|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СТАЛИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ Д-р техн. наук В.В. Цуканов, канд. техн. наук А.Б. Милейковский, О.Э. Нигматулин, С.А. Савичев Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. Номер: 1-2 (115–116)
НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей» в рамках работы шифр «Заслон», заказчиком которой являлось Минпромторг РФ, разработаны гетерогенные броневые стали для защиты от современных высокоэффективных стрелковых средств поражения. Разработанные стали обладают динамической стойкостью в меньших толщинах по сравнению с существующими броневыми сталями серийного производства. Применение разработанных сталей в составе корпусных конструкций перспективных образцов бронетехники позволит снизить их массу при обеспечении требуемого уровня защиты и, как следствие, увеличить ресурс двигателя и элементов трансмиссии.
Разработка новых броневых сталей традиционно идет в русле основных достижений в области создания высокопрочных сталей и технологий их производства. Ужесточение требований к защите перспективных образцов бронетехники, вызванное появлением и широким распространением высокоэффективных стрелковых средств поражения (пули с термоупрочняемыми, твердосплавными сердечниками и др.), вызывает необходимость поиска новых подходов к повышению динамической стойкости броневых сталей с использованием современных металлургических, материаловедческих и конструктивных достижений. В настоящее время традиционные металлургические и материаловедческие подходы к производству гомогенного листового проката из броневых сталей практически исчерпали свои возможности и уже не в состоянии обеспечить высокую динамическую стойкость против современных средств поражения без увеличения толщины брони и, соответственно, массы конструкции в целом. В значительной степени эта проблема решается за счет применения различных неметаллических материалов (бронекерамики, высокопрочных тканей и т.д.) в составе композиций с традиционной стальной броней [1, 2, 3]. Вместе с тем очевидно, что стальная броня еще долгое время будет оставаться основой конструкций бронемашин. В этой связи задача снижения массы брони при обеспечении высокой динамической стойкости, которая традиционно решается за счет уменьшения критической толщины бронеэлементов, не теряет своей актуальности. С этой целью весьма перспективным решением, направленным на снижение толщины брони, является замена традиционного гомогенного листового проката на двухслойные (гетерогенные) стали с мягким тыльным и твердым лицевым слоем. В целом следует отметить, что идея создания гетерогенной стальной брони не нова и берет свое начало с середины XX века, когда технологически задачу обеспечения гетерогенности предлагали решать методами отливки двухслойных слитков и электрошлаковым переплавом составных электродов с разным содержанием углерода, поверхностной закалкой ТВЧ, индукционным нагревом и поверхностной цементацией [4]. Однако в большинстве случаев перечисленные методы производства гетерогенных стальных композиций, несмотря на повышение уровня противопульной стойкости, не позволяли обеспечить значимое снижение защищающей толщины брони [5]. Более перспективным способом производства гетерогенной брони оказался метод изготовления двухслойного листового проката при помощи сварки двух заготовок в процессе прокатки, впервые опробованный в США и имеющий большой потенциал по снижению критической толщины брони при защите от снарядов малокалиберных автоматических пушек [4]. Принцип работы двухслойной стальной брони в значительной степени похож на композитное бронирование и состоит в следующем: лицевой высокопрочный слой воспринимает основную ударную и тепловую нагрузку при попадании пули, деформирует или дробит ее и рассеивает кинетическую энергию, а менее прочный и, соответственно, более вязкий тыльный слой, препятствуя отколу или хрупкому разрушению лицевого слоя, обеспечивает дальнейшую диссипацию и поглощение кинетической энергии за счет разделения слоев, изгиба и вытягивания [6, 7]. При этом за счет применения современных металлургических технологий обеспечивается сцепление слоев с высоким сопротивлением отрыву и мелкозернистая структура с направленной тексту- рованностью, что в сочетании с высоким металлургическим качеством стали, чистотой по вредным примесям, газам и неметаллическим включениям гарантирует высокую динамическую стойкость при снижении эффективной толщины брони. В настоящее время в России серийное производство гетерогенных броневых сталей отсутствует, в то время как зарубежные производите - ли достаточно широко производят и поставляют двухслойную стальную броню, являющуюся одним из основных видов броневой защиты в странах НАТО. В табл. 1 приведены композиции двухслойных броневых сталей зарубежного производства [4]. Целью работы является создание гетерогенных броневых сталей для корпусных конструкций перспективных образцов бронетехники, обладающих динамической стойкостью против современных высокоэффективных стрелковых средств поражения в меньших толщинах по сравнению с существующими сталями серийного производства.
