АЛЮМИНИЕВЫЕ БРОНЕВЫЕ СПЛАВЫ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Авторы:
А.А. АРЦРУНИ к.т.н.,
А.А. ЗАЖИЛОВ,
Р.И. ЮНАЦКЕВИЧ, к.т.н.
АО НИИ стали, г. Москва, Россия.
ЧАСТЬ 1.
Опыт военных действий в последние десятилетия нашего времени, полученный в войне в Афганистане, двух войн в Чечне и последнего конфликта в Нагорном Карабахе, выявили целый ряд особенностей использования боевой техники.
Так афганская война показала практическую непригодность танков в условиях высокогорья при возрастании роли легкой бронетанковой техники БМД, БМП и БТР. При этом выявилась необходимость серьезного пересмотра их боевой вооруженности, состоявшей, как правило, в курсовой, линейной, плоскостной направленности систем вооружения, что в условиях гористой местности потребовало решительного пересмотра основного вооружения в сторону увеличения зенитного угла возвышения основного оружия и увеличения его скорострельности. Это привело к возникновению нового типа легких машин: БМП-2, БМД-2, и т.п.
Чеченские войны выявили при боевых действиях в современных городах малую эффективность бронетанковой техники при возросшей эффективности разрозненной пехоты и, соответственно, средств индивидуальной защиты (СИЗ) каждого бойца.
Опыт боевых действий в Нагорном Карабахе продемонстрировал изменение характера современного боя и, в частности, резко возросшую поражаемость наземной боевой и транспортной техники с верхней полусферы за счет применения ударных беспилотников, оснащаемых управляемыми бомбами. Барражирующие боеприпасы и бомбы ударных беспилотников атакуют наземную транспортную и броневую технику в наиболее ослабленной зоне, зоне верхней полусферы, крыши, башен, командир-ских и десантных люков и т.п. Это требует достаточно серьезного пересмотра ТТХ проектируемых изделий с возможным усилением зенитной защиты, с введением фугасно-картечных типов боевых снарядов, и усилении систем ПВО в составе наземной боевой техники, что становится основным трендом современности.
К числу современных актуальных проблем, стоящих перед РФ, относится, наряду с активным ледокольным освоением Заполярья, также и его боевая защита. И здесь на первое место выдвигается алюминиевая броня, хорошо зарекомендовавшая себя по опыту вышеописанных боевых столкновений, вместе с тем включающая довольно обширный перечень всякого рода преимуществ и, прежде всего, хладностойкость (криогенность), о чем и пойдет речь в представляемой работе.
1. Сырьевая природная доступность;
2. Весовая эффективность;
3. Особенности, преимущества, достоинства разработки (композиционирования) сплавов на основе алюминия;
4. Производственная технологичность;
5. Структурная управляемость;
6. Свариваемость;
7. Порошковая технологичность;
8. Коррозионная стойкость;
9. Хладостойкость;
10. Антимагнитность;
11. Тепломаскируемость;
12. Глубоководность;
13. Радиопрозрачность.
Глинозёма
1925 - 1930 кг
Углерода (для анода)
500 - 600 кг
Криолита
50 - 70 кг
Электроэнергии
14500 - 17500 кВт/ч
Таблица 1. Особенностью алюминиевых сплавов является возможность их вторичного использования. Так, в частности, алюминиевые бронекорпуса, признанные непригодными для ремонта БМД-1 и БМД-2 после боевого применения и складированные на танкоремонтном заводе в г. Каунасе в Литве, на основе разработанных нами схем утилизационной порезки были разделены тепловой резкой на составные части, пригодные для печного переплава, были перевезены в Россию и успешно использованы при производстве новых партий брони допускающих до 30-40% возвратных отходов.
Технология использования вторичного сырья особо наглядна при производстве алюминиевых банок для пива и прохладительных напитков: в Европе перерабатывается ~90%, в России до 80% вторсырья.
2. ВЕСОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Работоспособность любой конструкции вне зависимости от функционального назначения, наряду с прочностью, определяется также и ее жесткостью. Жесткость это способность конструкции сопротивляться действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями. Особенно большое значение жесткость имеет для машин облегченного класса, со строго регламентируемыми характеристиками массы, к которому относятся машины, рассматриваемые в настоящей работе. Устойчивость, жесткость на изгиб, как известно из курса сопротивления материалов, определяется зависимостью
где:c коэффициент, определяемый способом приложения нагрузки;Е модуль упругости;b толщина листа (плиты);l расстояние между местами заделки листов (плит). Модуль упругости величина, характеризующая упругие свойства материалов при малых деформациях. Зачастую, именуется также модулем продольной или нормальной упругости, модулем Юнга или модулем упругости первого рода. Определяется экспериментально как отношение нормального напряженияσк относительному удлинениюε = Δl / l,гдеΔl абсолютное удлинение, аl первоначальная длина.
