Виктор Николаевич Пустовойт, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Материаловедение и технологии металлов»
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Viktor N. Pustovoit, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Materials Science and Metal Technology Department
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Юрий Вячиславович Долгачев, доктор технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и технологии металлов»
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Yuri V. Dolgachev, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Materials Science and Metal Technology Department
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Иван Вениаминович Иванков, аспирант кафедры «Материаловедение и технологии металлов»
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Ivan V. Ivankov, Postgraduate Student of the Materials Science and Metal Technology Department
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Введение. Повышение баллистической стойкости броневых материалов представляет собой актуальную научно-техническую задачу, обусловленную необходимостью разработки защитных материалов, способных эффективно сопротивляться высокоскоростному ударному воздействию. При высокоскоростном нагружении порядка 103 м/с гомогенные изотропные стали, обеспечивающие защитные свойства за счёт сочетания твёрдости и вязкости, демонстрируют ограниченную эффективность: как правило, наблюдается либо хрупкое разрушение, либо сквозное пробитие без существенного рассеяния энергии. Перспективным альтернативным подходом является применение гетерогенных и анизотропных материалов, имеющих более сложную организованную структуру, способную изменять траекторию распространения трещин и повышать энергоёмкость разрушения. К таким материалам относятся естественные феррито-мартенситные композиты, формируемые в сталях при закалке из межкритического интервала температур (ЕФМК). В настоящее время активно исследуются ЕФМК-стали, получаемые закалкой из межкритического температурного интервала. Показано, что варьирование температуры закалки изменяет объёмное соотношение слоёв пластичного феррита и высокопрочного мартенсита, что, в свою очередь, оказывает влияние на механические свойства материала. Однако существующие исследования выполнены преимущественно в условиях статического растяжения или изгиба. При баллистическом нагружении, характеризующемся экстремально высокими скоростями деформации, механизмы торможения трещины могут принципиально отличаться. При этом на первый план выходят не столько прочностные характеристики фаз, сколько геометрические параметры структуры: ориентация, длина и толщина слоёв, а также их соотношение. В настоящее время отсутствуют систематические данные о том, какие именно структурные характеристики ЕФМК являются определяющими для баллистической стойкости и каковы их оптимальные значения. В связи с этим цель настоящего исследования заключается в определении геометрических параметров структуры ЕФМК-сталей, обеспечивающих эффективное применение данного материала в устройствах броневой защиты.
Материалы и методы. Образцами для исследования служили пластины из стали 14Г2 размером 140 × 70 × 7 мм. Формирование структуры ЕФМК осуществляли путём закалки из межкритического температурного интервала, при этом исходной являлась строчечная феррито-перлитная структура. Оценку пулестойкости проводили при обстреле мишеней из указанного материала с дистанции 50 м из винтовки СВД патронами калибра 7,62 мм (термоупрочнённый сердечник, начальная скорость пули составляла порядка 103 м/с). Геометрические параметры структуры изучали металлографическим методом на микроскопе Neophot 21 с количественной обработкой изображений в программе ToupView.
Результаты исследования. Показана микроструктура исследованного естественного ферритно-мартенситного композита, представляющая собой композиционный материал с упрочняющими волоками дискретной длины.
Представлены результаты определения характерных параметров геометрии стального композита в соответствии с ГОСТ Р 54570–20111 . Угол разориентировки в структуре составил 7–11°. Объемная доля мартенсита при закалке с температуры 735 ℃ составила 28,37 %. Измерены средняя ширина пластин упрочняющей фазы h̅ = 0.0051 мм и средний свободный путь λ̅⊥, соответствующий ширине ферритных пластин с̅ = 0.0131 мм; при этом соотношение c/h составило 2,57. Расчётная критическая длина мартенситного слоя в ЕФМК, определенная из условия равновесия нормальных и касательных напряжений в нём, для ЕФМК с суммарным обжатием при прокатке 70 % составила 18,3 мкм. Приведены данные распределения величины мартенситных слоев в стали 14Г2 со структурой ЕФМК.