Постановка задачи С целью создания гетерогенных броневых сталей отечественного производства в работе была представлена серия опытных химических составов для лицевого и тыльного слоев двухслойного листового проката. За основу разрабатываемых составов двухслойных листовых сталей были приняты хорошо зарекомендовавшие себя экономно легированные С-Cr-Ni-Mo-V композиции. Содержание углерода, система легирования, в т.ч. суммарное содержание легирующих элементов, были выбраны, исходя из требований к свариваемости, технологичности и технико-экономической эффективности в условиях массового производства листового проката и сварных конструкций из разработанных сталей. Суммарное содержание легирующих элементов в сталях для лицевого и тыльного слоев не превышало 4,5%, что существенно ниже, чем у большинства зарубежных аналогов, которые отличаются не обоснованно повышенным комплексом легирования (табл. 1). Основным критерием, положенным в основу разработки химического состава стали лицевого слоя, являлось физически обоснованное требование обеспечения твердости на уровне 58-60 HRC, т.е. сопоставимой с твердостью материала сердечника пули.
Таблица 1 Композиции и уровень прочности зарубежных двухслойных броневых сталей
При разработке химического состава тыльного слоя задача была сведена к поиску оптимального решения по требуемому уровню прочности. С одной стороны, необходимо было обеспечить уровень твердости тыльного слоя не ниже 50 HRC, при котором минимальные показатели живучести еще могут быть сохранены даже при пробое лицевого слоя по низкоэнергетическому механизму (срез пробки, пролом, откол). С другой стороны, концепция двухслойной брони требует повышения динамической стойкости и живучести в тех же или меньших толщинах, что, в свою очередь, подразумевает повышение показателей вязкости тыльного слоя при одновременном снижении прочности [8, 9]. С этой целью исследование влияния на противопульную стойкость уровня прочности слоев двухслойных броневых сталей проводили в широком диапазоне изменения содержания легирующих элементов в составах сталей лицевого и тыльного слоев. При этом содержание углерода в стали лицевого слоя варьировали в пределах 0,45-0,55%, а в стали тыльного слоя — в пределах 0,34-0,40%. Поскольку рост противопульной стойкости двухслойных броневых сталей в значительной степени определяется сопротивлением тыльного слоя отрыву при динамическом воздействии, основной технологической задачей является обеспечение надежного соединения слоев. С этой целью в рамках работы были опробованы различные способы изготовления биметалла, в частности, нанесение лицевого слоя наплавкой, сваркой взрывом и пакетной прокаткой вакуумированных пакетов. Для каждого из методов были разработаны и опробованы при производстве опытных партий металлургические технологии выплавки, ковки, соединения слоев, термомеханической и термической обработки. Технологические схемы производства представлены на рис. 1. При изготовлении опытных партий двухслойного листового проката выплавку осуществляли в открытой индукционной печи с разливкой в кузнечные слитки, которые после разливки охлаждали в изложницах. После остывания слитки раздевали и передавали на нагрев под ковку. Ковку слитков осуществляли на молоте, после чего кованые заготовки разрубали на кратные части и передавали на изотермический отжиг с последующим охлаждением с печью. После отжига заготовки подвергали абразивной зачистке для удаления дефектов и далее передавали на нагрев и последующую прокатку на стане на катаные заготовки в толщинах по назначению в зависимости от технологии изготовления биметалла.
Рис. 1. Принципиальные технологические схемы производства опытных образцов броневого двухслойного листового проката
При изготовлении двухслойной броневой стали сваркой взрывом катаные пластины подвергали абразивному шлифованию, после чего собирали в пакет, устанавливали заряд с электродетонаторами мгновенного действия и производили взрыв. Для изготовления биметалла методом наплавки катаную заготовку лицевого слоя рубили на электроды и производили наплавку ручной аргонодуговой сваркой. При изготовлении двухслойного листового проката методом пакетной прокатки из катаных заготовок, после шлифовки соединяемых поверхностей, собирали сварной пакет, который вакуумировали в вакуум-камере. Изготовленные по указанным технологическим маршрутам биметаллические заготовки после ультразвукового контроля и цветной дефектоскопии (для наплавки), при отсутствии значимых дефектов передавали на нагрев, последующую прокатку на заданные толщины, порезку на карточки и термическую обработку по режимам, назначенным на основании химического состава и требованиям к прочностным свойствам лицевого и тыльного слоев биметалла.