Размерность модуля упругости
Аналогичны размерности единиц давления и напряжения.
Представленная зависимость, определяющая жесткость, с исключением постоянных для каждого конкретного расчета,cиl, может быть упрощена до вида:
Таким образом, жесткость на изгиб (устойчивость) является произведением модуля упругости материала на куб его толщины.
Прежде чем обратиться к сравнительной оценке служебных свойств алюминиевой брони с другими броневыми материалами, рассмотрим общую эффективность использования алюминиевых сплавов в качестве бронекорпусного материала.
Объектом сопоставления примем алюминиевый сплав средней прочности, сталь и титан. Итак, имеем сопоставительный ряд: Алюминий, Сталь, Титан.
Основные сопоставляемые характеристики представлены втабл. 2и нарис. 1.
Рис. 1. Сравнительные физические параметры алюминия (Al), титана (Ti) и стали (Cт)
Таблица 2 Сопоставительный анализ жёсткости металлов на изгиб
Сопоставляются плотность металлов (объемная масса), их прочность (предел прочности на разрыв), характеристика упругости (модуль упругости) и жесткость при равной массе. По показателям упругости и прочности сталь, в рассматриваемом ряду, является безусловным лидером. Однако, соотнесение представленных характеристик с плотностью каждого из рассматриваемых материалов и приведение их к видуЕ/ρ⋅10ˉ³иσв/ρ, к так называемым удельной упругости и удельной прочности, приводит рассматриваемые материалы к практически равным показателям. При этом, если рассматривать возможные толщины материалов при условии равной массы, то совершенно очевидно следует использовать величину, обратную плотности или1/ρ.
Мы видим, что в этом случае алюминий будет в 2,8 раза толще стали и в 1,6 раза толще титана. Титан, в свою очередь, только в 1,73 раза толще стали. Таким образом, наибольшая абсолютная толщина отмечается у алюминия. Жесткость, как это мы рассмотрели выше, является произведением модуля упругости материала на куб его толщины. Жесткость алюминия, даже с учетом в три раза меньшего, чем у стали, модуля упругости, оказывается почти в восемь раз больше жесткости стали и почти в три раза больше жесткости титана. Именно это обстоятельство и предопределило использование алюминиевой брони для изготовления бронекорпусов машин ЛКМ, так как в стальном варианте бронекорпус из-за недостаточной жесткости нуждается в использовании специального каркаса, а в алюминиевом исполнении не нуждается.
Это, в случае использования алюминия в качестве брони, позволяет характеризовать алюминиевый корпус как несущий, не требующий специального увеличения жесткости за счет применения каркаса. При этом, только за счет отказа от каркаса, переход от стального бронирования к алюминиевому способен обеспечить экономию массы бронекорпуса до 20%.
3. ОСОБЕННОСТИ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ДОСТОИНСТВА РАЗРАБОТКИ (КОМПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ) СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
В настоящее время насчитывается свыше 300 марок алюминия и его сплавов, сгруппированных в 8 групп: от алюминия разной чистоты, двойных сплавов (Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Fe), тройных сплавов (Al-Mn-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg) до сложнолегированных сплавов. При этом отмечается высокая эффективность разработки сплавов на основе алюминия, составляющая от 15 до 20 крат прироста свойств по отношению к основному матричному материалу (алюминию), в то время как для сплавов железа (сталей) она не превышает 10 крат, а для сплавов титана ограничена величиной всего в 8 крат.
4. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ
Основной особенностью алюминиевой брони, как впрочем и алюминия как такового, является его широкая база формообразования, включающая: прокат, ковку, штамповку, раскатку и главное такую беспрецедентную технологию как горячее прессование продавливание через формообразующую фильеру, что открывает уникальную возможность получения сложных конструктивных элементов бронекорпуса и выступает альтернативой конструктивно ослабляющей сварки, обеспечивая монолитное исполнение таких сложных и протяженных конструкций как: верхнелобовая ребристая панель БМП1 и БМП2, борт-подкрылок машин БМД1, ниша пулеметного гнезда, защитная шахта приборов и т.п. Разумеется, это предполагает наличие мощного прессового оборудования мощностью до 20 тыс. тн.
