某型穿甲彈彈托材料儲(chǔ)存狀態(tài)下的老化壽命預(yù)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(xué)石家莊校區(qū)，河北 050003； 2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039； 3.國防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗(yàn)研究中心，重慶 400039； 4.西藏拉薩大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，拉薩 850100；5.甘肅敦煌大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)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(nèi)擔(dān)負(fù)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(dòng)能，同時(shí)起到膛內(nèi)引導(dǎo)和穩(wěn)定作用[1]。因此，彈托材料必須具有很好的強(qiáng)度，才能滿足彈丸膛內(nèi)發(fā)射要求。從彈托在膛內(nèi)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(qiáng)度應(yīng)該是彈托材料最關(guān)鍵的性能表征參數(shù)。彈托材料隨彈長期儲(chǔ)存后，耐沖擊強(qiáng)度若下降到合格指標(biāo)要求以下，當(dāng)穿甲彈發(fā)射時(shí)，彈托將無法承受火藥氣體的沖擊作用而失去預(yù)定功能，可能引起穿甲彈發(fā)生爆炸等嚴(yán)重后果。國內(nèi)外相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)表明，彈托用尼龍66基體材料在實(shí)際儲(chǔ)存或溫度老化過程中，耐沖擊強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢，可作為老化性能表征參數(shù)[2-5]。

本文選擇了沖擊強(qiáng)度性能作為壽命預(yù)估的評(píng)定指標(biāo)，使用經(jīng)過溫度加速試驗(yàn)后再進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的某型穿甲彈彈托拖材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出試驗(yàn)溫度下的老化速率常數(shù)，再通過方程擬合得出常溫25 ℃條件下的老化速率常數(shù)。最后即可建立該型彈托材料的以沖擊強(qiáng)度作為評(píng)定指標(biāo)的性能退化方程，預(yù)估其老化壽命。

1 試驗(yàn)與測試

1.1 試驗(yàn)樣品

本文采用某型穿甲彈彈托材料進(jìn)行測試，按GB/T 1043.1-2008[6]規(guī)定的參數(shù)和數(shù)量進(jìn)行試樣制備，尺寸參數(shù)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(yàn)用最高溫度點(diǎn)

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(jié)果如圖3所示[7, 8]。

從圖3可以看出，當(dāng)分解溫度為130℃時(shí)，彈托材料的溫度失重率達(dá)到1 %。溫度失重率過高會(huì)導(dǎo)致其實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)機(jī)理和自然環(huán)境條件下的老化機(jī)理不一致，所以在此基礎(chǔ)上初步確定溫度老化試驗(yàn)的最高溫度不能超過120 ℃。

圖3 溫度失重曲線圖

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

1.3 確定試驗(yàn)用溫度梯度

以120 ℃為基點(diǎn)，以10 ℃為溫度梯度，向下依次取5個(gè)溫度老化試驗(yàn)溫度點(diǎn)，分別為120 ℃、110 ℃、100 ℃、90 ℃、80 ℃。

1.4 溫度老化試驗(yàn)

本試驗(yàn)在熱老化試驗(yàn)箱中開展，首先將5臺(tái)溫度老化試驗(yàn)箱的溫度設(shè)定為120 ℃、110 ℃、100 ℃、90 ℃、80 ℃，然后使用計(jì)量檢定合格的溫度計(jì)對試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度進(jìn)行測定，確定溫度無偏差。試驗(yàn)箱的溫度會(huì)快速達(dá)到設(shè)置的溫度并保持穩(wěn)定。當(dāng)試驗(yàn)箱穩(wěn)定運(yùn)行2 h后，將該型彈托材料試樣均勻放置在箱內(nèi)，在欄架邊緣的試樣，其與試驗(yàn)箱內(nèi)壁的距離不能低于70 mm。關(guān)閉試驗(yàn)箱的箱門并計(jì)時(shí)。

試驗(yàn)情況如圖4所示。

圖4 彈托材料溫度老化試驗(yàn)情況

1.5 沖擊強(qiáng)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(yàn)機(jī)檢測彈托材料溫度老化前后的沖擊強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 沖擊強(qiáng)度保留率計(jì)算

按式（1）計(jì)算彈托材料沖擊強(qiáng)度保留率：

式中：

Ps—第i次取樣試樣沖擊強(qiáng)度保留率；

Wi—第i次取樣試樣沖擊強(qiáng)度值；

W0—沖擊強(qiáng)度原始值。

彈托材料在5個(gè)老化試驗(yàn)溫度下的沖擊強(qiáng)度保留率計(jì)算結(jié)果見表1。

對表1沖擊強(qiáng)度保留率數(shù)據(jù)作圖，見圖5。

表1 彈托材料沖擊強(qiáng)度保留率計(jì)算結(jié)果

從圖5可以看出，在5個(gè)溫度老化試驗(yàn)溫度點(diǎn)下，彈托材料的沖擊強(qiáng)度保留率均隨著試驗(yàn)時(shí)間延長呈現(xiàn)下降趨勢，且老化溫度越高，下降速率越快，說明沖擊強(qiáng)度保留率與老化試驗(yàn)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5 彈托材料沖擊強(qiáng)度保留率變化數(shù)據(jù)

2.2 基于力學(xué)性能的老化壽命預(yù)估基本原理

高分子材料在溫度老化過程中的沖擊強(qiáng)度保留率P與老化時(shí)間τ的關(guān)系可用公式（2）進(jìn)行描述：

式（2）中：

P—老化時(shí)間為τ時(shí)的沖擊強(qiáng)度保留率，%；

τ—老化時(shí)間，d；

K—性能變化的速率常數(shù)，d-1；

A—常數(shù)；

α—修正系數(shù)，常數(shù)。

式中：

Pij和—在第i個(gè)老化試驗(yàn)溫度下，第j個(gè)測試點(diǎn)的性能變化指標(biāo)試驗(yàn)值和預(yù)測值。

老化特性指標(biāo)變化的速率常數(shù)K與溫度T的關(guān)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—?dú)怏w常數(shù)，J·K-1·mol-1。

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

2.3 數(shù)據(jù)處理過程

由圖6的數(shù)據(jù)處理流程圖可知，該型彈托材料的保留率計(jì)算結(jié)果符合式（2）描述，可求得彈托材料α=0.27。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程圖

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

表2 彈托材料斷裂伸長率保留率與試驗(yàn)時(shí)間擬合方程

進(jìn)一步計(jì)算得到該型彈托材料在常溫儲(chǔ)存條件（25 ℃）下，老化壽命時(shí)間τ與沖擊強(qiáng)度保留率關(guān)系方程中各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，見表3。

表3 25 ℃下彈托材料沖擊強(qiáng)度保留率變化參數(shù)計(jì)算結(jié)果

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

3 結(jié)論

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