Структурная организация стали для обеспечения безопасности специальной техники

Введение. Характерной тенденцией развития военной техники является перманентное совершенствование защитных материалов. Так, вместо толстого листового проката, переходят к созданию многослойных металлических, а также неметаллических и металлокерамических композиций. При этом процесс создания эффективных защитных материалов преследует две цели — снижение массы защитного элемента и повышение его баллистической стойкости. Именно эти взаимоисключающие факторы позволяют повысить мобильность боевых транспортных систем и обеспечить безопасность от воздействия различных огнестрельных и осколочных видов поражений. Для одновременного достижения вышеуказанных целей предлагается использовать в качестве эффективного защитного материала сталь со структурой, организованной как естественный феррито-мартенситный композит (ЕФМК).

Материалы и методы. Развитие указанных выше материалов начиналось со стремления повысить сопротивление высокоскоростному удару большой мощности горячекатаных гомогенных стальных листов с различным содержанием углерода и разной степенью легированности. Так, в работе по получению пулестойкого стального материала¹, отражены преимущества легированной углеродистой стали состава, %: углерод — 0,44–0,48; кремний — 1,2–1,6; марганец — 0,3–0,6; хром — 1,3–1,7; никель — 1,4–1,8; молибден — 0,2—0,4; железо — остальное. Эта сталь после закалки и низкого отпуска имеет твердость порядка 55–57 HRC и при толщине пластины от 4,0 мм обеспечивает 3-ий класс защиты от стальной пули ПС калибра 7,62 мм (патрон 57-Н-231) автомата АКМ и пули ПС (патрон 7Н6) калибра 5,45 мм автомата АК-74. Такой материал обладает малой эффективной толщиной (на 8–9 % меньше, по сравнению с типовыми сталями), однако его разрушение происходит по механизму хрупкого разрушения (обычно происходит раскол бронепластины). Кроме того, производство такой стали требует тщательного контроля химического состава. Повышение вязкости и смены характера разрушения требует снижения твердости материала, однако, если твердость ниже 48 HRC, при испытании пулями с термоупрочненным сердечником происходит пробитие материала, хотя разрушение является вязким.

Для устранения этого недостатка были созданы двух- и более слойные стальные композиции. Они изготавливаются методами сварки взрывом, пакетной прокатки или наплавки [1, 2]. Основные принципы разработки двухслойных материалов сводятся к получению высокой твердости лицевого слоя (порядка 58–60 HRC) и высокой вязкости тыльного слоя с сохранением твердости не менее 50 HRC. Испытания двухслойных стальных композиций показали, что при стрельбе из винтовки СВД (калибр 7,62 мм, патрон 7-Б3-3, бронебойная зажигательная пуля Б32) имеет место непробитие листов при толщинах 10,2–10,6 мм. Но при более высокой стойкости данных материалов эффективная толщина, по сравнению с гомогенными стальными бронепластинами, практически в 2–2,5 раза больше.

Применение трехслойных композиций с прослойкой из низкоуглеродистой стали [3] дает возможность снизить толщину бронелиста до 8,9 мм. Однако существенным недостатком является сложный технологический процесс получения многослойных броневых листов. Для надежного сцепления применяется трудоемкая сварка взрывом, горячая прокатка с обжатием до 70 %, а в некоторых случаях — комбинированный способ с последующей термообработкой.

В настоящей работе показаны преимущества защитного материала в виде стали со структурой, организованной как ЕФМК.

Результаты исследования. Известная технология получения ЕФМК² заключается в контролируемой прокатке в межкритическом интервале температур (А1–А3) сталей с концентрацией углерода 0,1–0,2 % для ориентирования в направлении прокатки ферритной и аустенитной фазы при степени обжатия не менее 30 % и последующей закалке. Однако прокатка в данном интервале температур является достаточно трудоемкой, так как требует наличия мощного прокатного оборудования. Кроме того, при низкой степени обжатия не удается получить строгой ориентации феррито-мартенситной структуры.

В то же время получение феррито-мартенситного композита возможно менее трудоемким способом. Строгая ориентировка структуры может быть получена применением следующего технологического режима³: горячая прокатка с обжатием не менее 70 % с последующим подстуживанием до межкритического интервала температур (А_С1–А_С3), выдержке в этом интервале для рафинирования фазы, закалка с последующим низким отпуском. Такая обработка не требует мощного прокатного оборудования и может осуществляться в обычном прокатном цехе. При этом необходимо контролировать содержание серы на верхнем уровне марочного состава (0,04–0,05 %) для образования достаточного количества сульфидов (Fe, Mn)S, которые при прокатке вытягиваются в тонкие пластины (рис. 1 а) и являются подложками, на которых образуется избыточный феррит (рис. 1 б), образуя вытянутые вдоль направления прокатки пластинчатые образования. Также ориентировано располагается и перлитная структурная составляющая (рис. 1 б).

