Слоистая плита на основе алюминия для противопульной сварной брони

Слоистая плита на основе алюминия для противопульной сварной брони

Реферат

Изобретение относится к области сварных броневых конструкций, в частности, включающих броневые плиты, которые состоят из нескольких слоев металла различного состава, и может быть использовано в машиностроении при создании объектов защиты от стрелкового оружия, осколков гранат и т.п.

В настоящее время наиболее широко используются три типа брони: противопульная, противопульно-противоснарядная и противоснарядная. Противопульная броня предназначена для защиты объектов от стрелкового оружия калибра 5,45-12,7 мм. Объектами защиты такой броней являются средства индивидуальной защиты, бронеавтомобили, большинство изделий бронетехники легкой весовой категории и др. Противопульно-противоснарядная броня предназначена для защиты, в основном, от пуль калибра 12,7-14 мм и малокалиберных снарядов калибра 20-30 мм. Противоснарядная броня предназначена, в основном, для защиты от крупнокалиберных снарядов калибра 50- 100 мм и более.

Достижение максимального результата защиты для каждого типа брони обусловлено правильным выбором конструктивного решения и материала, используемого для изготовления броневой плиты, а также технологии ее изготовления.

Для противопульной и противопульно-противоснарядной сварной брони в настоящее время используют гомогенные (однослойные) и слоистые (многослойные) плиты, выполненные из свариваемых высокопрочных алюминиевых сплавов.

Бронестойкость гомогенной плиты определяется твердостью алюминиевого сплава, который при этом должен обладать достаточной пластичностью. Недостаток пластичности сплава ведет к расколам (трещинам) броневой плиты и отколам с ее тыльной стороны при обстреле средством поражения.

Наиболее твердыми и достаточно пластичными среди свариваемых алюминиевых сплавов являются термоупрочняемые сплавы системы Al-Zn-Mg, которые широко используются для изготовления броневых плит. Из известных сплавов системы Al-Zn-Mg как броневые сплавы позиционируются сплавы 7039 (США), 7020 (Франция), 1903 (Россия) и т.д.(В.И.Елагин, В.В.Захаров, A.M.Дриц «Структура и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg». M.: Металлургия, 1982; ОСТ1-92014-90).

Для сплавов системы Al-Zn-Mg характерно увеличение твердости и снижение пластичности с увеличением суммарного содержания основных легирующих элементов цинка и магния (Σ Zn+Mg). В настоящее время твердость НВ=160 броневых сплавов системы Al-Zn-Mg, используемых для изготовления противопульных гомогенных плит, является предельной, поскольку исчерпан резерв пластичности. Дальнейшее увеличение твердости броневого сплава системы Al-Zn-Mg сопровождается тыльными отколами и снижением бронестойкости. Практика также показала малую эффективность повышения броневых свойств гомогенных плит за счет совершенствования технологии их изготовления.

Для обеспечения повышенного, по сравнению с гомогенной плитой, уровня броневых свойств используют слоистую (многослойную) плиту на основе алюминиевых сплавов. Известна слоистая плита, включающая лицевой (внешний) слой из свариваемого сплава системы Al-Zn-Mg с твердостью НВ=150, срединный слой из несвариваемого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu с твердостью НВ=180 и тыльный слой из свариваемого сплава системы Al-Zn-Mg с твердостью НВ=150. Между этими слоями расположены тонкие (до 2,5% от толщины плиты) слои из технически чистого алюминия. Бронестойкость данной слоистой плиты в зависимости от условий испытаний на 4-20% выше бронестойкости гомогенной плиты из сплавов 7017, 7039, 7020 («International Defense Review», 1988, v.21, p.1657-1658).

Известна другая слоистая плита на основе алюминия (марка ПАС-1) для противопульная брони. Плита включает лицевой слой из свариваемых сплавов системы Al-Zn-Mg оригинального состава с твердостью не менее 165 и толщиной 75-90% толщины плиты, тыльный слой из известного свариваемого сплава системы Al-Zn-Mg с твердостью НВ=135-150 и толщиной 5-15% толщины плиты, а также 3 слоя из технически чистого алюминия, расположенные на внешних поверхностях лицевого и тыльного слоев, а также между ними. Толщина каждого слоя из технически чистого алюминия составила 1-3% толщины плиты (RU 2071025 С1, кл. F41H 5/04, опубл. 27.12.1996).

