美军在装备M16A1步枪后，单独宣布选择5.56x45mmM193步枪弹作为军用制式步枪弹，又要求北约国家也选择M16、M16A1步枪作为制式武器，这一行为遭到北约多国特别是英国的强烈反感，毕竟当年是美国一意孤行要推广7.62x51mmT65步枪弹的，现在倒好，说翻脸就翻脸！但是M16步枪和5.56x45mmM193步枪弹（制式化的.223英寸雷明顿步枪弹）性能优势又摆在那里，于是1977-1979年期间，北约开展了第二次轻武器弹药选型。
虽然前面提过，M16、M16A1步枪发射的5.56x45mmM193步枪弹性能不错，特别是在近距离内有很低伸的弹道和强大的致伤效果，但这个弹毕竟是民用弹起家，弹头是全铅芯的，中远距离侵彻力相对不足，作为突击步枪用弹问题不大，如果用在轻机枪上就力不从心了。美国人自己也很清楚这一点，所以在此次北约轻武器弹药选型中，美国拿出了改进型的XM777步枪弹，其尺寸还是5.56x45mm，但是弹头结构改进了，改为钢铅复合结构，弹头前半部分是一个钢锥，后半部分是铅柱，弹头重3.35-3.47g，比M193步枪弹弹头略轻，侵彻力要比M193步枪弹好。但是这次选型获胜的不是美国，而是比利时，比利时推出的5.56x45mmSS109步枪弹最终被定为北约制式步枪弹，对这个结果美国也表示接受，因为SS109步枪弹的弹壳与M193步枪弹通用，转产新弹付出的成本不高。
5.56x45mmM855步枪弹（美国生产的SS109步枪弹）
一方面SS109步枪弹被确定为新型制式枪弹，另一方面到1980年代，大批M16A1步枪因为日常训练使用，寿命也接近终点，所以美军开始研制M16A1步枪的改进型产品，试验编号为M16A1E1，该试验型号在研制时也充分听取了军队使用M16A1步枪反馈的意见。到1982年9月，M6A1E1被正式定型为M16A2步枪，同时，SS109步枪弹也赋予了美军编号叫M855步枪弹，配套的L110曳光弹被赋予编号为M856曳光弹。美国海军陆战队于1983年，陆军于1985年起正式换装M16A2步枪。
M16A2步枪
与M16A1相比，M16A2的变化有以下几处：
1、改用SS109步枪弹（M855步枪弹），枪管缠距从12英寸改为7英寸，弹头转速更高，飞行更稳定。
2、因为SS109步枪弹理论射程更大，可达800m，为充分发挥其中远距离优势，M16A2的表尺和A1比有所变化，在原本简单的L形翻转表尺下方增加了一个可调旋钮，转动旋钮可抬高表尺，最大表尺射程定为800m，同时把原先2mm直径的小觇孔扩大为5mm；而原先A1的表尺只有远近两档，0-300m用较低的7mm直径大觇孔，300-460m用较高的2mm直径小觇孔。
M16A2的表尺下方有一个转轮可调节高度，最大表尺射程可调到800m
M16A1的表尺很简单，就是一个L形翻转表尺，没有高低调节转轮，侧面的转轮只是用来调风偏。
但是这个适应SS109弹的改进好评并不多，尤其是表尺下方可调高度的旋钮，几乎很少用，因为用机械瞄具打400m以上距离的目标实在太难，这也不是突击步枪的主要任务。
3、原A1型的左右对半合拢三角形护木改为圆柱形上下两半合拢，圆柱形护木外有一圈圈散热肋条，兼做防滑纹，护木上下开有散热孔。
护木可能是A1与A2外观上最大的区别
4、护木前方外露的枪管加粗，和枪口消焰器直径差不多，提高枪管刚度和热容量，护木内的枪管因为要固定M203枪挂榴弹发射器，所以直径没变。
A1(上）与A2（下）枪管对比，A2外露的枪管明显加粗
5、枪口消焰器下方的两个开孔取消，减轻枪口上跳，避免卧姿射击时吹起地上的灰尘。
6、枪托加长16mm，适应美军士兵的臂长。
6、抛壳窗后方增加一个三角形凸起，抛出的弹壳会撞击这个凸起然后规律地向前飞出，改善抛壳方向，避免抛出的弹壳打到射手自己脸部。
A2的抛壳窗后方有一个三角形凸起（这支其实是民用步枪，只能半自动射击，快慢机只有保险、单发两档）
应当说，以上这些改进都是合理的，但M16A2有一个改变争议很大，就是将原先M16、M16A1的单发、连发模式改为单发、三发点射模式，取消了连发。这种改变主要是迎合美国陆军高层官僚的观点，他们认为连发模式在战场上不实用，缺乏经验精神紧张的士兵会死扣着扳机不放几秒钟打光一个弹匣，白白浪费弹药，不如用强制设定的三发点射模式取代连发，强迫士兵打三发点射。这种观点在基层作战部队遭到强烈抵触，连AR-15的设计师斯通纳本人也激烈反对，声称这种“改进”完全背离了突击步枪的初衷。突击步枪的价值就是能连发射击，提高近战火力密度，要装三发点射功能不是不可以，但不能本末倒置用三发点射功能取代连发，毕竟在近距离遭遇战等场合连发功能还是有用的，士兵可以用连发射击覆盖一个区域。而且，如果是训练不足精神紧张的士兵，即使是强制三发点射模式也不会改善什么，他们会根本不好好瞄准，机械地一次次乱扣扳机，打出一个个毫无准头的三发点射，结果一发都没打中（彩云本人在早年的CS1.5，后来的吃鸡里就是这种菜鸟，当年打CS的时候经常被同学轰下场）。
M16A2的保险/快慢机，只有保险（SAFE）、单发（SEMI）和点射（BURST）三个模式，没有连发。
虽然三发点射代替连发的争议很大，但是M16A2步枪还是在1980年代起取代陆军、海军陆战队里的M16A1步枪，参加了入侵巴拿马、海湾战争、索马里维和行动等80年代后期到90年代的军事行动，到2003年伊拉克战争时，美国海军陆战队还在使用M16A2步枪。
入侵巴拿马“正义行动”时的美国游骑兵，他们装备的是M16A2，照片中还有早期型M249
1991年海湾战争时的美军
2003年伊拉克战争时期的美国海军陆战队，还在用M16A2
但是也有单位不买账，就是不要三发点射，比如美国海军。他们采购的是能连发的型号，早期叫M16A2E3，后来正式定名为M16A3。M16A3在外观上和M16A2完全一样，只是射击模式重回单发-连发，没有三发点射。除了海军使用，这种M16A3更多的用于出口。
美国海军使用的M16A3，外观上和A2一样，但是能连发
在美国陆军全面装备M4、M4A1卡宾枪后，海军陆战队没有跟风，还是坚持装备标准长度枪管的M16步枪，于是他们装备了M16A4步枪。和M16A2相比，M16A4可以看做是导轨化的A2，机匣为平顶，提把是可拆卸的，不装提把时可以装各种光学瞄准镜，护木上的导轨可以安装各种战术附件，但是不知道为什么，发射模式还是A2的单发、三发点射，不能连发。目前这种M16A4还在美国海军陆战队服役。
M16A4，其实是导轨化，平顶机匣的M16A2
正在用M16A4射击的美国海军陆战队士兵，它枪上的提把是加装上去的
不装提把时，导轨上可以装瞄准镜
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