5. СТРУКТУРНАЯ УПРАВЛЯЕМОСТЬ
Другим фактором является достаточно хорошо отработанная теория шиферности (строение излома алюминиевой брони, наблюдаемое при ее динамическом разрушении) и подвергающаяся контролю по пятибалльной шкале шиферности, что обеспечивает удовлетворительную живучесть брони и управление ею при перестаривании брони, что активно используется при разработке режимов термообработки.
Авторами был разработан и внедрен специальный образец, проба на излом, представленный на рис. 2.
Рис. 2. Схема вырезания пробы на излом
Проба после разлома (на любом копре) представляет картину сечения H × δ, где δ полная толщина плиты. Заготовки с размерами L = 5δ; Н =1,5δ отбираются в двух направлениях вдоль и поперек проката и, соответственно, представляют обратные живые сечения катаного материала, продольная пробапоперечное, поперечная соответственно продольное. На образце делается надрез глубиной 0,5δ. Последняя проба признана более характерной и принята за основу анализа. Надрез делается в плоскости, перпендикулярной поверхности исследуемой плиты и по глубине составляет половину толщины плиты.
На основе результатов проведенных работ предложена и введена в практику пятибальная шкала шиферности, основанная на градации площади, занятой шиферностью. Шкала представлена на рис. 3. Первый, второй и третий баллы хорошие и удовлетворительные виды шиферности, четвертый и пятый не желательные.
Рис. 3. Шкала шиферности алюминиевой брони
Внедрение пробы на излом и шкалы шиферности подтвердило связь строения излома с живучестью брони при обстреле и позволило прогнозировать кондицию брони по этому параметру без обстрела и тем самым заметно ускорить и удешевить ее производство.
Понятно, что контроль излома, будучи элементом качественного контроля свойств, является всего лишь способом предвосхищения броневых характеристик, но не управления ими. Однако, использование вышеописанного приема перевода материала от состояния зонного и зонно-фазового старения в состояние фазово-коагуляционного старения, путем специального режима перестаривания, дает возможность обращать шиферный материал в нешиферный, что ведет к росту броневых свойств материала.
Свариваемость алюминиевой брони относится к хорошо отработанным технологическим операциям и базируется на использовании классических приемов ручной, полуавтоматической, автоматической, аргонодуговой сварки. В качестве электродной и присадочной проволоки применяются проволоки из сплавов АМг6 и АМг61 ∅2÷3 мм (для автоматической сварки) и ∅1,5÷2 мм (для полуавтоматической). В качестве электродов при ручной сварке применяются вольфрамовые прутки ∅26 мм в зависимости от толщины свариваемого металла.
Материал сварного шва характеризуется ослабленной бронестойкостью, в сравнении с основной броней. При этом основной особенностью принятой технологии является принцип слабость шва это сила принятой технологии. Равнопрочность шва и брони является порочным, крайне напрягающим принципом, способным привести к разрушению машин, работающих в знакопеременных нагрузках.
Ослабленный шов является классическим компенсатором сварочно-сборочных напряжений, возникающих при сборке конструкций в сборочных стендах. Одним из удачных решений принятой технологии является сочетание второй ступени старения корпусов, благоприятно воздействубщее на строение излома брони, со снятием сварочных напряжений, получившее обозначение режима индексом Т2.
При этом слабость шва требует специального подхода к его размещению при сварке и тщательной разработки конструкции каждого сварного соединения, что обеспечивается выпуском специального пакета НТД на конструкцию всех используемых швов брони с их предварительным обстрелом на принятых моделях. Описанная технология прошла широкую апробацию в реальных условиях эксплуатации, исчисляемых почти 50-летним опытом боевой эксплуатации.
ЧАСТЬ 2.
В настоящее время глобальная ресурсно-стратегическая ситуация мирового развития складывается в пользу постоянного роста значимости арктического региона России. Здесь имеются ввиду значительные возможности как уже разведанных, так и вновь открываемых ресурсов как шельфовой, так и морской добычи углеводородного газового и нефтяного сырья, наличие полезных ископаемых и больших природных ресурсов, а также возможности их упрощённой транспортировки по СевМорПути. Названная ситуация усугубляется также климатическими изменениями и, в частности, мировым потеплением и соответствующей активизацией роли упомянутого СевМорПути как важнейшего коммуникационного торгового канала в схеме Европа Север Дальний Восток.
