Баллистическая стойкость стали со структурой естественного феррито-мартенситного композита

Введение.  В настоящее время в качестве защитного материала боевых машин пехоты, боевых машин десанта и бронетранспортеров применяется стальной горячекатаный лист, имеющий в состоянии поставки феррито-перлитную структуру. Броня, изготовленная из листа с такой структурой, не обеспечивает необходимую защиту при локальных соударениях большой мощности и легко пробивается ручным гранатометом, подствольным гранатометом и даже стрелковым оружием с высокой поражающей способностью — снайперской винтовкой СВД калибра 7,62 с бронебойным патроном с вольфрамовым сердечником, новой снайперской винтовкой калибра 12,7. Увеличение толщины броневого листа (больше 25 мм) серьезно ухудшает мобильность боевых машин на поле боя, увеличивает вес и расход горючего.

В работах [1, 2] обоснована возможность создания стали со структурой естественного феррито-мартенситного композита (ЕФМК) на основе использования доэвтектоидных сталей со строчечной феррито-перлитной структурой. Закалка такой стали из межкритического интервала температур (А₁–А₃) даёт возможность получить слоистую структуру феррито-мартенситного композита (рис. 1). Исследование свойств рассматриваемых сталей при статическом растяжении и ударном изгибе даёт основание полагать, что для такой структуры характерным является особый механизм торможения развития трещины [2].

                                   б)                                                                                    б)

Рис. 1. Структура стали марки 14Г2: а — строчечная феррито-перлитная;

б — после закалки от температуры 760°С

Постановка задачи. Целью настоящей работы является определение возможности применения сталей со структурой ЕФМК для устройств броневой защиты (индивидуальная защита воинского персонала, защита БТР, БМП, БМД от поражения при стрельбе из стрелкового оружия и гранатометов). На основе сформулированной цели ставится задача получения данных о баллистической стойкости мишени из стали со структурой ЕФМК при сосредоточенному ударе большой мощности снарядом, летящем с гипервысокой скоростью (> 800 м/с).

Методика проведения исследований. Исследование баллистической стойкости проводили на образцах стали 14Г2, обработанных по режимам, представленным в таблице 1. Образцы для испытаний представляли собой пластины размером 150´44´7 мм. Поверхность образцов шлифовали, а затем рейсмусом на поверхность наносили сетку с шагом 3 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Таблица 1

Характеристики образцов стали 14Г2 для испытаний на баллистическую стойкость

Предварительно проводили имитационные испытания пластин-мишеней воздействию термоупрочненных дюбелей (диаметром 4,5 мм) с помощью монтажного поршневого пистолета ПЦ-8 (применялись дульные гильзы Д-4 максимальной мощности).

Далее с целью испытаний при воздействии ударом большой мощности (снарядом, летящим с гипервысокой скоростью) был проведен отстрел боевым стрелковым оружием на полигоне одной из воинских частей МО РФ, дислоцированной в непосредственной близости от г. Ростова-на-Дону. Из имеющегося арсенала были выбраны два вида отечественного стрелкового оружия с наиболее высокой поражающей способностью: снайперская винтовка СВД калибра 7,62 мм и автомат АК-74 калибра 5,45 мм. Оба вида были обеспечены боеприпасами заводского снаряжения двух типов: лёгким патроном со стальным сердечником и бронебойным с вольфрамовым сердечником в медных обечайках. Отстрел производили с дистанции 45 метров, позволяющей вести прицельный огонь, учитывая отсутствие специальных мер на полигоне по предотвращению рикошета. Увеличение дистанции обстрела, по сравнению с рекомендуемой стандартами на пулестойкость дистанции в 10 метров, не должно существенно сказаться при сравнении этого параметра со справочными данными, учитывая высокую скорость пуль и оценку характера поражений для этих видов оружия: винтовка СВД — патрон 7,62 мм с пулей ЛПС и Б-32, масса 9,6÷10,4 г, скорость 800÷840 м/с; автомат АК-47 — 5,45 мм с пулей ПС и БС, масса 3,5÷3,8 г, скорость 890÷910 м/с.

Результаты исследований и их обсуждение. Результаты предварительных имитационных испытаний при воздействии дюбелем монтажного пистолета иллюстрирует рис. 2. Видно, что в состоянии поставки (рис. 2 а) пластина простреливается насквозь до упора дюбеля. После полной закалки и отпуска при температуре 400 °С пластина простреливается, но дюбель упора не достигает (рис. 2 б). Выстрел в пластину со структурой ЕФМК (образец № 4, таблица 1) приводит к разрушению дюбеля без существенных повреждений пластины (рис. 2 в).

