От чего зависит прочность стволов

Основной параметр стали, необходимый для обеспечения прочности стволов, - предел упругости (или пропорциональности) - такая удельная допускаемая нагрузка, после снятия которой металл возвращается в первоначальное состояние без остаточных деформаций.


Прочность стволов

Для практических целей можно считать, что предел прочности (и в большой степени предел упругости) средне углеродистых сталей не зависит от содержания углерода, а только от твердости. То есть предел прочности и для стали 25, и для стали 50 при одинаковой твердости одинаков, хотя количество углерода отличается вдвое.

Другое дело, что получить твердость в 35 HRC для стали 25 сложно, для стали 50 - просто. Это же относится и к малолегированным сталям, для которых влияние легирующих элементов на твердость невелико. Этот факт применительно к пушечным стволам отмечал еще немецкий профессор В. Швиннинг, перевод книги которого был издан академией им. Дзержинского в 1937 году.

Несколько больший предел прочности легированной стали объясняется, видимо, тем, что эти стали, обычно получают в электропечах, часто после электрошлакового переплава, поэтому они гораздо более чистые. Но дефекты структуры могут появиться и в ней в процессе дальнейшей обработки стволов - попадание окалины при ковке, пережог, отпускная хрупкость и т.д.

Если техпроцесс не обеспечивает отсутствия дефектов, дефектоскопия будет слабым утешением. Кроме ненадежности, дефектоскопия, особенно рентгеновская, - дорогая вещь. Именно из-за внутренних дефектов и загрязняющих включений устанавливают допустимый предел упругости для литой стали 50Л на 30% меньше аналогичной по содержанию углерода стали 50А.

Добавка в ствольную сталь легирующих элементов зачастую является технологическим улучшением - такая сталь лучше термообрабатывается, не требует дополнительных операций подкалки, лучше полируется. Добавка даже 1-2% хрома или никеля позволяет, не меняя режимы термической обработки, получить более твердые, а значит, и более прочные стволы без дополнительных затрат, что с лихвой компенсирует большую стоимость материала. Меньшие остаточные напряжения за счет меньшего содержания углерода ведут к уменьшению объема правки стволов.

С точки зрения прочности, добавка легирующих элементов также позволяет получить вязкость, необходимую для сохранения пластичного, а не хрупкого характера разрушения стволов, что проявляется при увеличении твердости стали. Эта добавка вместе с вязкостью резко уменьшает износ нарезных стволов. Пластичность стали уменьшает вероятность разрушения при длительном настреле и повышает безопасность стрелка - в случае разрыва ствола не образуются осколки.

КОРРОЗИЙНАЯ СТОЙКОСТЬ


Другая причина применения легированных сталей - облегчение ухода за стволами. Практически замечено, что для хорошей коррозионной стойкости необходимо, чтобы в стали было не менее 13% хрома. Поэтому нельзя считать, что сталь 30ХРА или любая другая с 2-5% легирующих добавок не будет ржаветь. Хромовое покрытие, даже тонкое и пористое, значительно тверже ствольной стали и лучше работает на истирание. Видимо, именно потому, что сама по себе марка стали не является гарантией качества, нормативная документация России оговаривает условное обозначение ствольного материала - обязательную маркировку стилизованных знаков Сп и Сл на стволах.

По документации различие между ними в том, что первая имеет гарантированный предел упругости менее 70, а вторая - более 70 кг на квадратный миллиметр. Документация не оговаривает, на какой стадии обработки эта цифра должна быть обеспечена. Обычно Сп - это сталь 50А, Сл - сталь 30ХН2МФА.

Изменение механических характеристик стали при изменении твердости сильно сказывается на технологии обработки и наоборот. Например, очень сложно править твердые стволы, пайка на латунь или серебросодержащий припой приводит к резкому понижению твердости, обычно в области патронника, и к неравномерности структуры материала по длине ствола.

Стволы современного нарезного оружия получаются практически готовыми, сразу с нарезами, после холодной ротационной ковки (редуцирования). Часто их даже не обрабатывают снаружи, оставляя «чешуйчатую» кованую поверхность, что, как утверждают, улучшает кучность.

Обрабатывают торцы, посадочные места под соединение с коробкой, прицельные приспособления, электрополируют канал, иногда дорабатывают патронник - и ствол готов.

Дробовые стволы проходят более сложную и длительную обработку. Часто окончательно каналы и патронники получают после многократного развертывания, шустовки или хонингования уже спаянного и обработанного снаружи блока стволов.

Видимо, единственной коррозионно стойкой сталью в России, пригодной для изготовления стволов, можно считать сталь 40X13, но и она не избавит от обязательной чистки и смазки стволов. Однако никаких упоминаний о попытке изготовления стволов из стали такого сорта в нашей литературе не встречается. За рубежом изредка встречаются охотничьи ружья и винтовки со стволами и коробками из нержавеющей стали (чаше просто покрытые никелем). Они рекламируются как «всепогодные», в том числе для использования в приморском климате. Деревянные детали при этом заменяются на неразбухающую от воды пластмассу. Тот же В. Швиннинг упоминает ствольную сталь с 18% хрома и 8% никеля, но пишет, что такие стволы очень сложно обработать и закалить.

