Баллистическая стойкость керамической брони

Процесс ударного взаимодействия ударников с преградой разделяется на очень короткую начальную ударно-волновую стадию и последующую достаточно длительную стадию динамического деформирования и (или) проникания ударника в преграду без выраженных ударно-волновых процессов. Ударно-волновая стадия взаимодействия характеризуется наличием интенсивных ударных волн и волн разрежения как в преграде, так и в ударнике. Максимальное давление рув на границе раздела ударник - преграда, развиваемое на ударно-волновой стадии, может быть оценено с помощью соотношенияБаллистическая стойкость керамической брони

Для случая взаимодействия стальных ударников с корундом с использованием данных из табл. 6.1 в диапазоне скоростей 500... 1000 м/с получим руВ = 10...20 ГПа. Поскольку Гюгониевский предел упругости малопористой корундовой керамики плотностью 3,9 г/см3 достигает ~ 90 ГПа [6.5], то ударные волны в указанном диапазоне скоростей являются упругими. Длительность ударно-волновой стадии tув невелика и для цилиндрического ударника с плоским торцом диаметром dyд по порядку величины составляет dyд/(2cnp). Так при воздействии ударника диаметром 7,62 мм по преграде из корундовой керамики tув 0,3...0,4 мкс. По истечении этого времени ударная волна быстро затухает. Если ударник заострен, что характерно для сердечников пуль, то выделить начальную ударно-волновую стадию достаточно сложно, так как диаметр начальной области контакта мал и возникающие в начальный момент времени ударные волны быстро затухают как из-за воздействия тыльных волн разгрузки, так и вследствие сферической формы фронта ударной волны.

По причине малой длительности по сравнению с полным временем ударно-проникающего взаимодействия ударно-волновую стадию в задачах конечной баллистики обычно не учитывают. Однако на этой стадии при схождении радиальной волны разгрузки, в которой материал преграды приобретает радиальную составляющую скорости, направленную от оси симметрии ударного взаимодействия, из-за невысокой прочности керамики на растяжение возможно ее разрушение в небольшой области непосредственно под ударником.

На последующей стадии динамического взаимодействия ударника с жесткой преградой контактное давление рк можно оценить с помощью двучленной зависимости [6.4, 6.6], учитывающей как прочностные свойства, так и давление скоростного напора материала ударника

Баллистическая стойкость керамической брони
Расчеты показывают, что при воздействии по преграде стальных пуль, имеющих σтд = 0,5... 1,5 ГПа в скоростном диапазоне Vуд = 500... 1000 м/с, рк по величине не превосходит 4,5 ГПа. Сравнение возникающего контактного давления с твердостью керамик Нк показывает, что оно значительно ниже приведенных в табл. 6.1 значений твердости по Виккерсу HV, изменяющейся в пределах 15...28 ГПа. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что в начале динамической стадии взаимодействия проникания даже термоупрочненных сердечников бронебойных пуль в керамику происходить не может - керамическая преграда ведет себя подобно абсолютно жесткой преграде. Торможение пуль на «жесткой» керамической преграде сопровождается разрушением (срабатыванием) их головной части и снятием рубашки (рис. 6.1 а, б). Такой характер начальной фазы взаимодействия бронебойных пуль с керамической преградой имеет прямое экспериментальное
подтверждение, полученное путем рентгенографирования процесса взаимодействия бронебойных пуль с корундовой керамикой (рис. 6.2) [6.7].
 
Баллистическая стойкость керамической брони
Баллистическая стойкость керамической брони
Твердость керамики Нк, подвергнутой высокоскоростному удару, вследствие ее разрушения в процессе волнового формирования поля сдвиговых и растягивающих напряжений, характерного для контактных задач, быстро уменьшается. Но до тех пор, пока твердость разрушающейся керамики превосходит контактное давление, проникания пули в нее не происходит. Условие жесткости преграды Нк > рк выполняется в течение некоторого времени tp. По истечение этого времени при t > tp начинается проникание частично сработавшейся пули в разрушенную керамику и продолжается до тех пор, пока давление на контактной границе превосходит твердость разрушенной керамики рк > Нк (рис. 6.1 в). В момент времени t = tпр давление на контактной границе вследствие торможения пули становится равным твердости разрушенной керамики рк = Нк и проникание пули в нее прекращается. Режимы проникания определяются взаимным положением зависимостей от времени твердости керамики HK(t) и контактного давления pK(t) (рис. 6.3).
 
