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仍有少量的ar—10卖到了其他国家，如苏丹和葡萄牙。
后来，ar—10引起了美国陆军威莱德·维曼将军的注意，他要求斯通纳和阿玛莱特公司设计高初速的。22口径步枪。新的设计要求符合下列各项要求：有20发容量弹匣；装弹后重量少于6磅；能选择射击方式；每发子弹能在500米射程上穿透标准钢盔、防弹衣或3。4mm厚的钢板。根据这些要求斯通纳开始了研制工作。
他的第一个设计是传统式的设计，但在全自动射击时完全无法控制，于是，1957年他开始设计缩小型的ar—10。ar—10的设计组把ar—10按比例缩小成口径为。222的自动步枪，只用了6个月时间就提交了6支样枪由阿伯丁试验场评审。
为了能达到最后一项500米穿透力的要求，斯通纳要求雷明顿公司改进他们的初速3300英尺／秒，1006m／s的55格令。222雷明登步枪弹，而研制出来的新型弹药就是著名的。223雷明顿步枪弹。除了口径外，ar—15的枪管改为全钢制枪管，并采用短的棒状消焰减震器，原本位于提把内的钩型拉机柄改成提把后方的t型拉机柄，其他方面仍然与ar—10一样。
斯通纳的新步枪ar—15其实是把许多其他步枪的设计思想和特点集合起来，包括：m1941约翰逊步枪的闭锁装置；的机匣盖和枪尾；t—25的枪管同轴式直枪托；英国em2的带有照门的提把；德国mp44突击步枪的抛壳口防尘盖；瑞典杨曼步枪的导气系统，不过斯通纳设计的导气系统减少了几个活动零件，使步枪操作更为简单，生产成本也降低了一些。另外由于当时的新型弹药允许步枪采用铝合金和塑料等轻型材料，因此ar—15空枪重只有6。35磅，相当于2。89公斤。
但是斯通纳认为没有必要给枪膛镀铬，而且当时阿玛莱特公司也没有给枪膛镀铬的工艺能力，但军方在第二次世界大战期间的研究表明，对自动武器来说枪膛镀铬是大有好处的，因此军队宣布从m14步枪开始，以后生产的步枪都要镀铬。ar—15的出现引起了美国军方的注意，从1958到1959年，陆军在本宁堡、奥德堡和阿伯汀试验场等地将ar—15与m14进行多次对比试验。通过试验，表明ar—15重量轻、易操控、易于分解结合，而且步兵部门报告说ar—15会是m14步枪的一个合适的替代品。
但在稍后的测试中暴露了一些问题，如枪口焰大、精度不好、侵彻力差、使用30发弹匣时故障率高，而且当雨水进入ar—15的枪管中时发射会导致膛炸。斯通纳又重新设计并加强了枪管，但军械工程人员说问题仍然存在，这是。22口径枪管可以预期的问题。美国陆军对ar—15失去了兴趣，参谋长麦克斯韦·泰勒将军也不支持ar—15而建议继续生产m14。于是，阿玛莱特公司决定停止对ar—15的研究，为了偿还一百四十五万美元的研制费用，仙童公司在1959年12月把ar—15的设计、制造与销售权以现金75000美元和4。5％的提成卖给了柯尔特武器公司。
1960年，阿玛莱特公司进行改组，斯通纳在这次改组期间离开了阿玛莱特公司。柯尔特公司进一步完善了ar—15的设计，同时有一些外国军队也看中了这种革命性的新步枪。ar—15最早的买家之一是英国陆军，他们采购了一批供sas在婆罗洲使用，值得一提的是，sas的对手印尼军队也是ar—15最早的用户之一。柯尔特公司把公司未来命运的赌注押在了ar—15身上。柯尔特公司决定向军方高层发起一次大胆的攻势。首先，柯尔特公司开始攻击m14步枪，然后，柯尔特公司试图影响国防部的其他高层官员。
第一个被说服的高官就是当时的空军副参谋长柯蒂斯·李梅将军。在1960年6月4日，空军在德克萨斯州的一个空军基地试验了ar—15，事后李梅将军确定采购8煛15步枪以代替战略空军司令部的岗哨所装备的m2卡宾枪。柯尔特公司用同样的方法去影响美国国防部高级研究计划局，也认为ar—15在实战中使用很适合，于是在1961年8月，越南军援咨询小组要求买入1煛15让南越军队进行全面的实战测试，当时的国防部长批准了这一要求。
