此在满足使用性能要求的条件下，炮钢材料尽可能采用低合金含量。

合金成分与炮钢性能紧密相关 。提高钢中铝含量 ，并加入少量钒 ，在高温回火后 ，钢中析出大量钼和钒的碳化物 ，弥散分布产生二次强化效应 ，可以提高炮钢的强度 。同时钼在炮钢中提高钢 的淬透性 、抑制回火脆性和提高钢的回火稳定性，少量钒还能细化晶粒 ，改善钢的塑性和韧性 ，使钢的强度和韧性得到良好配合 。增加钢中镍含量有利于提高淬透性 ，改善钢的韧性。

在钢中加入稀土元素可以起到脱硫 、控制夹杂形态的作用，从而改善钢的韧性。采用稀土渣系，使稀土金属在电渣重熔过程中还原进入钢液 ，可以提高稀土改善钢韧性的效果。

钢中硫 、磷等非金属夹杂，铝、气体(氧、氢 、氮)、 有害微量元素 (砷 、锑 、铋 、铅 、锌 )对钢性能的危害都经过了深入的研究 ，高洁净度是炮钢有足够的强度 、疲劳寿命和断裂韧性的必要保证。美A723钢与法国 HB7高强钢都是超纯净钢 ，钢中硫含量达到 0.002％ ， 磷含量达到0.01％以下 ，通过超纯净的冶炼工艺和适当的成分调整 ，HB7的屈服强度达到了 1360 MPa，夏比冲击功(一40℃)达到 60J。

旋转精锻机

炮钢韧、塑性的提高主要依靠先进的冶炼和热加工技术 。炉外精炼 (真空除气 )+电渣重熔是目前高纯净炮钢冶炼所普遍采用的工艺 。改进炮管毛坯的成型工艺可以改善金属组织、提高力学特性，并提高材料利用率、降低成本。如采用旋转精锻机，可以比水压机单锻节约 20％以上的材料 ，还可以少切削 ，同时保证身管几何外形尺寸精确 ，锻比达到 8.4，获得性能良好的炮管 。

电渣重熔

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