Улучшение пулестойкости литой низкоуглеродистой стали

В настоящее время в связи с совершенствованием образцов стрелкового оружия и средств поражения интерес к разработке броневых защит не ослабевает. Большое число исследований в качестве материала броневой защиты использует высокопрочные легированные стали. В то же время с применением современных технологий закалки и для сталей рядовых марок может быть достигнуто существенное повышение пулестойкости стальной броневой защиты.

В работе приводятся результаты сравнительных испытаний образцов пластин из литой низкоуглеродистой стали 20Л двух состояниях: нормализации и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды.

Цель настоящего исследования — показать положительное влияние закалочного охлаждения литой низкоуглеродистой стали быстродвижущимся потоком воды на ее способность противостоять пулевому воздействию.

Исследование проводились по следующим показателям: микроструктура; поверхностная твердость; распределение твердости по сечению; изгибная прочность; остаточные напряжения, испытания на пробивное действие пуль.

За основу была взята конструкционная нелегированная низкоуглеродистая сталь марки 20Л по ГОСТ 977-88. Химический состав стали приведен в табл. 1.

Объект исследования	Элемент, массовая доля, %
	C	Si	Mn	S	P	Ni	Cr	Cu	Nb	Mo	V	Al
Требования НД	0,17–0,25	0,20–0,52	0,45–0,90	не более					—	—	—	0,03–0,15
				0,050	0,050	0,30	0,30	0,30
Фактический	0,25	0,22	0,92	0,010	0,017	0,09	0,07	0,06	—	—	—	0,06

Исследование микроструктуры стали образцов пластин

Результаты исследования микроструктуры стали 20Л в поверхностном слое пластин после нормализации и после закалки приведены на рис. 1.

Микроструктура стали сердцевины образцов пластин с различной термообработкой приведены на рис. 2.

Как видно из представленных рисунков, закалка быстродвижущимся потоком воды приводит к образованию более мелкого зерна и, соответственно, более однородной структуры стали, что благоприятно сказывается на прочностных свойствах закаленных образцов пластин.

Исследование распределения твердости по сечению пластин

Исследование проводилось на пластинах толщиной 13 мм и 15 мм. Определялась твердость по Роквеллу в точках вдоль линии перпендикулярной поверхности образца пластины. Результаты замера твердости представлены на рис. 3 и 4.

Из представленных рисунков видно, что твердость стали после закалки быстродвижущимся потоком воды в 3-4 раза выше, чем аналогичный показатель у стали после нормализации. В то же время технология закалки БПВ позволяет получить высокую твердость на поверхности, порядка 40 HRC, и сравнительно вязкую сердцевину (25…27) HRC. Сравнительно высокая твердость поверхности повышает способности материала пластины сопротивляться проникающему пулевому воздействию, а вязкая сердцевина, с одной стороны, препятствует хрупкому раскалыванию всей пластины, с другой стороны, позволяет более эффективно погасить кинетическую энергию пули.

Исследование поверхностной твердости

Среднее значение поверхностной твердости образцов пластин толщиной 13 и 15 мм (по 6 шт. каждого наименования) составило:

НRС 44 — после закалки быстро­движущимся потоком воды,

НRС 12 — после нормализации.

Исследование поверхностной твердости подтвердили существенно (примерно в 4 раза) более высокие значения показателя после закалки быстродвижущимся потоком воды.

Влияние остаточных напряжений

Повышенная твердость поверхностных слоев стальных пластин, закаленных быстродвижущимся потоком воды, сопровождается образованием в них поля сжимающих остаточных напряжений с высоким уровнем этих напряжений. Сравнительный анализ картины распределения твердости по сечению позволяет предположить, что значения сжимающих напряжений в несколько раз превышают уровни напряжений для нормализованных платин. Сжатие на поверхности уравновешивается растяжением срединных слоев. С точки зрения противодействия проникающей способности внешних инородных объектов, динамически воздействующих на исследуемые пластины, решающее значение имеют именно высокие уровни поверхностных сжимающих остаточных напряжений. Они препятствуют проникновению ударяющих с большим запасом кинетической энергии боеприпасов, повышая тем самым пулестойкость броневой защиты.