在1962年初夏这项采购计划得以实施，通过实战测试，表明ar—15在性能上优于其他武器。而美国陆军在1962年、1963年两次复试ar—15，两次否定ar—15，理由是远距离上精度差，易损坏。但在空军与军援咨询小组的努力下，国防部决定对ar—15和现役的m14进行一次效费比试验。arpa的报告指出：通过对ar—15和m14的效费比试验表明，如果装备一定数量的ar—15会使美国步兵拥有同装备ak—47的苏联步兵相抗衡的火力，而且价格上也相当低廉。美军驻越南总司令威斯特摩兰也多次作出装备的请求，麦克纳马拉在1963年1月23日命令m14停止生产。此时，空军将在越南使用的ar—15命名为》
在1963年11月4日，柯尔特公司获得一份10416的生产合同——其中85000支提供给陆军的特种部队与空中机动战术部队，另外19000支供空军的空降特种部队使用。m16a1步枪演变取代m14，11964年2月8日，空军把装备的ar—15正式命名为“美国5。56mm口径m16步枪”。同时，陆军把他们装备的试验型命名为16e1与m16的区别在于其枪机增加了枪机辅助闭锁装置，枪机到位助推器，更形象的称呼为“辅助推机柄”，而m16的拉机柄只有拉动枪机功能，无法助推，一旦因为某些原因使枪机不能复进到位，枪机就无法闭锁。
1967年美国陆军决定全面换装改进型的xm16e1，并将xm16e1正式命名为m16a1。m16与m16a1在外形上的惟一区别就是有没有一个活塞状的枪机到位助推器。1966年6月16日，柯尔特公司获得一份840000支步枪的合同，价值约91700000美元，m16的销量非常好。但是在1965年至1967年期间，一些主要的问题就暴露出来。对于ar—15能成为m16，m14起到了很大的作用。20世纪50年代，在北约进行“弹药通用化”即要在北约内统一枪弹口径时，美国认为t65式7。62x51mm枪弹射程远、穿透力强，坚决反对任何降低威力的小口径弹药。于是1953年，北约正式决定t65弹为北约制式弹。
1957年，美国进行制式步枪的选型试验，参与竞争的步枪，包括有已经定为北约制式武器的步枪、斯通纳的ar—10和在m1伽兰德半自动步枪基础上设计的t44全自动步枪。其实选型试验的结果早已内定。美军的制式步枪是不会用外国货的，fal的参与只是做做样子；ar—10在试验时出了问题，立即被取消了资格。于是t44步枪理所当然地取胜，并定型为m14。m14刚刚装备部队就立即在越南战场投入使用，在越南的丛林山区中，m14的缺点暴露无遗。
m14全长，带实弹匣时全重4。54kg，由于7。62mm枪弹威力大，在全自动射击时后坐力非常大，射手不容易控制，从而导致射击精度很差。还有一点就是在越南战场上配发的m14都安装了快慢机锁，士兵只能是半自动射击，在阿卡47强大火力的压制下，使用m14的美军士兵根本就抬不起头来，简直是苦不堪言。
此外由于步枪和弹药都太重，通常在巡逻任务中的单兵携带的弹药量一般都不超过100发子弹。因此，在越南战场上的美军迫切地需要一种新的步枪取代m14步枪。1963年美国国防部长麦克纳马拉下令m14立即停产，随后m16便赶赴越南战场救火了。m16全面配发到部队后首次在战斗中登场是在1965年11月越南德浪河谷的战斗，而且表现得相当好。
后升为中将的哈罗德·g·摩尔中校，在报告中写道：这次的胜利是由“勇敢的士兵和m16带来的。”但是从1966年秋天开始，越南战场上频频传出m16出现故障的消息。在1967年5月，一名海军陆战队员所写的家信中就有这样的内容：“我今天上船时刚好收到了你的信。从上个月的21号到今天世人都在实施一次行动。目前敌人伤亡很大，而海军陆战队的伤亡比较轻微所以我才能回到基地看报纸。
