Геометрические параметры структуры стали 14Г2 как материала с высокой баллистической стойкостью

Введение. Повышение баллистической стойкости бронезащиты — актуальная проблема конструирования современной военной техники [1]. При высоких скоростях ударного воздействия помимо базовых механических характеристик к сплавам предъявляются строгие требования касательно специфической геометрической организации их внутреннего строения [2]. Для гомогенных изотропных металлических преград одним из ключевых факторов выступает формирование мелкодисперсного состояния. Основная сложность состоит в том, что традиционные однородные стали с изотропной структурой (например, мартенсит отпуска) реализуют защитные функции преимущественно за счет показателей твердости и ударной вязкости. Однако при высокоэнергетическом динамическом нагружении (порядка 10³ м/с) эффективность подобных преград существенно снижается: происходит либо хрупкое разрушение, либо сквозное пробивание мишени без значительного диссипирования кинетической энергии индентора [3]. Альтернативная концепция предполагает применение гетерогенных анизотропных материалов, обладающих гораздо более сложной структурной организацией [4]. В настоящей статье подробно проанализированы микроструктурные признаки, присущие сталям, которые обладают строением естественного феррито-мартенситного композита (ЕФМК) и рассматриваются в качестве перспективного средства броневой защиты.

На протяжении последних десятилетий ведется активное изучение материалов со структурой ЕФМК, образующейся посредством термической обработки из межкритического температурного интервала [5]. Использование дефиниции «композит» применительно к данным системам объясняется существенным различием свойств двух формирующих их фазовых составляющих. В рамках подобной композиции высокопластичные и относительно мягкие ферритные прослойки закономерно чередуются с высокопрочными мартенситными пластинами. Образуется структура с ярко выраженной текстурой, ориентированной вдоль прокатки. Технология получения рассмотренного многослойного композита подробно описана в нашем патенте [6]. Данные сплавы демонстрируют способность эффективно замедлять распространение трещин посредством инициирования процессов межслойного деламинирования вдоль межфазных границ [7–9]. Ранее авторами публикаций [10][11] было установлено, что целенаправленное регулирование температуры нагрева под закалку напрямую изменяет объемные пропорции мягкой и твердой составляющих, детерминируя итоговый уровень эксплуатационных свойств. Однако подавляющее большинство проведенных испытаний базировалось на методах статического растяжения либо изгиба [12–14]. В случае баллистического нагружения, отличающегося экстремально высокими интенсивностями деформации, механизмы торможения трещин принципиальным образом отличаются: доминирующее влияние начинают оказывать инерционные эффекты, а также волновые процессы [3][15]. При таком режиме воздействий определяющую роль играют не абсолютные показатели прочности отдельных фаз, а пространственные параметры структуры: ориентация, длина и толщина слоев, их соотношение, а также предельная длина упрочняющего слоя. До настоящего времени в научной литературе не представлены исчерпывающие сведения касательно того, какие именно структурные параметры в архитектуре ЕФМК выступают критически важными критериями обеспечения пулестойкости, равно как не определены их оптимальные диапазоны.

Целью данного исследования является комплексный анализ геометрических параметров структуры ЕФМК-сталей (угол разориентировки, размерные пропорции поперечных сечений слоев, критическая длина мартенситного слоя и прочие метрики), оптимизация которых позволит максимизировать эффективность применения рассматриваемых сталей в конструкциях систем бронезащиты. Актуальность выбора перечисленных факторов обосновывается следующими причинами: величина разориентации непосредственно определяет уровень сдвиговых напряжений, достаточных для разрушения высокопрочной фазы; соотношение толщин структурных элементов определяет предрасположенность к межфазному расслоению; критическая длина мартенситного слоя позволяет оценить эффективность передачи нагрузки от матрицы к упрочняющей фазе. Для успешного достижения поставленной цели потребовалось последовательно решить следующие задачи:

− оценить степень ориентированности структуры ЕФМК-сплавов;

− измерить объемную долю фаз, усредненную ширину сечения пластин, а также средний свободный путь упрочняющей фазы в мягкой ферритной основе;

− выполнить теоретический расчет критической длины мартенситного слоя;

− проанализировать соотношение толщин чередующихся ферритных и мартенситных пластин, обеспечивающее стабильную реализацию механизма погашения кинетической энергии растущей трещины за счет локального межслойного расслоения при интенсивном высокоскоростном ударе.

Материалы и методы. Исследование проводилось на образцах стали марки 14Г2, имеющих габариты 140 × 70 × 7 мм. Формирование структуры ЕФМК осуществлялось посредством термической обработки — закалки из межкритического интервала температур стали, изначально обладавшей строчечной феррито-перлитной структурой. Оценка баллистической стойкости реализовывалась сравнительным методом: сопоставлялись характеристики образцов стали со структурой ЕФМК и той же стали с гомогенной структурой мартенсита отпуска.

Баллистические испытания мишеней, изготовленных из указанных материалов, выполнялись с дистанции 50 м с применением снайперской винтовки Драгунова (СВД). Для отстрела использовались боеприпасы калибра 7,62 мм, оснащенные термоупрочненным сердечником, скорость полета поражающего элемента 10³ м/с. По каждому типу преград производилось 10 выстрелов.