Испытания на изгиб

Испытания на изгиб стальных пластин проводились на испытательной машине EU-100. Схема испытания –трехточечный изгиб. расстояние между опорами — 200 мм, диаметр опорных роликов и оправки— 50 мм. Исследовались четыре пластины размерами 375х165 мм толщиной 13 и 15 мм из стали 20Л производства КАМАЗ. Две пластины — в состоянии нормализации, другие две –закаленные быстродвижущимся потоком воды. В процессе испытаний автоматически строилась диаграмма «нагрузка-прогиб середины пролета». Для нормализованных образцов определялась нагрузка при угле загиба 45° расчетным путем по величине прогиба 41,4 мм. Для закаленных образцов также по величине прогиба определялся условный угол загиба непосредственно перед разрушением. Схема приложения нагрузки  и диаграммы нагружения пластин приведены на рис. 5. Диаграммы нагружения пластин после нормализации и закалки приведены на рис. 6. Данные образцов и результаты испытаний приведены в табл. 2.

Номер образца	Толщина, мм	Термообработка	Нагрузка максимальная, кН	Нагрузка при угле загиба 45°, кН	Условный угол загиба перед разрушением
1	13	Нормализация	89,9	65,7	–
2	15	Нормализация	121,7	93,3	–
3	13	Закалка	186,3	–	41,9
4	15	Закалка	248,8	–	11,9

Как следует из анализа результатов испытаний, закалка пластин заметно повысила их упругие свойства и прочность, что особенно важно при противостоянии их пулевому воздействию. Нормализованные пластины показали более высокую пластичность.

Результаты испытаний на пробивное действие пуль

Испытанию подвергались две плиты толщиной 15 мм из стали 20Л: одна плита после нормализации, вторая — после закалки быстродвижущимся потоком воды. Плиты подвергались прямому пулевому воздействию.

Испытания на пробивное действие пуль проводились по ОСТ В3-3002-75. Плиты устанавливались под углом 90° к линии стрельбы. Использовались патроны повышенной пробиваемости калибра 5,45 мм. Стрельба велась из ручного пулемета РПК-74, дальность стельбы -100 метров, фактическая скорость пули при подлете к мишегни составляла 889 м/с. Режим стрельбы — одиночные выстрелы до 10 зачетных значений.

Результаты пулевых испытаний плиты после нормализации приведены на рис. 7.

Результаты пулевых испытаний плиты, закаленной быстродвижущимся потоком воды, приведены на рис. 8.

В результате пулевых испытаний пластина после нормализации получила сквозные отверстия (отверстия видны на тыльной стороне образца). Пластина, закаленная быстродвижущимся потоком воды, имеет на тыльной стороне поверхностные изменения в местах попадания пуль во фронтальную поверхность, однако сквозных отверстий не наблюдалось. В то же время пластина сохранила свою целостность, не раскололась Таким образом, была подтверждена более высокая пулестойкость образцов, закаленных быстродвижущимся потоком воды.

Выводы

Проведенный комплекс сравнительных испытаний стальных пластин, в состоянии нормализации и закаленных быстродвижущимся потоком воды, показал неоспоримое преимущество такого рода технологии закалки в подготовке стальной броневой защиты

Высокая твердость по всему сечению, которую дают некоторые виды объемной закалки приводит к охрупчиванию изделия, что может привести к его раскалыванию при приложении высокоэнергетического ударного воздействия. Несомненное преимущество закалки стали быстродвижущимся потоком воды состоит в получении твердой поверхности, наличие вязкой сердцевины имеет решающее значение для сохранения целостности пластины. Высокие поверхностные остаточные напряжения также благоприятно влияют на пулестойкость. Что особо ценно, такие результаты удается получить на рядовых, широко распространенных сталях с низкой прокаливаемостью, таких как сталь 20Л, с минимумом легирующих добавок.

Определена возможность получения листового материала из низколегированных литых и горячекатаных сталей с повышенной пулестойкостью, позволяющих конкурировать с пластинами, изготовленными из высоколегированных сталей.

Таким образом, технологию закалки быстродвижущимся потоком воды можно рекомендовать для повышения пулестойкости защитных элементов бронетехники.

Литература

1. Алексенцева С.Е., Захаров И.В. Исследование критических условий пробивания стальной пластины пулей огнестрельного нарезного оружия. //Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 21, № 4, 2019, с. 108-113.
2. Цуканов В.В., Милейковский А.Б., Нигматулин О.Э., Савичев С.А. Перспективные стали для защиты специальной техники // Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. № 1-2 (115–116), 2018, с.86-94.

В.М. Федин, д.т.н., РУТ (МИИТ),
А.И. Фимкин, к.т.н., РУТ (МИИТ),
К.А. Чернышев, к.т.н., РУТ (МИИТ)