在营里失去了接近1400人，有半数的人能回来。世人连里失去了250人，有107人回来。世人排里失去了72人，有19人回来。我想我的运气到头了，他们，死神最后也会找上我的。可是，我只是被一块小弹片打中了。我希望我的伙伴们都可以说这样的话。……信不信由你，你知道是什么东西杀了大部份的人吗？是自己的步枪。在离开冲绳岛之前，世人全部都配发了这种新式步枪－－m16。实际上世人发现几乎每个人在临死的时候都在维修他的步枪－－因为他的步枪出故障了。有一位跟世人在一起的女记者拍下了这些照相，五角大楼发现后不让她公开这些照片。他们说不希望影响到美国公众的情绪。这不是很可笑吗？”。
柯尔特公司立即派出了几个专家小组奔赴现场，美国参议院武装部队委员会、《美国步枪手》杂志等也派人前往调查，进行采访。当时发现m16存在的主要问题有：弹膛污垢严重、拉断弹壳、卡壳、弹匣损坏、枪膛与弹膛锈蚀、缺少擦拭工具，尤其是在恶劣条件下，这些情况更为严重。此时，由凯萨琳·利莱拍摄的这些照片在巴黎《竞赛》杂志上公开，消息传到国内，引起一片哗然，批评m16的浪潮此起彼伏。这些故障的原因是多方面的，越南气候潮湿，温度很高，若不注意对枪的擦拭维护，就很容易产生生锈的情况，但其中将其改用步枪弹发火药是最主要的原因。m16原本所用的m193枪弹原装杜邦公司的imr4475单基管状药，这种药燃速快、压力曲线升得快、残渣少。
可是杜邦公司通知陆军说他们无法大量生产imr4475。1964年1月，陆军决定采用奥林公司的wc846双基球形药，他们认为这种发火药易于生产，成本低，而且燃速慢，降低了峰压，还有利于提高枪管的使用寿命，而且原本t65枪弹也是使用这种发火药的。可是，m193弹采用wc846药后便出现了很多问题：
球型发火药燃烧后会在m16的枪管和导气管中留下一些粘粘的残渣，由于枪管没有镀铬，而导气系统又没有相应的维护装置和适合的润滑物，因此很难迅速使步枪恢复正常使用状态；由于球型发火药的弹道特性导致导气孔的压力，加上缓冲装置质量很轻，m16的全自动射速从正常状态下的每分钟750—850发大大提高到每分钟850—1000发；另外由于枪机开锁时剩余膛压高，残渣也增加了膛壁与弹壳之间的磨擦力，因此卡壳和断壳的现象就这样出现了；此外，由于对m16的生产全过程缺乏一个有效的管理体制进而导致的质量问题也是一个重要原因。
除上述的原因以外，装备m16的部队缺乏必要的训练和指导，也是导致m16在战斗中出现了很多戏剧性故障的原因。针对在战争中表现出来的问题，一个由国会组成的委员会于1967年5月15日开始着手调查，首席代表是密苏里洲的民主党员理查德·伊萨霍特。他在本宁堡和彭德尔顿营进行测试观察m16的故障，并直接专程前往越南评定问题，调查委员会在1967年6月下旬提交报告，陈述“看上去所谓问题重重的m16其实是一支非常优秀的步枪，其在应用中将发现的种种问题均由部队内部管理不善所致。”
可是抽壳困难和射速的问题确实是由设计的缺陷引起。为了解决设计中的一些问题，m193弹中将容易产生残留物的含钙元素的碳酸盐的含量由原来的1％减少到0。25％，这样使m16导气管的堵塞现象就减少了一半，抽壳困难的现象也得到了解决。
柯尔特公司对m16本身也进行了改进，例如弹膛镀铬；重新设计缓冲器，即复进簧导管，使射速降低到正常的状态；设计一种维护工具以及新的枪托，使清洁工具能贮存于步枪内；膛线缠距由原来的14英寸改为12英寸；严格控制生产工艺，提高产品质量。最后，还制订了一项“应该如何正确地维护m16”的训练计划，并印制了一份连环漫画式的步枪维护手册发给士兵，这项措施是关于操作问题的最终也是最好的解决方法。在操作性能和生产问题上所作的努力，使得m16／m16a1的运作开始变得相当可靠了。在解决了故障频频的问题后，下一个有待解决的问题，就是如何把更多的步枪交到正需要它们的步兵团的手上。
1966年，柯尔特公司是m16／m16a1的唯一生产商，月产25000支。1967年6月30日，美国政府购买了m16的专利与特许生产权，然后又增加了两个承包商，在1968年4月，通用汽车公司的分部和哈灵顿·理查森公司开始生产m16／m16a1，月产也分别为25000支。1969年柯尔特公司扩建，m16的月产量达到50000支。1970年5月，三家公司的最高月产量达到了89000支。到1971年，通用公司和哈灵顿公司相继停产m16／m16a1，而柯尔特公司则仍在为美军提供m16／m16a1步枪，直到1988年。
