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décembre 30, 2022

Quel est le métal des obus ?

7 minutes de lecture

En conservant les munitions du début de la guerre mondiale, le service des parcs nationaux a remarqué que les fragments de munitions d'obus et de grenaille de plomb étaient relativement uniformes en taille et en forme.

Les tests des métaux peuvent être utiles pour obtenir des informations permettant d’analyser par éléments finis, microscopie électronique à balayage et microscopie optique et essais de dureté. Les résultats montrent que l'analyse d’obus des munitions de guerre est un outil utile et informatif.

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Quel est l’analyse métallurgique de pièces d'artillerie à obus ? 

L’obus de la fusée est fabriqué à partir de système ferreux d'une plus grande applicabilité, tant pour le prototypage et la production limitée. D'autres possibilités pour les matériaux de la face de l'outil comprennent le bronze d'aluminium qui a une résistance à l'usure beaucoup plus grande que l’acier et supérieure à celle du cuivre.

Les obus sont fabriqués en pulvérisant du métal à l'aide d'un dispositif de pulvérisation à arc pour créer la face et le système d’alliage. Ensuite, un matériau de chargement remplit l'arrière du canon de l'outil pour supporter le poids de compression d’explosif. Pour un service à des températures élevées, il est souhaitable de faire correspondre les coefficients d'expansion thermique du matériau de l'alliage pulvérisé et du matériau de chargement.

Après la fin de la pulvérisation à l'arc, l’obus et le calibre contiennent encore des contraintes internes considérables, bien qu'en équilibre.

La présence de contraintes internes dans le corps, ainsi qu’un fumigène des coefficients de dilatation thermique, soulèvent des questions quant à diamètre de l’obus aux températures élevées et sur de longues périodes.

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Fer forgé gris                                                                  

Au moment de la guerre mondiale, les métallurgistes avaient une connaissance appréciable des propriétés de la fonte.

Les artilleurs recommandaient la fonte grise pour les munitions de guerre. Il est probable que les facteurs de choix étaient sa facilité d’alliage et son faible coût.

Les métaux de l'époque de la guerre mondiale se formaient par la fonte grise qui possède une haute coulabilité, une bonne fluidité et une bonne expansion lors du refroidissement dans les moules. De plus, le point de l’alliage est bas équivaut à 1200°c, et la fonte de la forme moulée présente une résistance en compression et une faiblesse en tension.

En outre, le métallurgiste pouvait fabriquer un produit cohérent. Ainsi, toutes les fontes grises contiennent du fer, du carbone et du silicium ainsi que des quantités appréciables de phosphore, de cuivre et de l’acier. Le détecteur dans le calibre du matériau est sur la place "tel quel" et peut prendre un certain nombre de microstructures différentes.

Dans la discussion qui suit, le fer gris est souvent qualifié d'eutectique. Une réaction eutectique est une réaction dans laquelle, lors du refroidissement, une phase liquide se transforme de manière isotherme et réversible en deux phases solides mélangées. Les phases existent sous forme de lamelles alternées.

Dans le fer gris, la réaction est la suivante : fe 3c → 3fe(α) + c

fe = fer

c = carbone

α = ferrite

Les propriétés métallurgiques

La vitesse d'écoulement et la température déterminent la composition chimique du fer et du métal et la forme de tube des ballesde tir dans le calibre. La microstructure typique est une matrice de perlite avec de tube de balles pointus dispersés dans la matrice.

La forme du détecteur est directement liée à la résistance aux chocs la plus faible. L'idéal est de maximiser cette caractéristique dans les munitions de guerre, car la quantité maximale d'énergie sera transférée aux fragments du projectile. Toutes les fontes grises se brisent de manière fragile le long des plaques de graphite lamellaires et au chargement de fumigène maximale.

Canon peut être considéré comme un récipient sous pression sphérique à parois épaisses  et la rupture comme une surcharge d'impact dépassant la résistance à la compression.

Le mode de défaillance peut être attribué à une surcharge thermique dans laquelle la contrainte due à un effet thermique exige un chargement spécifique de dimension.

Comme la fonte grise ne peut pas se dilater plastiquement, la limite d'élasticité est dépassée, ce qui provoque la gaine.

Fabrication de matériel d’armes

Deux types de projectiles d'artillerie sont analysés dans cette étude : l'obus sphérique et la grenaille du plomb.

La sphère est une modèle courante d'artillerie car elle présente la surface minimale pour un volume donné réduisant l'effet de la résistance au vent.

Si elle heurte un objet en vol, elle est moins déviée de sa trajectoire projectile que toute autre modèle de sa course.

Les deux types de modèles de munitions de guerre étaient fabriqués de manière similaire. Le moule était fait de sable mélangé à de l'argile poudre et de l'eau.

On laissait le projectile refroidir dans le moule. Ce qui permettait un refroidissement lent du métal par couches, en commençant par la face inférieure par le changement de la température ambiante.

Les obus sont des grenades creuses explosives d'épaisseur égale dans tout le corps du projectile. Le corps du projectile est doté d'une ouverture conique, ou œil utilisée pour le chargement de la fusée.

Les obus contiennent des métaux explosifs et de poudre d’aluminium noire et sont conçus pour exploser dans l'air ou au contact, selon le type de fusée.

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Quel est le procès pour caractériser le métal des obus?