Рис. 2. Результаты имитационных испытаний пластин-мишеней из стали 14Г2 при стрельбе монтажным пистолетом:

а — образец № 1; б — образец № 2; в — образец № 4

Проведенные имитационные испытания показали явное преимущество стали со структурой ЕФМК. Однако, энергия дюбеля, сообщаемая ему пороховым зарядом дульной гильзы, меньше, чем энергия сосредоточенного удара снаряда, летящего с гипервысокой скоростью. Поэтому проводили отстрел образцов № 3 и № 4 (таблица 1) со структурой ЕФМК с использованием боевого стрелкового оружия. Сравнение результатов испытаний показало, что баллистическая стойкость стали со структурой ЕФМК зависит от соотношения объемных долей феррита и мартенсита, которые обусловливают разную толщину вязкой и прочной составляющей композита. Так, образец № 4 с малой толщиной пластины вязкого феррита и низким содержанием углерода в мартенситной фазе почти всегда пробивается насквозь бронебойными пулями калибра 7,62 мм и 5,45 мм (рис. 3). Вместе с тем, образец № 3, имеющий также структуру ЕФМК, но бо́льшую толщину ферритной фазы и прочность мартенситного слоя, при обстреле бронебойными пулями насквозь не пробивается. Пуля проникает в металл на 2–3 мм и рикошетирует. При этом на тыльной стороне образуется небольшая трещина (рис. 4).

Рис. 3. Сквозное пробитие бронебойными пулями калибра 7,62 и 5,45 мм. Остатки медной обечайки в пробоинах. Режим обработки: закалка при 760 °С и отпуск при 180 °С

Рис. 4. Пробитие отсутствует, результат рикошетирования: а — вид со стороны поражения; б — вид с тыльной стороны. Режим обработки: закалка с 730 °С и отпуск 180 °С

По данным, содержащимся на сайте бюро научно-технической информации «Техника для спецслужб» [3], широко используемая броневая сталь СПС-43 [4], выпускаемая по ТУ 0902-005-31041642-95 при обстреле из винтовки СВД с патроном ЛПС требует двухслойного листа общей толщиной 8,3 мм. Созданный авторами естественный композиционный материал выполняет задачу пулестойкости при поражении этим видом оружия при толщине 7 мм.

Высокая баллистическая стойкость стали со структурой ЕФМК обусловлена особым механизмом движения трещины в стали, структура которой организована в виде параллельных слоев пластичного, вязкого феррита и прочного мартенсита. При подходе трещины к поверхности раздела мартенсит-феррит на ней (или около неё) возникает расслоение в феррите вследствие наличия растягивающих напряжений, параллельных плоскости трещины [5–9]. В этом случае часть подводимой извне энергии расходуется на образование поверхности расслоения в феррите. Выход трещины в расслоение приводит к изменению её траектории, остановке продвижения и релаксации растягивающих напряжений в её вершине. Для разрушения следующего слоя композита (мартенситного слоя) в нём должна образоваться новая трещина, но уже в условиях, близких к одноосному напряженному состоянию, на что потребуется дополнительная энергия.

В работе [6] условие возникновения расслоения записано в следующем виде:

                                                                                              (1)

где  — некоторое критическое значение коэффициента интенсивности напряжений; — константа (v  — коэффициент Пуассона);  c — толщина хрупкого слоя (мартенсита).

При этом показано, что для возникновения расслоения впереди мартенситной трещины (до разрушения следующего хрупкого слоя) необходимо, чтобы  и, следовательно, условие возникновения расслоения, тормозящее разрушение слоистого образца, имеет вид:

                                                                                   (2)

где  — толщина пластичного слоя (феррита);  — максимальная величина смещения в пластичном слое; и  — константы.

Величина , тогда условие (2) примет следующий вид:

                                                                                  (3)

где — предельная деформация сдвига в ферритной пластине; — показатель упрочнения при сдвиге; — константа.

Если толщина пластичного слоя феррита в многослойном образце достаточна для выполнения условия (3), то образуется расслоение, препятствующее дальнейшему продвижению магистральной трещины. Для стали марки 14Г2 при значениях  примерно 1000 МПа и  расслоение возникает при соотношении . Такое соотношение имеет место при закалке стали марки 14Г2 с температур от 730°С до 740°С межкритического интервала [10–12].

Выводы. Таким образом, результаты определения баллистической стойкости стали со структурой ЕФМК показали, что при меньшей материалоемкости она может обеспечить эффективную защиту воинского персонала, что обусловлено особым способом торможения разрушения при локальном ударе большой мощности. Практическое применение разработанного класса естественных композиционных материалов представляется перспективным для получения броневого листа с меньшей толщиной, что способствует снижению веса боевых машин, повышению их мобильности и уменьшению расхода горючего.

Поступила в редакцию 11.06.2022

Поступила после рецензирования 12.07.2022

Принята к публикации 12.07.2022

Об авторах:

Пустовойт Виктор Николаевич, профессор кафедры «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного технического университета, (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), доктор технических наук, профессор, ORCID, fipm-dstu@mail.ru

Долгачев Юрий Вячеславович, доцент кафедры «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного технического университета, (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат технических наук, доцент, ORCID, yuridol@mail.ru

Домбровский Юрий Маркович, профессор кафедры «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного технического университета, (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), доктор технических наук, профессор, ORCID, yurimd@mail.ru

Заявленный вклад соавторов:

В. Н. Пустовойт — формирование основной концепции, цели и задач исследования, научное руководство, подготовка текста, формирование выводов; Ю. В. Долгачев — проведение расчетов, анализ результатов исследований, доработка текста, корректировка выводов; Ю. М. Домбровский — подготовка образцов для исследования, проведение имитационных испытаний, проведение металлографического анализа.