Известна слоистая плита на основе алюминия для противопульно-противоснарядной брони (ПАС-2), включающая лицевой, срединный и тыльный слои, а также тонкие слои из технически чистого алюминия толщиной 1-3% толщины плиты, расположенные между указанными слоями, а также на внешних поверхностях лицевого и тыльного слоев. Лицевой, срединный и тыльный слои изготовлены из свариваемых алюминиевых сплавов, причем лицевой слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты, а тыльный слой - 7-23% толщины плиты (RU 2102241 С1, кл. F41H 5/04, опубл. 20.01.1998).

Известные отечественные плиты ПАС имеют более высокий (на 5-15%) уровень бронестойкости перед вышеприведенным зарубежным аналогом, а также более высокий уровень устойчивости к коррозионному разрушению под действием растягивающих напряжений, который характеризуется уровнем безопасных напряжений σ_КР. Преимущество плит ПАС по коррозионным свойствам обеспечивают тонкие слои из технически чистого алюминия, которые являются механическим барьером для зарождения и распространения коррозионных трещин. Однако при эксплуатации слоистых плит ПАС в составе высоконагруженной сварной брони в условиях воздействия сред, обладающих повышенной агрессивностью, достигнутый в настоящее время уровень безопасных напряжений σ_КР может оказаться недостаточным. Это связано с тем, что современные технологии изготовления сварной брони с использованием слоистых плит в должной мере не обеспечивают подавление действия источников зарождения трещин: концентраторов напряжений конструкционного и технологического происхождения (как правило, неконтролируемых) и остаточных напряжений (сварочных, монтажных и т.д.).

Целью изобретения является разработка слоистой плиты на основе алюминия для противопульной сварной брони с повышенным уровнем бронестойкости и усталостной прочности, а также повышенным уровнем коррозионной стойкости ее сварных соединений. Техническим результатом является повышение бронестойкости, циклической долговечности, а также уровня безопасных напряжений σ_КР слоистой плиты и ее сварных соединений.

Сущностью изобретения является слоистая плита на основе алюминия для противопульной сварной брони, включающая лицевой, срединный и тыльный слои из алюминиевых сплавов, тонкие слои толщиной 1-3% толщины плиты, расположенные между указанными слоями и на внешних поверхностях лицевого и тыльного слоев, причем лицевой слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты, тонкие слои выполнены из алюминиевого сплава, содержащего цинк, кремний, марганец, железо, титан и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	0,80-1,35
кремний	0,08-0,30
марганец	0,015-0,035
железо	0,10-0,40
титан	0,03-0,18
примеси	не более 0,1
алюминий	остальное

тыльный слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты, а, по меньшей мере, один из лицевого, срединного или тыльного слоев выполнен из алюминиевого сплава, содержащего цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, медь, железо, кремний и примеси, при следующем соотношении, мас.%:

цинк	4,9-5,5
магний	1,5-1,9
марганец	0,2-0,5
хром	0,15-0,25
титан	0,03-0,10
цирконий	0,07-0,12
медь	0,10-0,20
железо	≤0,35
кремний	≤0,25
другие примеси	≤0,1
алюминий	остальное

при этом суммарное содержание цинка и магния составляет 6,4-7,4 мас.%, а отношение содержания цинка к содержанию магния - 2,57-3,67.

На чертеже представлена схема расположения слоев плиты по изобретению и преимущественный путь распространения трещины коррозионно-усталостного происхождения в сварном соединении, где:

1 - лицевой слой;

2 - срединный слой;

3 - тыльный слой;

4 - тонкий слой, расположенный между лицевым и срединным слоем;

5 - тонкий слой, расположенный между срединным и тыльным слоем;

6 - тонкий слой, расположенный на внешней поверхности лицевого слоя;

7 - тонкий слой, расположенный на внешней поверхности тыльного слоя.

8 - сварной шов;

9 - элемент сварной брони, изготовленный из слоистой плиты или из свариваемого алюминиевого сплава;

10 - трещина.

Слоистую плиту по изобретению получают по серийной технологии изготовления плит ПАС: сборка пакета из листов соответствующих алюминиевых сплавов→нагрев→прокатка в размер→обрезка кромок→закалка→правка→финишная термообработка.

Для сравнительной оценки коррозионных, броневых и усталостных свойств известной плиты и плиты по изобретению были исследованы плиты номинальной толщиной 30 мм и листы сплавов толщиной 3 мм в состоянии Т1. Сварку плит с другим элементом сварной брони проводили сварочной проволокой св. АМг6. Тонкие слои были выполнены из алюминиевого сплава, содержащего, мас.%: цинк - 0,92, кремний - 0,15, марганец - 0,024, железо - 0,03, титан - 0,12, примеси - не более 0,1, алюминий - остальное. Лицевой, срединный и тыльный слои были выполнены из алюминиевого сплава, который при суммарном содержании цинка и магния 6,8 мас.% и отношении содержания цинка и магния 3,0, содержал, мас.%: цинк - 5,1, магний - 1,7, марганец - 0,35, хром - 0,18, титан - 0,74, цирконий - 0,96, медь - 0,15, железо - менее 0,35, кремний - менее 0,25, другие примеси - менее 0,1, алюминий - остальное.