Варьируя температурой закалки из межкритического интервала, можно получить различные соотношения объемных долей феррита и мартенсита ⁴, а также разную концентрацию углерода в мартенсите и, следовательно, разную твердость мартенситных пластин. В результате такого процесса получается ориентированная феррито-мартенситная структура, обеспечивающая анизотропию свойств материала (рис. 2).

Рис. 2. Сталь 14Г2 со структурой ЕФМК после закалки от 780 °С (29 % мартенсита), ×360 (рисунок авторов)

Теоретические расчеты [4] показывают, что слоистость (искусственная или естественная) повышает вязкость разрушения материала и уменьшает скорость распространения трещины.

Для структуры ЕФМК необходимо отметить, что мартенситные слои в ферритной матрице имеют конечную длину (дискретные волокна) и некоторую разориентировку слоев феррита и мартенсита. В таком случае, как отмечено в работе [5], высокое сопротивление разрушению обеспечивается при объемной доле упрочняющей фазы ~20–25 %, определенной длине волокон из упрочняющей фазы (мартенсит) больше некоторой критической величины (lкр ≥ 80 мкм), а также разориентировке ферритных и мартенситных слоев не более 15.

Результаты испытаний [6] стальных пластин со структурой ЕФМК (размеры 150×44×7 мм) патронами со стальным сердечником и бронебойными с вольфрамовым сердечником из винтовки СВД и автомата АК–74 калибра 7,62 мм и 5,45 мм показали, что образец с малой толщиной ферритной прослойки и мартенситом с низким содержанием углерода (закалка от 760 °С) практически всегда разрушался. В то же время образец с большей толщиной ферритной прослойки и более высокоуглеродистым мартенситом (закалка от 730 °С) показал высокую баллистическую стойкость (рис. 2). Данный образец не разрушался после отстрела бронебойными пулями, происходило деформирование металла на 2–3 мм с рикошетированием снаряда, при этом на тыльной стороне образовывалась небольшая трещина.

Высокая баллистическая стойкость стали с такой структурой связана с особым механизмом развития разрушения в материале. Когда в процессе движения трещины она подходит к границе феррит-мартенсит, возникает расслоение в феррите (рис. 3), вследствие чего трещина меняет направление движения и затрачивает энергию на расслоение феррита. Последующее развитие разрушения приводит к изменению траектории трещины с расслоением по ферриту, остановкой движения трещины и релаксации напряжений в ее вершине.

Рис. 3. Направление движения трещины в материале со структурой ЕФМК, имеющей вертикальную ориентацию слоев, ×50 (рисунок авторов)

Этот результат согласуется с данными работ [4, 7, 8], в которых указано, что в слоистом материале по поверхности раздела в процессе разрушения могут образовываться несплошности, переводящие трещину в менее выгодное для ее распространения положение и приводящие к торможению разрушения.

Обсуждение и заключения. Таким образом, результаты испытаний показывают, что применение стали со структурой ЕФМК обеспечивает высокий уровень баллистической стойкости при меньшей эффективной толщине и трудоемкости изготовления данного материала. Это указывает на ее преимущества по сравнению с гомогенными сталями и многослойными стальными композициями. Особый способ торможения разрушения при высокоскоростном локальном воздействии большой мощности обеспечивает более высокий порог живучести защиты, а снижение эффективной толщины способствует повышению мобильности боевого транспорта и личного состава за счет снижения общей массы защиты.

¹Камаев Е. А., Сахаров С. А. Высокопрочная броневая листовая сталь: патент 2185459 C1 Рос. Федерация: C22C 38/44 / № 2001124667/02 ; заявл. 03.09.01 : опубл. 20.07.02 "

²Термическая и термомеханическая обработка стали и чугуна / А. В. Супов [и др.] // Металловедение и термическая обработка стали и чугуна. Справочник. М : Интермет Инжиниринг, 2007. Т. 3. 919 с

³Способ получения естественного ферритно-мартенситного композита: патент № 2495141 Рос. Федерация : C21D 8/00, C21D 8/02 / В. Н. Пустовойт [и  др.]. № 2012119557/02 ; заявл. 11.05.12 ; опубл. 10.10.13. Бюл. № 28. 7 с

⁴Лавриненко В. Ю., Посалина  А. Е. Исследование влияния предварительной термической обработки на получение двухфазной ферритно-мартенситной структуры сталей 20 и 20Г2Р // Новые технологии в учебном процессе и производстве : мат-лы XX междунар. науч-тех. конф. Рязань, 2022. С. 111–115.