Баллистическая стойкость керамической брони
Вид зависимости HK{t) определяется граничными условиями, типом и кинетикой разрушения керамики, конфигурацией возникающих трещин. Все это даже для простой геометрии ударного воздействия на полупространство упруго-хрупкого материала (динамическая контактная задача Герца) исследовано в недостаточной для практических приложений степени [6.8-6.10]. Поэтому говорить о возможности построения зависимости Hк (t) на основании теоретических представлений механики разрушения еще рано. Некоторые особенности разрушения керамики в составе защитных структур при ударном воздействии пуль достаточно подробно исследованы экспериментально [6.4, 6.7, 6.11-6.16]. Одним из результатов, важных для дальнейшего количественного анализа процесса взаимодействия пуль с преградами, является установление конфигурации области разрушенной керамики. Она имеет форму усеченного конуса, обращенного большим основанием к подложке и диаметром меньшего основания, незначительно превосходящим диаметр области воздействия. Угол раствора конуса для исследованных керамических материалов изменяется в пределах 2α==110°...130° (рис. 6.1в). Наличие расходящихся конических трещин в локально нагруженной упруго-хрупкой преграде характерно для динамических контактных задач Герца [6.9, 6.10]. Эти трещины возникают вдоль границы, разделяющей внутреннюю сжатую и внешнюю растянутую радиальными напряжениями области материала преграды.

О состоянии керамики внутри конуса можно судить по фоторегистрации тыльной поверхности керамической пластины, приведенной на рис. 6.4 [6.16]. Корундовая пластина толщиной 5 мм с поперечными размерами 60x60 мм пробивалась имитатором осколка по стандарту НАТО STANAG 2920 диаметром 6,1 мм и массой 1,1 г, летящим со скоростью 650 м/с. На фотографируемой поверхности четко выделяется основание конуса разрушенной керамики, на котором можно выделить две зоны: центральная зона раздробленной керамики диаметром 20...25 мм (~4 диаметра ударника) и периферийная зона с регулярными радиальными и круговыми трещинами диаметром 40...45 мм. От периферийной зоны, которая разрушена на более крупные фрагменты, отходят радиальные трещины. Наши наблюдения показывают, при увеличении толщины керамического слоя до 10... 15 мм размеры фрагментов увеличиваются. Фотографии фрагментов и вид поверхности разрушения корундовой керамики приведены на рис. 6.5.

Разрушенную керамику на начальной стадии формирования и ускорения конической области можно уподобить пористому телу, состоящему из тесно прилегающих друг к другу керамических фрагментов и обладающему определенной сдвиговой прочностью вследствие трения между фрагментами, особенно в условиях действия сжимающих напряжений. Если сдвиговые напряжения превышают силы трения, то возможно пластическое деформирование разрушенной керамики, которое может сопровождаться как дополнительным разрушением керамических фрагментов, так и увеличением объема разрушенной керамики вследствие их разворота. Все это приводит к тому, что, во-первых, проникание остатков пули в разрушенную керамику сопровождается не только инерционным, но и прочностным сопротивлением, во-вторых, разрушенный керамический конус под действием сил взаимодействия с проникающей пулей ускоряется как твердое тело и включает во взаимодействие последующие слои подложки еще до подхода к ним пули.

Баллистическая стойкость керамической брони
 
 

Баллистическая стойкость керамической брони

Наличие остаточной прочности у разрушенной керамики, находящейся в сжатом состоянии, является важным дополнительным фактором торможения остатков пули и характеризует качество керамики как баллистического материала. В некоторых работах, например [6.4], разрушенную керамику уподобляют сыпучей среде, не обладающей прочностью, хотя приведенные в этой работе экспериментальные данные напрямую указывают на наличие остаточной прочности у разрушенной керамики.
 

 

Смотрите также