Сравнительные испытания проводили по стандартным методикам. Броневые свойства определяли путем обстрела пулей калибром 7,62 мм под углом α=0° (α - угол между траекторией пули и нормалью к плите) с определением предельной скорости кондиционных поражений (V_ПКП). Усталостные свойства определяли на образцах сечением 30×80 мм, отобранных от существующих и предлагаемых плит в состоянии Т1. Испытания проводили при знакопеременном нагружении на базе 100000 циклов с частотой 10 Гц. Оценку сопротивления коррозионному разрушению проводили по величине уровня безопасных напряжений σ_КР. Уровнем безопасных напряжений σ_КР принимали уровень напряжений, при котором в испытуемых образцах (элементах конструкций и т.п.) не появлялись трещины в течение всего времени испытаний. Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице.

Таблица
Характеристики	Слоистые плиты	Преимущество плит по изобретению
Известные	По изобретению
Бронестойкость VПКП, м/сек	730	755	выше на 3,5%
Циклическая долговечность σu, МПа	235	340	больше в 1,45 раза
Уровень безопасных напряжений сварных соединений σКР, МПа	100	160	больше в 1,6 раза
Уровень безопасных напряжений для плиты σКР, МПа	150	230	больше в 1,53 раза

Проведенные испытания показали, что трещина 10 зарождается, как правило, на стыке сварного шва 8 и зоны термического влияния, и распространяется в лицевом слое 1, поскольку тонкий слой 4, расположенный между лицевым 1 и срединным слоем 2, является барьером, препятствующим переходу трещины из лицевого 1 в срединный 2 слой. При этом следует отметить, что время до зарождения трещины в сварном соединении плиты по изобретению несколько больше времени до зарождения трещины в сварном соединении известной слоистой плиты.

В коррозионно-активной среде скорость распространения трещины 10 в лицевом слое слоистой плиты по изобретению заметно ниже скорости ее распространения в лицевом слое известной слоистой плиты. Это указывает на то, что в заявленном техническом решении тонкий слой 4 на внешней поверхности лицевого слоя обеспечивает электрохимическую (протекторную) защиту лицевого слоя 1 в зоне развития трещины, в отличие от известного технического решения, в котором тонкий слой из технически чистого алюминия, способного к пассивации, защищает лицевой слой механически и не влияет на скорость распространения образовавшейся трещины.

Представленные результаты показывают, что слоистые плиты для противопульной брони по изобретению по сравнению с известной плитой обладают более высокой бронестойкостью, а также имеют более высокие характеристики по усталостным свойствам и сопротивлению коррозионному растрескиванию под напряжением. Сварные соединения с использованием слоистых плит по изобретению также имеют значительное преимущество по сопротивлению коррозионному разрушению.

Использование слоистых плит по изобретению в сварной противопульной броне существенно повышает ее эксплуатационную надежность и живучесть.

Слоистая плита на основе алюминия для противопульной сварной брони, включающая лицевой, срединный и тыльный слои из алюминиевых сплавов, тонкие слои толщиной 1-3% толщины плиты, расположенные между указанными слоями и на внешних поверхностях лицевого и тыльного слоев, причем лицевой слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты, отличающаяся тем, что тонкие слои выполнены из алюминиевого сплава, содержащего цинк, кремний, марганец, железо, титан и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	0,80-1,35
кремний	0,08-0,30
марганец	0,015-0,035
железо	0,10-0,40
титан	0,03-0,18
примеси	не более 0,1
алюминий	остальное,

тыльный слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты, а, по меньшей мере, один из лицевого, срединного и тыльного слоев выполнен из алюминиевого сплава, содержащего цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, медь, железо, кремний и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	4,9-5,5
магний	1,5-1,9
марганец	0,2-0,5
хром	0,15-0,25
титан	0,03-0,10
цирконий	0,07-0,12
медь	0,10-0,20
железо	≤0,35
кремний	≤0,25
другие примеси	≤0,1
алюминий	остальное,

при этом суммарное содержание цинка и магния составляет 6,4-7,4 мас.%, а отношение содержания цинка к содержанию магния - 2,57-3,67.