m16与阿卡47的首次较量是在越南战场上，当时很多美军士兵在对手手里缴获阿卡47后，宁愿扔掉m16而使用阿卡47。在哈罗德·g·摩尔的《世人曾经是年轻的士兵》中多次提到战斗中m16出现故障时的解决方法往往是一些人使用伤员或阵亡人员的步枪继续战斗，而另一些人则是蹲在散兵坑底排除故障。因为缴获阿卡47是在战斗结束后打扫战场时才能做的，而更重要的是使用不同型武器还涉及到训练水平的有效发挥和配用弹药供应等一些琐碎问题。而改进后的m16a1就大大提高了可靠性。
例如每一批m16a1在配发到部队前，都会进行可靠性抽试，抽试的结果中表明m16a1平均故障率为0。033％，低于当时指标要求的0。15％，平均无故障工作时间为3000发。通过严格控制生产工艺，m16a1还是具有良好的可靠性的。尽管m16最初在越南战场上表现得故障频频，但问题在六个月的时间内就解决了，m16／m16a1在战斗中的表现证明了尤金·斯通纳设计了一把优秀的步枪。
当美国深陷越战的泥潭中时，还出现了几个m16的衍生型，包括一种短命的狙击步枪和xm177等。在越南作战的美国士兵普通反映m16、m16a1火力猛、重量轻，比m14易于携带。据在越南作战的美军第一骑兵师的一位指挥官p·w·肯德拉中尉回忆，该师的一个班被三面包围在一个小山上，为了呼叫直升机火力支援发射了信号弹。北越士兵以为他们要撤退，于是加快了进攻速度，结果受到m16a1的猛烈射击，伤亡很是惨重。
当时北越士兵经常采用挖地道偷袭的方法令美军吃了大亏，后来美军特种部队就埋伏在探听到的地道出口附近，北越士兵刚一露头就被m16密集的火力所射杀，于是他们称m16为“黑枪”。虽然美军在越南战场失利，但m16却从越南战场起步，仅柯尔特公司在这段时间内就生产了350万支》
1974年，美国陆军又采购了270万支。m16开始走向世界，并在世界各国军队中掀起的一股小口径步枪热潮。更值得一提的是，北越军队彻底击败南越军队后，从南越军队手上缴获了约一百万支m16a1。越南在1970年代至1980年代期间把这些缴获的m16a1销售到其他地方，大部分是卖到中美洲，尤其是萨尔瓦多的左派游击队马蒂民族解放阵线党手中。三发点射m16a2步枪的改进，1m16a2自动步枪斯通纳本人一直对m16a1情有独钟，所以对于m16a2的改进也一直耿耿于怀。他曾经说过，改进前和改进过程中，从来没有征求过他人的意见。
他自己说m16a2除了护木以外，其他改动没有任何的价值。他已经忘记了m16a1的起家正是基于使用部队的呼声。海军陆战队将改进的m16a1命名为m16a1e1，与m16a1相比有如下的改进：改用比利时ss109枪弹，美军型号m855，膛线缠距由12英寸改为7英寸，理论射速达到700～；护木前方的枪管外直径加粗到18。5mm，接近消焰器直径，以增加枪管坚固性，提高单发精度，枪管因此加重170克；为节省弹药，将连发射击方式改为三发点射。
枪托加长了16mm，这是为了符合人体工程学，以便于抵肩方式进行瞄准射击，更坚固耐用；三角形左右两半式的护木改为圆柱形上下两半式，护木外表有散热肋条，也可以起防滑作用；原直径2mm的觇孔改为5mm，方便瞄准近距离运动目标，准星尖由圆柱形改为方柱形，照门的风偏和高低可调；取消了枪口消焰器上的两个下方的开孔，以抑制枪口上跳和避免卧射时枪口扬尘；抛壳口后面增加了一块凸起，阻止弹壳后抛，方便左撇子射手使用；枪托、护木和握把材料改用纤维增强尼龙；枪托有防滑底板，直形小握把改为有手指槽的握把。
在1981年夏季期间，m16a1e1进行了一次非常彻底的测试，并且在1982年9月定型为m16a2，一年后，即1983年11月20日它才正式地被海军陆战