Анализ полученных результатов Уровень прочности лицевого слоя опытных образцов после термической обработки находился в пределах σв= 2000 - 2120 МПа, а тыльного слоя σв = 1260 - 1650 МПа. Необходимо отметить, что для максимально возможного предотвращения обезуглероживания слоев биметалла при нагреве под прокатку и термической обработке во всех вариантах технологии в пространство печи подавали газообразный азот. Для исследования противопульной стойкости изготовленных опытных образцов гетерогенных броневых сталей были проведены баллистические испытания. Результаты испытаний приведены в табл. 2. Карточки
опытных образцов гетерогенных броневых сталей размером 170 х
В каждую карточку производили от 3 до 9 выстрелов с ударными скоростями в пределах от 796 до 853 м/с [10].
Таблица 2 Результаты стендовых баллистических испытаний опытных образцов гетерогенной броневой стали
*— прослойка из армко железа.
Результаты баллистических
испытаний опытных образцов гетерогенного листового проката, изготовленных в
толщинах 9-
На рис. 2 приведены фотографии образцов гетерогенной стали, изготовленных по технологиям наплавки, пакетной прокатки и сварки взрывом. Стойкость лучшего образца гетерогенной броневой стали соответствовала 6А классу по ГОСТ Р 50963-96 (уровень 3 Stanag 4569 НАТО) (рис. 2, б). Баллистические испытания опытного образца, изготовленного методом наплавки, показали низкую противопульную стойкость (рис. 2, а). Результаты исследований показали, что неудовлетворительные результаты баллистических испытаний связаны с сильной анизотропией структуры лицевого (наплавленного) слоя, поскольку при наплавке не удается обеспечить равномерный заданный уровень твердости наплавляемого слоя вследствие локального выгорания углерода. Исследование стружки, отобранной от лицевого лоя опытного образца, изготовленного методом наплавки, выявило отклонения в содержании углерода до 0,08% по сравнению с исходным содержанием в наплавляемых электродах (0,48%). В этой связи фактическая твердость слоев в различных локальных зонах существенно отличалась от расчетной.
а) образец «LX», толщина
б) образец «КМ», толщина
в) образец «Р/ОО», толщина
г) образец «NX»,
толщина
Рис. 2. Образцы гетерогенных броневых сталей изготовленных методом наплавки (а), пакетной прокаткой (б, в) и сваркой взрывом (г) после баллистических испытаний
Опытные образцы, изготовленные
сваркой взрывом, при баллистических испытаниях показали два прямо
противоположенных результата. При сопоставимых толщинах и скоростях пули один
образец показал тыльные отколы, а при большей скорости пули — сквозное
пробитие, в то время как другой образец при схожих условиях испытаний показал
хорошую противопульную стойкость (рис.
Для анализа полученных структур стали лицевого и тыльного слоев показавший наилучшие результаты при баллистических испытаниях образец (маркировка «КМ», рис. 2, б), изготовленный методом пакетной прокатки, был исследован при помощи методов электронной и оптической металлографии. Макроструктура двухслойного образца «КМ» броневой стали вдоль направления прокатки представлена на рис. 3. На фотографии (рис. 3) хорошо заметна линия раздела слоев, в связи с чем данная зона была исследована при большем увеличении. Микроструктура опытного образца (маркировка — «КМ») гетерогенной броневой стали, из готовленной методом пакетной прокатки, в зоне сцепления слоев представлена на рис. 4. Отсутствие ярко выраженной переходной зоны между слоями на шлифе, отобранном вдоль направления прокатки, характеризует высокое качество сварки слоев при пакетной прокатке (рис. 4). В шлифе лицевого слоя, вырезанном в направлении прокатки (рис. 5, а), была обнаружена характерная структура низкоотпущенного реечного мартенсита с зерном 10 балла. Тыльный слой также характеризуется микроструктурой стали, состоящей преимущественно из реечного мартенсита с единичными прослойками пластинчатого мартенсита, однако имеет более крупный размер зерна 8 балла (рис. 5, б). На основании исследований микроструктуры можно заключить, что, несмотря на то что предложенные режимы термомеханической и термической обработки листового проката гетерогенных сталей С-Сг-Ni-Mo-V композиций легирования обеспечивают высокий уровень свойств и положительные результаты баллистических испытаний, существует технологический резерв по улучшению этих показателей в направлении дальнейшего снижения размера зерна и создания субмикрозеренных структур в стали лицевого и тыльного слоев.
