某型穿甲彈彈托材料儲存狀態下的老化壽命預估

楊巖峰，羅丹，楊萬均，楊昊雨，李旭,5，李鴻飛，吳帥,5

（1.陸軍工程大學石家莊校區，河北 050003； 2.西南技術工程研究所，重慶 400039； 3.國防科技工業自然環境試驗研究中心，重慶 400039； 4.西藏拉薩大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，拉薩 850100；5.甘肅敦煌大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，敦煌 736202）

引言

某型穿甲彈彈托作為穿甲彈的主要受力件，在膛內擔負著將火藥氣體的能量可靠地傳遞給飛行彈丸，變成飛行彈丸的穿甲動能，同時起到膛內引導和穩定作用[1]。因此，彈托材料必須具有很好的強度，才能滿足彈丸膛內發射要求。從彈托在膛內的工作過程看，主要受到火藥氣體的沖擊作用，因此，耐沖擊強度應該是彈托材料最關鍵的性能表征參數。彈托材料隨彈長期儲存后，耐沖擊強度若下降到合格指標要求以下，當穿甲彈發射時，彈托將無法承受火藥氣體的沖擊作用而失去預定功能，可能引起穿甲彈發生爆炸等嚴重后果。國內外相關研究經驗表明，彈托用尼龍66基體材料在實際儲存或溫度老化過程中，耐沖擊強度會呈現波動下降趨勢，可作為老化性能表征參數[2-5]。

本文選擇了沖擊強度性能作為壽命預估的評定指標，使用經過溫度加速試驗后再進行沖擊試驗的某型穿甲彈彈托拖材料的試驗數據，計算得出試驗溫度下的老化速率常數，再通過方程擬合得出常溫25 ℃條件下的老化速率常數。最后即可建立該型彈托材料的以沖擊強度作為評定指標的性能退化方程，預估其老化壽命。

1 試驗與測試

1.1 試驗樣品

本文采用某型穿甲彈彈托材料進行測試，按GB/T 1043.1-2008[6]規定的參數和數量進行試樣制備，尺寸參數如圖1所示，制備好的沖擊試樣見圖2。

圖1 彈托材料沖擊試樣尺寸

圖2 制備好的彈托材料沖擊試樣

1.2 確定試驗用最高溫度點

使用Q600 SDT同步溫度分析儀，以5 ℃/min升溫速率，測試彈托材料溫度失重曲線，測試結果如圖3所示[7, 8]。

從圖3可以看出，當分解溫度為130℃時，彈托材料的溫度失重率達到1 %。溫度失重率過高會導致其實驗室加速試驗機理和自然環境條件下的老化機理不一致，所以在此基礎上初步確定溫度老化試驗的最高溫度不能超過120 ℃。

圖3 溫度失重曲線圖

在此基礎上，開展彈托材料在120 ℃條件下為期24 h的溫度老化試驗，結果表明：試驗后該型彈托材料試樣的外觀形貌并沒有發生明顯改變，并且其沖擊強度保留率高于80 %。從而確定試驗用最高溫度為120 ℃。

1.3 確定試驗用溫度梯度

以120 ℃為基點，以10 ℃為溫度梯度，向下依次取5個溫度老化試驗溫度點，分別為120 ℃、110 ℃、100 ℃、90 ℃、80 ℃。

1.4 溫度老化試驗

本試驗在熱老化試驗箱中開展，首先將5臺溫度老化試驗箱的溫度設定為120 ℃、110 ℃、100 ℃、90 ℃、80 ℃，然后使用計量檢定合格的溫度計對試驗箱內的溫度進行測定，確定溫度無偏差。試驗箱的溫度會快速達到設置的溫度并保持穩定。當試驗箱穩定運行2 h后，將該型彈托材料試樣均勻放置在箱內，在欄架邊緣的試樣，其與試驗箱內壁的距離不能低于70 mm。關閉試驗箱的箱門并計時。

試驗情況如圖4所示。

圖4 彈托材料溫度老化試驗情況

1.5 沖擊強度性能測試

試樣參照GB/T 1043.1-2008[6]，利用塑料擺錘沖擊試驗機檢測彈托材料溫度老化前后的沖擊強度。

2 試驗結果與討論

2.1 沖擊強度保留率計算

按式（1）計算彈托材料沖擊強度保留率：

式中：

Ps—第i次取樣試樣沖擊強度保留率；

Wi—第i次取樣試樣沖擊強度值；

W0—沖擊強度原始值。

彈托材料在5個老化試驗溫度下的沖擊強度保留率計算結果見表1。

對表1沖擊強度保留率數據作圖，見圖5。

表1 彈托材料沖擊強度保留率計算結果

從圖5可以看出，在5個溫度老化試驗溫度點下，彈托材料的沖擊強度保留率均隨著試驗時間延長呈現下降趨勢，且老化溫度越高，下降速率越快，說明沖擊強度保留率與老化試驗溫度呈負相關關系。

圖5 彈托材料沖擊強度保留率變化數據

2.2 基于力學性能的老化壽命預估基本原理

高分子材料在溫度老化過程中的沖擊強度保留率P與老化時間τ的關系可用公式（2）進行描述：

式（2）中：

P—老化時間為τ時的沖擊強度保留率，%；

τ—老化時間，d；

K—性能變化的速率常數，d-1；

A—常數；

α—修正系數，常數。

式中：

Pij和—在第i個老化試驗溫度下，第j個測試點的性能變化指標試驗值和預測值。

老化特性指標變化的速率常數K與溫度T的關系服從Arrhenius方程見式（4）：

式中：

T—絕對溫度，K；

E—表觀活化能，J·mol-1；

Z—頻率因子，d-1；

R—氣體常數，J·K-1·mol-1。

因此，首先按照沖擊強度保留率P與老化時間τ的關系，分別計算出不同溫度老化溫度的老化速率常數K，然后根據Arrhenius方程外推出常溫（25 ℃）的老化速率常數，最后根據已確定的失效臨界值，計算置信度不低于95 %的常溫儲存壽命。

2.3 數據處理過程

由圖6的數據處理流程圖可知，該型彈托材料的保留率計算結果符合式（2）描述，可求得彈托材料α=0.27。

圖6 數據處理流程圖

從表2中可以看出，彈托材料的lnP與線性相關系數大于查表值，說明在95 %置信度下，lnP與的線性關系顯著，也即彈托材料的沖擊強度保留率呈現指數型下降趨勢。

表2 彈托材料斷裂伸長率保留率與試驗時間擬合方程

進一步計算得到該型彈托材料在常溫儲存條件（25 ℃）下，老化壽命時間τ與沖擊強度保留率關系方程中各參數的計算結果，見表3。

表3 25 ℃下彈托材料沖擊強度保留率變化參數計算結果

由此，將沖擊強度保留率P的失效判據0.6代入式（5），計算得到某型穿甲彈彈托材料常溫25 ℃條件下儲存壽命約21.99年，置信度為95 %。

3 結論

通過對某型穿甲彈彈托材料老化試驗結果處理，以常溫（25 ℃）作為儲存條件，沖擊強度保留率的60 %為失效判據，在95 %置信度下，其平均儲存壽命約為21.99年。