ТВЕРЖЕ СТАЛЬ - ТОНЬШЕ СТВОЛ

На практике чаше всего размеры стволов назначаются по расчетам минимальной стенки ствола.

Чем тверже ствол, тем тоньше можно сделать его стенки. Минимальная толщина их определяется не столько прочностью на разрыв, сколько их жесткостью. От выстрела тонкий ствол может и не разорваться, но со временем превратится в мятую жестяную трубу.

Наибольший интерес вызывает вопрос о том, как твердость ствола влияет на характеристики боя. Для нарезных стволов это в общем понятно: чем тверже ствол, тем он более напряжен и близок к пружине, что должно влиять на вибрацию дульного среза. Получается парадокс: чем тверже ствол, тем он должен быть толще. Исходя из этого, чем мягче ствол, тем выше должна быть кучность стрельбы пулей. Это можно объяснить меньшим остаточным напряжением в стали. В связи с этим можно вспомнить, как А. Онегов описывает деревенские «лечения» стволов путем выдержки их на русской печи. Это в принципе является не чем иным, как циклическим низкотемпературным отпуском. К ночи печь нагревается, к утру остывает. Так за долгую зиму раз полтораста. Это должно резко снизить остаточные напряжения («успокоить сталь»).

Нечто похожее сейчас начинает применяться в ружейной промышленности для повышения кучности боя нарезных стволов. Это циклическая обработка холодом - многократное замораживание почти до минус 200 градусов Цельсия.

Меньшая твердость увеличивает износ ствола и соответственно уменьшает срок его службы. Один из теоретических путей решения проблемы таков: получить путем ковки и термообработки повышенную твердость в патроннике и пульном входе - зонах максимального давления. Меньшую же твердость в дульной части компенсировать созданием напора канала в дульном срезе.

Россия постепенно теряет былую славу оружейной страны, которую она заслужила спортивными и снайперскими винтовками. В связи с тяжелым материальным положением армии и спорта фундаментальные исследования и совершенствование технологии стволов практически свернуты, заводы же в основном решают проблемы удешевления производства. Сейчас уже говорят, что скоро на винтовках для биатлона АО «ИЖМАШ» будут стоять стволы от «Аншютца».

Несколько по-иному обстоят дела с влиянием свойств стали на бой дробовых стволов. Для них кучность и живучесть довольно просто получаются изменением размеров ствола, его канала и дульного сужения.

КАЧЕСТВО СТАЛИ И БОЙ РУЖЬЯ

Исследования влияния твердости стволов на наиболее мистический параметр боя дробовика - резкость - в России не проводились (а может быть, просто не публикуются?). Можно только предполагать, что чем тверже ствол, тем меньше деформация стенок при выстреле, тем меньше прорыв пороховых газов через пыжи. Это достаточно сложно проверить. Во-первых, потому что очень сложно изготовить два одинаковых ствола. Во-вторых, велик разброс скоростей российских патронов от выстрела к выстрелу, что сводит достоверность испытаний к нулю.

После небольшой практики, особенно если кто-то знающий покажет, довольно просто увидеть дефекты в канале ствола: «пузыри», логовины, кривизну, овальность. Часто можно заранее сказать, что ствол почему-то будет бить не так, как надо, однако практически невозможно предсказать на глаз резкость. Поэтому почти все «выборы» в магазине без пробы стрельбой сводятся к гаданию на кофейной гуще. Теоретически волнистость, овальность и прочие «чудеса» должны, прежде всего, сказываться на резкости боя за счет прорыва пороховых газов через пыжи при движении их «по кочкам и ухабам».

Однако представляется невероятным, что такое влияние может превышать разброс скоростей от допусков на патроны. Эффект от подбора элементов снаряжения должен быть на порядок больше. Установлено, что только прорыв пороховых газов через пыжи составляет около 10%.

Поскольку твердость стали стволов мало информативна для широкого круга охотников, а различие химсостава разных марок невелико, фирмы-изготовители придумывают особые названия своим ствольным сталям. С другой стороны, если разные стали имеют практически одинаковые прочностные характеристики при одинаковой твердости, на первый план выходят надежность технологии связанные с ней доверие и уважение к фирме и торговой марке.

Прославленные марки заслуживают уважения в результате подтверждения временем своего качества и надежности. А что же еще может не хватать охотнику, если надпись на стволах вызывает уважение?

В. ВАЛЬНЕВ (инженер-оружейник)
"РОССИЙСКАЯ ОХОТНИЧЬЯ ГАЗЕТА", 28 июля 1999 г.