Обсуждение. Полученные данные о геометрических параметрах структуры стали 14Г2, закалённой из межкритического интервала температур (735 ℃) и характеризующейся формированием естественного феррито-мартенситного композита, соответствуют требованиям, предъявляемым к композиционным материалам. В слоистом композите с оптимальной геометрией при последовательном прохождении трещины из одного слоя в другой по поверхности раздела, а также при приближении её вершины к данной границе, возможно образование расслоения, затрудняющего дальнейшее распространение исходной трещины. Поверхности раздела феррит-мартенсит, длина которых превышает критическое значение, являются эффективными барьерами на пути её движения.
Заключение. Установлено, что высокая баллистическая стойкость естественного феррито-мартенситного композита достигается при оптимальном сочетании геометрических параметров структуры данного композиционного материала. При этом получение оптимальных характеристик ЕФМК как броневой защиты может быть обеспечено за счёт рациональной технологии горячей прокатки — суммарного обжатия 70 % и выше — и выбора оптимальной температуры закалки в межкритическом интервале.
Introduction. Increasing the ballistic resistance of armor materials is a pressing scientific and technical challenge driven by the need to develop protective materials that can effectively resist high-speed impacts. Homogeneous isotropic steels, which provide protection through a combination of hardness and toughness, have limited effectiveness under high-speed stress of approximately 103 m/s. These materials typically undergo brittle fracture or complete penetration without significant energy dissipation. A promising alternative approach is the use of heterogeneous and anisotropic materials with a more complex, organized structure that can alter crack propagation trajectories and increase fracture energy intensity. Natural ferrite-martensitic composites (NFMCs), formed in steels quenched from the intercritical temperature range, are an example of such materials. NFMC steels, produced by quenching from the intercritical temperature range, are currently being actively researched. It has been shown that changing the quenching temperature affects the volume ratio of ductile ferrite and high-strength martensite layers, which in turn influences the mechanical properties of the material. However, existing studies have been conducted primarily under static tension or bending conditions. When subjected to ballistic loading with extremely high strain rates, the mechanisms of crack arrest may differ significantly. In this context, the geometric parameters of the structure such as the orientation, length, and thickness of the layers, as well as their ratios, become more important than the strength properties of individual phases. Currently, there is a lack of systematic data on which specific structural characteristics of NFMC are crucial for ballistic resistance, and what optimal values should be. Therefore, the aim of this research is to determine the geometric parameters of NFMC steel structures that ensure effective use in armor protection systems.
Materials and Methods. The study was conducted on 14G2 steel samples measuring 140×70×7 mm. The NFMC structure was obtained by quenching the steel from the intercritical temperature range with an initial banded ferrite-pearlite structure. Bullet resistance tests were performed by shooting targets of this material at a distance of 50 m from a Dragunov sniper rifle with 7.62 mm cartridges with a heat-strengthened core at a bullet velocity of approximately 103 m/s. The geometric parameters of the structure were assessed using a metallographic method on a Neophot 21 microscope using ToupView software to obtain a quantitative assessment.
Results. The microstructure of the studied natural ferritic-martensitic composite, which was a composite material with reinforcing fibers of discrete length, was shown. The results of determining the characteristic parameters of the steel composite geometry in accordance with GOST R 54 570–2011 were presented. The misorientation angle in the structure was 7÷11°. The volume fraction of martensite was 28.37% when quenched from a temperature of 735℃. The average width of the plates of the strengthening phase h̅ = 0.0051 mm and the average free path λ̅⊥ corresponding to the width of ferrite plates с̅ = 0.0131 mm were measured. The ratio c/h was 2.57. The calculated critical length of the martensite layer in NFMC from the condition of equilibrium of normal and shear stresses in it, in NFMC with a total rolling reduction of 70% was 18.3 μm. The data on the distribution of the size of martensite layers in 14G2 steel with the NFMC structure were shown.
Discussion. The obtained data on geometric parameters of the structure of 14G2 steel, quenched from the intercritical temperature range (735℃) and having NFMC organization, meet the requirements for the composite material. In a layered composite with optimal geometry, as a crack propagates successively from one layer to another along the interface and the crack tip approaches it, delamination can form, hindering the initial crack's propagation. Existing ferrite-martensite interfaces with a length greater than the critical value act as an effective barrier to crack propagation.
Conclusion. It was found that high ballistic resistance of the natural ferrite-martensite composite was achieved with an optimal combination of geometric parameters of the composite material structure. At the same time, achieving such an NFMC optimum as armor protection can be ensured by the correct hot rolling technology (total reduction of 70% and higher) and choosing the optimal quenching temperature in the intercritical range.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.