Vingt-et-un fragments de pièces de canon ont été retirés des collections du champ de bataille du centre archéologique du Midwest, de service des parcs nationaux, pour être testés et analysés. Ils ont été choisis en fonction du type d'artillerie à fumigène, l'emplacement trouvé et le poids et le diamètre de la douille.

Tous les échantillons ont été fracturés en formes trapézoïdales ou carrées. Les surfaces de corps présentent de grandes inclusions visibles. Ils ont un plan de gaine non uniforme, de couleur grise.

Environ la moitié des pièces d’échantillons ont été nettoyés avec la procédure suivante :

  • La place de toutes les pièces dans un bécher;
  • Le chargement d'une solution tamponnée d'acide chlorhydrique
  • La place du bécher dans un bain de nettoyage à ultrasons.
  • L’enlèvement des particules de rouille sur les pièces toutes les quelques minutes : douille, œil, rondelle, tube
  • Tremper sous une hotte à vapeur dans la solution acide pendant environ quatre à cinq jours, puis rincés.

Ce modèle a permis d'éliminer la même quantité d'oxydation. Elle a été retirée de l'acide chlorhydrique tamponné et aspergée de méthanol pour éviter la rouille. Il a ensuite été rincé à l'eau, séché au sèche-cheveux et nettoyé à l'eau.

La grenaille de plomb a été nettoyée en trempant l'artefact dans une solution d'acide glycolique à 10%.

Microscopie électronique à balayage

L'échantillon à analyser a été sélectionné par inspection visuelle afin de détecter toute amorce de fissure significative. La surface devait en outre présenter un minimum de dommage dus à la corrosion.

Une force de surcharge a été appliquée pour développer la fissure en une arête de surface, révélant une surface de gaine fraîche pour l'examen. L'échantillon choisi était W2403, un boîtier de canon.

Pour W2403, la rupture initiale s'est produite de manière fragile, comme pour la fonte. Ainsi,  l’étude microscopique montre une typique d'une gaine à travers un dôme et un amas de graphite dendritique. Il montre également  une gaine transgranulaire par clivage.

En outre, une gaine intergranulaire, et de flocons de graphite se soulèvent de la surface après une gaine fragile. Les structures blanches en forme de coupe sont de la corrosion par l'oxyde de fer. Cette oxydation se développe dans tous les échantillons lorsque le corps des surfaces propres est exposé à l'air.

Analyse chimique

Une analyse chimique concluante était nécessaire pour déterminer la composition exacte de la fuséequi a tous été envoyé dans le laboratoire. Les résultats sont conformes aux propriétés de la fonte grise. Ce qui n'indique aucune anomalie de preuves de fabrication de munitions.

La structure de l’obus, c'est-à-dire le regroupement des niveaux à électron unique en groupes d'énergie dégénérée, est une propriété fondamentale des fermions confinés dans de petit système.

Elle est observée pour les nucléons dans les noyaux atomiques, les électrons dans les métaux et dans les points quantiques semi-conducteurs.

Historiquement, le concept de structure de l’obus fer ionique et le principe de symétrie en mécanique quantique ont été liés dans le prix Nobel de physique de 1963.

Les bases du système d’obus peuvent être saisies en considérant la mécanique quantique de fer non-interactif. Elles se présentent sous des formes simples de potentiels projectiles, résolus couramment comme exercice dans les cours de physique de premier cycle.

Notamment, il est l'habitude d'étiqueter chaque ensemble de sous-obus par un nombre quantique "principal" en commençant toujours à partir de n = 1 (1s, 1p, 1d, ... ; 2s, 2p, 2d,...) Cette notation diffère des obus électroniques dans les atomes de type hydrogène. Où des règles supplémentaires entre les nombres quantiques apparaissent en raison du potentiel 1/r entre les électrons et le noyau ponctuel.

Quelles sont les structures bidimensionnelles d’un métal des obus?

Les progrès récents dans la croissance contrôlée d'oxyde de métal alcalin ont permis de fabriquer des balles de tir bien définis pour les études spectroscopiques des particules métalliques et de système molécule-métal. Bien que ces films soient suffisamment épais pour isoler électroniquement un adsorbat électroniquement du support métallique, ils sont assez fins pour permettre le passage par effet tunnel depuis ou vers la pointe du microscope dans des conditions d'imagerie. 

Cela facilite l'étude de système métal-isolant, métal à l'échelle nanométrique. Ce qui permet de mieux comprendre les facteurs définissant la structure électronique de la formation de la liaison molécule-métal.

Plusieurs études se sont concentrées sur des oxydes métalliques, motivées par l'activité catalytique de ce système.

La microstructure des balles de tir d’échantillons indique un bien plus grande uniformité des projectiles par rapport à ceux des confédérés. Alors que l'uniformité pour les deux armes était plus grande, l'artillerie était d'une uniformité presque totale.

Cela n’est probablement dû au fait qu'une grande partie des munitions de tir à la bataille précédente et de la guerre mondiale. Elle provenait probablement de plusieurs sources, voire de stocks datant de plusieurs années.

Au moment de la guerre, suffisamment de munitions avaient été tirées durant le chargement explosif. Les munitions trouvées ont probablement été fabriquées juste avant la bataille. Elles auraient été achetées auprès de moins de fournisseurs. Ce qui a permis une plus grande uniformité.

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