В результате испытаний зафиксировано сквозное пробитие всех мишеней с гомогенной структурой, тогда как при попадании в пластины со структурой ЕФМК наблюдался рикошет пуль — на поверхности оставались лишь деформационные углубления (вмятины) в диапазоне от 1,5 до 2,0 мм.

Оценку геометрических параметров структуры проводили металлографическим методом с использованием микроскопа Neophot 21 и программного обеспечения ToupView для получения количественных данных. При этом задействовали стандартные функции подготовки изображений к последующему анализу: кадрирование, настройку яркости, регулировку контрастности и другие базовые инструменты. Кроме того, применяли встроенные алгоритмы нанесения измерительной сетки и масштабной шкалы, тогда как истинный размер микроструктур устанавливали путем калибровки по снимку объект-микрометра. Автоматический расчет объемных долей структурных составляющих осуществляли посредством программного комплекса «Система КОИ-1», где стереологические операции реализовывались на основе задания яркостных интервалов. Изучение рассматриваемых характеристик выполняли на 15–20 полях зрения для каждого отдельного образца. Микрофотографии фиксировали с помощью 10Mp цифровой окулярной камеры ToupCam UA1000CA при оптическом разрешении 3584 × 2748 пикселей. На базе полученных микроструктурных сведений устанавливали характерные геометрические показатели стального композиционного материала согласно стандартизированным методикам, регламентированным ГОСТ Р 54 570–2011.²

Результаты исследования. По результатам баллистических испытаний установлена высокая пулестойкость материала со структурой естественного ферритно-мартенситного композита (ЕФМК): зафиксирован исключительно рикошет поражающих элементов. Данный показатель выгодно отличается от характеристик металла аналогичного химического состава, обладающего гомогенной структурой мартенсита отпуска, образцы которого пробивались насквозь. В связи с этим ниже представлены результаты (рис. 1) исследования микроструктуры указанного ЕФМК, представляющего собой композиционный материал [7], армированный упрочняющими волокнами дискретной длины [8].

Результаты определения характерных параметров геометрии стального композита согласно ГОСТ Р 54 570–2011³ представлены в таблице 1. В соответствии с методикой упомянутого стандарта были осуществлены расчёты на основе данных, полученных методом наложения сетки (рис. 1) и последующего подсчёта количества точек пересечения её линий с исследуемой фазой.

Угол разориентировки упрочняющей фазы (рис. 1), определенный методом наложения секущих линий вдоль оси ориентации мартенситных полос, составил 7–11°.

Объемная доля мартенсита, вычисленная путем стереологического анализа микроструктуры с использованием программного обеспечения «Система КОИ-1», достигла 28,37 % после проведения закалки от температуры 735 °С.

В настоящей работе, с использованием рекомендаций ГОСТ Р 54 570–2011, были оценены такие параметры как среднее расстояние от центров фаз SB_⊥ и средний свободный путь λ_⊥ (растояние между границами фаз) в структуре, приведённой на рис. 1. В результате проведенных расчетов установлено, что средняя ширина пластин упрочняющей фазы составляет h = 0,0051 мм, а средний свободный путь λ_⊥, представляющий собой ширину ферритных пластин, равняется c = 0,031 мм. Таким образом, соотношение толщин ферритной и мартенситной фаз составило c/h = 2,57.

Важнейшим фактором для любого композита, армированного дискретным упрочняющим волокном, выступает продольная длина данного волокна, которая обязательно должна превышать некоторое критическое значение l_кр. Указанное условие — это строго необходимый критерий для обеспечения режима полного нагружения мартенситных слоев исследуемой композиции. Критическая длина мартенситного слоя в естественно-композиционных ферритно-мартенситных материалах (ЕФМК) была рассчитана исходя из условия равновесия возникающих в нем нормальных и касательных напряжений [11]:

(1)

где h, b — толщина и ширина армирующего слоя; τ = σ_T / 2 — касательные напряжения на границе феррит-мартенсит. Откуда:

(2)

По результатам расчёта по уравнению (2) с учётом величин h и b, измеренных в ЕФМК с суммарным обжатием при прокатке 70 %, было получено значение l_кр = 18,3 мкм. Гистограмма распределения величины l в стали 14Г2 со структурой ЕФМК показана на рис. 2.

Обсуждение. Полученные данные о геометрических параметрах структуры стали 14Г2, закалённой из межкритического интервала температур (735 °С) и имеющей организацию ЕФМК, соответствуют современным требованиям, предъявляемым к композиционным материалам. Высокая степень ориентированности структуры, длина армирующих пластин выше их критического значения, соотношение толщин матрицы и армирующего слоя находятся в пределах оптимальных значений.

