Стальная броня

Лучшие образцы текстильной и органопластиковой брони позволяют обеспечить защиту по второму классу ГОСТ Р 50744-95 при поверхностной плотности защитной структуры 6...8 кг/м2. Для защиты от средств поражения, обладающих большей кинетической энергией (автоматные и винтовочные пули), необходимо использовать чисто металлические или комбинированные защитные структуры, включающие в себя металлические, композиционные или керамические бронеэлементы.

Металлическая броня как класс включает в себя броневые стали, высокопрочные алюминиевые и титановые сплавы. Наиболее широко используется стальная броня. С ее помощью возможно обеспечение защиты вплоть до пятого класса при толщине бронеэлемента 5,0...6,5 мм, что соответствует поверхностной плотности 39...51 кг/м~. Большие толщины стальных бронеэлементов недопустимы из-за их чрезмерно большого веса.

Броневая сталь представляет собой среднеуглеродистую, среднелегированную сталь мартенситного класса. Высокие прочностные характеристики броневых сталей для СИБ достигаются в результате термообработки, включающей в себя закалку на мартенсит и низкий отпуск. Для того чтобы получить представление о свойствах и структуре броневых сталей, коротко рассмотрим их состав и основные превращения, происходящие при термообработке [5.1].

Как известно, основой стали является сплав железа Fe с углеродом С. Железо имеет две полиморфные модификации а и у. Модификация Feα имеет ОЦК решетку и существует в двух интервалах температур: до 911 °С и 1392... 1539 °С. Модификация Feγ имеет ГЦК решетку и существует в интервале температуры от 911 °С до 1392 °С. ГЦК - решетка более компактна, чем ОЦК - решетка. В связи с этим при фазовом переходе а → γ объем железа уменьшается приблизительно на 1 %. Углерод при нормальных условиях существует в двух кристаллических модификациях (графит - стабильная модификация и алмаз - метастабильная модификация) и аморфной форме в виде сажи.

В составе стали железо и углерод присутствуют в виде растворов и химических соединений, представляющих собой следующие фазы: феррит, аустенит, цементит и графит.

Феррит (Ф, α) - твердый раствор внедрения С в Feα, имеет ОЦК - решетку. Растворимость углерода в ОЦК - решетке очень низкая: в низкотемпературном феррите - 0,02 %, в высокотемпературном - 0,1 %. Значительная часть атомов углерода вынуждена размещаться на дефектах решетки - вакансиях и дислокациях. Феррит, кроме углерода, растворяет и другие элементы. Азот образует твердый раствор внедрения, а металлы, которыми легируют стали, образуют твердые растворы замещения. Феррит - мягкая пластичная фаза, имеет следующие механические свойства: σв = 300 МПа, δ = 40 %, ψ = 70 %, НВ 80... 100.

Аустенит (А, γ) - твердый раствор внедрения С в Feγ, имеет ГЦК - решетку. Растворимость углерода в ГЦК - решетке достаточна большая и достигает 2,14 %. Аустенит пластичен, но более прочен, чем феррит. Твердость аустенита составляет НВ 160. ..200.

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом Fe3C содержит 6,67 % углерода, имеет сложную ромбическую структуру с плотной упаковкой атомов. При нормальных условиях цементит весьма тверд (НВ 800) и хрупок. При высоких температурах цементит неустойчив и разлагается на аустенит и графит.

Графит - углерод, выделяющийся в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку, мало прочен, мягок (НВ 3).

Диаграмма состояния Fe - С имеет двойственный характер: 1) метастабильная диаграмма Fe - Fe3C; 2) стабильная диаграмма Fe - С. Для анализа состояния сталей важны обе диаграммы.

Если аустенит быстро переохладить, то вследствие превращения FeγB Feα образуется пересыщенный твердый раствор углерода в Fea - мартенсит. Превращение является бездиффузионным (быстрым), углерод из раствора не выделяется. Мартенсит имеет особую пластинчатую структуру, его твердость очень высока и достигает HRC 65. Термообработка стали на структуру мартенсита называется закалкой. После закалки на мартенсит сталь становится хрупкой. Мартенсит является неравновесной структурой - при нагреве (отпуске) диффузионная подвижность атомов углерода возрастает и мартенсит начинает перестраиваться в смесь Ф + Ц. Задача отпуска мартенсита состоит в том, чтобы приблизить мартенсит к равновесной структуре. Чем выше температура отпуска Тотп, тем ближе структура стали к равновесной, сталь мягче, а ее хрупкость меньше. Различают низкий отпуск Тотп < 350...380 °С, в результате которого получают равновесную смесь Ф + Ц - тростит отпуска, и высокий отпуск Тотп = 400...650 °С, для которого характерно укрупнение (коагуляция) частиц цементита. Получающуюся в результате высокого отпуска структуру называют сорбитом отпуска. Для сорбита отпуска характерна достаточно высокая ударная вязкость.

Кроме термообработки, упрочнение сталей осуществляется путем их рационального легирования и с помощью термомеханической обработки (ТМО) - сочетанием термообработки с деформационным упрочнением.