Рис. 3. Макроструктура опытного образца двухслойной броневой стали вдоль направления прокатки, х 2
Рис. 4. Микроструктура гетерогенной броневой стали (образец «КМ») вдоль направления прокатки в зоне сцепления слоев, х 500
а) лицевой слой, вдоль направления прокатки
б) тыльный слой, вдоль направления прокатки
Рис. 5. Микроструктура лицевого (а) и тыльного (б) слоев гетерогенной броневой стали (образец «КМ»), изготовленной методом пакетной прокатки, х 1000
Выводы В работе были разработаны составы сталей лицевого и тыльного слоев и металлургические технологии производства гетерогенной (двухслойной) стальной брони. Установлено, что наиболее перспективным и технологичным методом изготовления двухслойной стальной брони является метод пакетной прокатки, позволяющий обеспечить надежное сцепление лицевого и тыльного слоев, а также защиту по 6А классу ГОСТ Р 50963-96 (уровень 3 Stanag 4569 НАТО). Другие опробованные методы изготовления гетерогенной стальной брони (наплавка и сварка взрывом) не обеспечили надежного сцепления слоев, показали неоднозначные результаты баллистических испытаний и нуждаются в доработке. Результаты стендовых
баллистических испытаний показали, что опытные образцы гетерогенных сталей в
толщинах 10,2-
Таким образом, разработанные образцы гетерогенной стальной брони на основе низколегированных С-Сг-Ni-Mo-V композиций (суммарное содержание легирующих элементов в сталях лицевого и тыльного слоев не превышает 4,5%), изготовленные методом пакетной прокатки, обладают высокой противопульной стойкостью в толщинах на 20-50% меньших по сравнению с серийными броневыми сталями (2П, СПС-43). На основании полученных в работе результатов можно ожидать высокой эффективности предложенных гетерогенных броневых сталей для защиты существующих и перспективных образцов техники как в моно исполнении, так и в составе комплексного бронирования совместно с другими материалами и системами защиты, обеспечивая при этом снижение критической толщины брони и, как следствие, снижение массы бронемашин.
Заключение В продолжение темы противопульной
стойкости гетерогенных броневых сталей, изготовленных методом пакетной
прокатки, были исследованы возможности обеспечения стойкости гетерогенной
стальной брони против средств поражения крупного калибра. С этой целью
полученные ранее результаты были учтены при разработке композиции легирования
лицевого и тыльного слоев, технологии прокатки и термической обработки. По
разработанной технологии был изготовлен опытный образец толщиной
Карточку опытного образца размером 170 х
В карточку был произведен один выстрел с ударной скоростью 980 м/с, в результате которого пробития образца не произошло. При этом на лицевой стороне образовался откол 50% площади карточки, а тыльная сторона осталась чистой, без выпучины. Проведенный эксперимент показал большой потенциал предложенной гетерогенной броневой стали и технологии ее производства по стойкости к средствам поражения крупного калибра, что нуждается в дальнейшем изучении.
Литература 1. Григорян В.А., Кобылкин И.Ф., Маринин В.М., Чистяков Е.Н. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования. — М.: РадиоСофт. 2008. 406 с. 2. Рыбин А.А., Летников А.Ю., Сидоров И.И. Экспериментальный анализ механического поведения полимерных нитей в исходном состоянии и в составе тканей при импульсных нагрузках // Вопросы оборонной техники. Серия 15. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. 2001. Вып. 3 (125) - 4 (126). 3. Дашевская О.Б., Чухин Б.Д., Хромушин В.А. и др. Перспективы совершенствования тканевой защиты для создания средств индивидуальной бронезащиты // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды III Всероссийской научно-практической конференции в двух томах. Т. 2. — СПб., 2000. 4. Гладышев С.А., Григорян В.А. Броневые стали. — М., Интермет Инжиниринг. 2010. 334 с. 5. Белобородько А.Н., Дорохов Н.С., Кобылкин И.Ф., Коновалов А.В., Маринин В.М., Соколов И.В. и др. Частные вопросы конечной баллистики. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2006. 592 с. 6. Анастасиади Г.П., Сильников М.В. Работоспособность броневых материалов. — СПб.: Асте- рион. 2004. 622 с. 7. Анастасиади Г.П., Сильников М.В. Неоднородность и работоспособность стали. — СПб.: Полигон. 2002. 624 с. 8. Орленко Л.П. Поведение материалов при импульсных динамических нагрузках. — М.: Машиностроение. 1964. 9. Полежаев А.А., Терёхин И.И. Броневая защита корпусов и башен самоходных боевых машин. — М.: ЦНИИ информации. 1976. 218 с. 10. Высоковский С.Н., Макушкин В.М., Маринин В.М. и др. Вероятно-статистический метод определения 50%-го баллистического предела стойкости защитных преград // Боеприпасы. 2000. № 3. С. 44-48.
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|