Совпадение значений степени ориентации Ω₁₂ (таблица 1), найденных двумя различными способами, подтверждает достоверность результатов, а условие Ω₁₂ > 0 количественно свидетельствует о высокой степени ориентированности структуры. При ударном воздействии, направленном ортогонально плоскости прокатки стального композита, разориентировка упрочняющей фазы играет важнейшую роль. Данный факт обусловлен зависимостью от угла разориентирования величины сдвиговых напряжений, требуемых для разрыва «волокна». С целью достижения высоких показателей сопротивления удару разориентировка должна быть минимальной, что обеспечивается значительной степенью обжатия при горячей прокатке (не менее 70 %). Максимально допустимым уровнем разориентировки [9] для подобных композитов выступает значение 15° [10]. В микроструктуре исследованного материала угол разориентировки варьировался в диапазоне 7–11°.

В процессе варьирования температуры закалки соотношение объёмных долей в системе мартенсит-феррит способно изменяться. В частности, при термической обработке стали с нагревом до более низких температур объёмная доля мартенситной составляющей сплава сокращается, однако параллельно возрастает концентрация углерода, что предоставляет ценную возможность целенаправленно регулировать механические свойства композита.

В многочисленных научных трудах, посвящённых изучению причин высокой прочности композиционных материалов [11], убедительно продемонстрирована значимость величины критического объёма (V_кр) упрочняющей составляющей композита [12]. Вычисления данного параметра осуществлялись с учётом пределов прочности матрицы и упрочняющей фазы — абсолютное значение критического объёма оценивалось приблизительно в 50 % [13]. При этом подобные оценки выполнялись для условий статического нагружения композита при растяжении (вдоль упрочняющего волокна) или изгибе [14], а также при динамическом изгибе при испытаниях на ударную вязкость [16]. Оценка баллистической стойкости ЕФМК производилась в условиях ортогонального удара большой мощности при соударении со скоростью ~10³ м/с. Было показано [15], что при таких скоростях механические свойства составляющих композита могут совсем не оказывать влияния на динамическое сопротивление, а резко возрастает роль инерционных сил, путей и способов распространения ударных волн [17]. В этом случае понятие о V_кр утрачивает первоначальный физический смысл, а пропорция объёмных долей феррита и мартенсита принимается примерно равной 80/20, что однозначно обусловливает отношение толщин ферритной (c) и мартенситной (h) пластин на уровне c/h ≥ 3.

При указанном соотношении растущая трещина тормозится вследствие расслоения материала внутри ферритной матрицы, что существенно повышает общую баллистическую стойкость [5]. Измеренное соотношение для исследованной структуры составляет 2,57. Данное значение несколько меньше упомянутого выше порога, что закономерно снижает вероятность расслоения при скоростном движении трещины и уменьшает возможность рикошета при высокоскоростном ударном воздействии. Для получения оптимального отношения c/h в рассматриваемом случае целесообразно изменить температуру закалки из межкритического интервала до уровня ниже 735 ℃.

При проведении баллистических испытаний пластин толщиной 7 мм согласно ранее изложенной методике образец-мишень, обладающий изотропной структурой мартенсита отпуска, пробивается насквозь, тогда как от мишени со структурой ЕФМК неизменно наблюдался рикошет снаряда. Это объясняется тем, что слоистый композит, по всем параметрам отвечающий оптимальным геометрическим характеристикам, способен при распространении в нём трещины [12] последовательно из одного слоя в другой по поверхности раздела и по мере приближения к ней вершины трещины образовывать локальные расслоения [5]. Как показано на рис. 3, подобные расслоения создают условия для продвижения исходной трещины в новое положение, не способствующее её развитию. Таким образом, поверхности раздела фаз феррит-мартенсит длиной l > l_кр могут служить эффективным барьером на пути движения трещины. На рис. 3 а показано как меняется траектория движения трещины в ЕФМК, когда имеет место рикошет. При этом на тыльной стороне мишени образуется выпучина и может возникать трещина (рис. 3 б), но выноса материала за тыльную сторону не происходит.

Заключение. Установлено, что структура ЕФМК стали обладает высокой степенью ориентированности (Ω₁₂ = 0,352), а данное обстоятельство играет важную роль при мощном ударном воздействии.

Отношение среднего значения ширины пластин мартенсита и феррита составляет 2,57, что даёт веское основание рекомендовать уменьшить температуру закалки из межкритического интервала ниже 735 ℃ с целью обеспечения оптимального структурного соотношения. Полученные данные о распределении длин мартенситных пластин имели максимум совпадающий с расчётным значением критической длины упрочняющего волокна (18,3 мкм). Это значимый показатель, так как границы раздела феррит-мартенсит длиной больше критической могут служить эффективным барьером на пути движения трещины.

Доказано, что превосходная баллистическая стойкость естественного феррито-мартенситного композита обеспечивается исключительно при оптимальном сочетании всех геометрических параметров микроструктуры рассматриваемого композиционного материала. При этом успешное достижение описанного конфигурационного оптимума ЕФМК (в качестве специализированной броневой защиты) может быть гарантировано лишь за счёт применения правильной технологии горячей прокатки (суммарное обжатие заготовки должно составлять 70 % и выше), а также тщательного выбора оптимальной температуры закалки в межкритическом интервале.