Механизмы легирования сталей достаточно сложны и основываются на том, что легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, влияют на растворимость углерода в аустените и на химический состав сталей. При введении в состав сталей таких легирующих элементов как марганец и никель ГЦК - решетка аустенита становится устойчивой при комнатной температуре. Соответствующие стали называют аустенитными сталями. Эти стали характеризуются не только высокими значениями прочностных характеристик, но и обладают достаточно высокой ударной вязкостью и способностью к деформационному упрочнению. При введении в качестве легирующих элементов хрома, молибдена, вольфрама, ванадия, кремния и др. температурный интервал устойчивости аустенита уменьшается, и соответственно, возрастает температурный интервал устойчивости феррита. Перечисленные легирующие элементы способствуют увеличению предела текучести, предела прочности и твердости сталей.

При деформировании сталей (прокатка, штамповка, ковка и др.) происходит измельчение микроструктуры, увеличивается плотность дислокаций - структура становится более однородной. Мелкозернистый материал имеет более высокую прочность вследствие большей площади границ между зернами, являющихся естественным барьером для движения дислокаций. Связь между пределом текучести и характерным размером зерен выражается уравнением Холла-Петча [5.2]

Стальная броня

Зависимость предела текучести на сдвигτт от плотности дислокаций описывается известным соотношением теории дислокаций

Стальная броня
Таким образом, для увеличения прочности сталей следует стремиться к сверхмелкозернистой структуре, насыщенной дислокациями.
Влияние структурного фактора на пулестойкость броневых сталей показано на рис. 5.1 [5.3].
В средствах индивидуальной защиты применяются так называемые противопульные броневые стали высокой твердости, в которых в качестве легирующих элементов могут использоваться хром, никель, молибден, ванадий, кремний. Сложность создания таких сталей обусловлена необходимостью сочетания экстремально высоких значений твердости и прочности, обеспечивающих сопротивление прониканию пули, и достаточного уровня пластичности и вязкости для предотвращения хрупкого разрушения стального бронеэлемента. Как высокотвердые хрупкие, так и вязкие пластичные стали, обладающие невысокой твердостью, характеризуются низкой противопульной стойкостью.
В России основными серийными броневыми сталями, широко применяемыми в противопульной защите, являются среднелегированные стали марок «44», Ц-85, СПС-43, «96». Из новых разработок следует отметить стали «56», «44С» (разработчик НИИ стали) и Ф-110 (разработчик ММ3 «Серп и молот»). Прочность этих броневых сталей находится в пределах 1750...2300 МПа, твердость 50...58 HRC, относительное удлинение 8...12 % [5.4, 5.5]. Номинальная система легирования, способ получения и механические свойства некоторых высокотвердых броневых сталей, выпускаемых промышленностью, приведены в табл. 5.1 [5.5 - 5.11]. Сравнение механических характеристик броневых сталей с характеристиками среднеуглеродистых сталей показывает, что прочность броневых сталей определяется главным образом содержанием углерода.

Стальная броня

 

 

Стальная броня

 

 

Стальная броня

Применяемые в СПБ бронеэлементы из стали «44» толщиной 5,5 мм обеспечивают защиту при обстреле «в упор» обычными пулями АКМ, АК74 и СВД. Для защиты от пуль с термоупрочненными сердечниками с твердостью, большей 60 HRC, требуется увеличение защищающей толщины бронеэлементов на 15.. .20 %.

Увеличить пулестойкость броневой стали можно было бы путем увеличения ее твердости. Однако при твердости преграды из гомогенной углеродистой броневой стали большей 55 HRC она становится хрупкой и при обстреле даже обычными стальными пулями поражается по типу пролома или раскола. Для того чтобы избежать этого, необходимо сохранить пластичность стали на уровне ψ = 30 %. В НИИ стали разработана сбалансированная по содержанию углерода и основных легирующих элементов сталь «44С», которая после электрошлаковой переплавки, прокатки и термообработки обладает твердостью 55... 57 HRC, прочностью σв =2250...2350 МПа, σ0,2 = 2000...2100 МПа, относительным сужением ψ = 30 % [5.5]. Как показали испытания, баллистические характеристики этой стали находятся на уровне лучших зарубежных гомогенных броневых сталей марок MARS-300 (Франция), ARMOX- 600 (Швеция), 4340 TOD (США). Бронеэлементы из стали «44С» толщиной 6,5...6,6 мм в структуре бронежилета 6Б23 обеспечивают защиту от пуль 7Н22 и 7Н24 с термоупрочненными и твердосплавными сердечниками калибра 5,45 мм.

Влияние твердости стальной брони на толщину бронеэлементов, обеспечивающих защиту от пуль основного стрелкового оружия, показано на рис. 5.2 [5.5].

Одним из возможных путей повышения пулестойкости является создание биметаллической брони с внешним высокотвердым слоем 55...60 HRC и тыльным вязким слоем. Такую броню можно получить, например, сваркой взрывом, пакетной прокаткой или иными способами. В России серийного производства таких сталей пока не освоено, хотя за рубежом они используются достаточно широко.

В таблице 5.2. приведены характеристики некоторых таких сталей.

Стальная броня

 

 

Смотрите также