В упомянутых обстоятельствах арктические территории России нуждаются как в чёткой граничной нотификации, так и в обеспечении их нормального обустройства и функционирования и, конечно, в их военной защите. И здесь, при всей кажущейся парадоксальности, среди всех известных броневых материалов и прежде всего бронесталей особого внимания заслуживает относительный новичок бронетехники алюминиевая броня. Для начала обозначим реальные области возможного применения алюминиевой брони. Это наземные военно-транспортные машины и судовые корпусные и надпалубные бронеконструкции.
К броне военной техники как таковой предъявляется достаточно большое множество требований. Одни из основных при этом это бронестойкость, живучесть, конструктивная применимость (жёсткость, свариваемость, коррозионная стойкость и т.п.). Для большинства материаловедов проблема, решаемая в настоящей работе, представляется достаточно новой. Это находит своё объяснение в двух обстоятельствах: во-первых, в закрытости тематики, и, во-вторых, в недостаточной информированности по эффективности применения алюминиевой брони взамен исторически традиционной стальной брони.
Вопрос освоения северных приполярных территорий России и возможности строительства Северного широтного хода получил свою глубокую проработку с момента основания в 1845 году Российского Географического общества РГО. Во главе его стояли представители Российского императорского дома выдающиеся учёные и видные государственные деятели. Общество внесло значительный вклад в изучение севера Европейской части, Урала, Сибири, Дальнего Востока.
РГО одно из старейших географических обществ мира, объединяет специалистов в области этнографии, географии, геологии, гидрологии, сейсмологии, гляциологии, в том числе представителей Министерства российских железных дорог, Судостроительной промышленности и Министерства обороны страны. В настоящее время РГО возглавляет министр обороны страны Шойгу Сергей Кужигетович, что особо подчёркивает значение этого региона в развитии и защите нашего Отечества в свете всё нарастающей угрозы со стороны наших потенциальных противников.
Однако, вернёмся в основное русло нашей работы и продолжим его изложение в соответствии с заявленным в ранее опубликованным, в первой части статьи, планом.
Итак, предмет текущего рассмотрения порошковая технологичность в свете противоминной стойкости. Напомним читателю принятые параметры оценки, первые шесть из которых были рассмотрены в предыдущем номере журнала.
7. Порошковая технологичность, в свете противоминной стойкости;
Пеноалюминий сравнительно новый материал, получаемый различными способами из жидкой и порошковой масс алюминия и его сплавов. Удельный вес пеноалюминия может колебаться от 0,1 до 0,5 веса монолитного алюминия. В качестве порообразователя применяются гидриды Ti, Zr, Ba,Li или так называемые металлогидриды. Эти вещества в количестве до 10% вводят в жидкий расплав путём постоянного примешивания и после порообразования массу охлаждают до затвердевания. Существуют также приёмы порообразования путём продувки кислородом.
Различают пеноалюминий с открытыми и закрытыми порами. Первый может быть рассмотрен как своеобразный фильтр, последний как губчатый алюминий. Пеноалюминий в форме губчатого алюминия представляет собой материал способный, за счёт пластической деформации, поглощать энергию удара. Так, при пластической деформации порядка 50%, пеноалюминий в состоянии поглощать от 1000 до 4000 кгм/дм, что представляет значительный интерес для защиты наземных транспортных средств от подрыва.
В последнее время имеет место использование пеноалюминия в составе сложных комплексных составных многокомпонентных систем бронезащиты, включающих сталь, керамику и алюминиевую броню, где пеноалюминий, выступая в уже названной роли ударопоглотителя, используется в качестве промежуточного слоя, уменьшающего динамический прогиб тыльного слоя и объёмное расслаивание, улучшая структурную жёсткость, баллистические свойства и прочность брони при меньшей плотности защитной структуры.
Один из оптимальных вариантов с внутренним подслоем из пеноалюминия (на рисунке заштрихован) так называемой интегральной брони по данным исследовательского центра США DARPA приведен нарис. 1, вариант а).
Рис.1. Схемы зарубежной интенгральной брони
Прочностные и пластические свойства пены существенно зависят от её плотности, что подтверждается на кривых растяжения-сжатия, подразделяющихся на три области: линейной упругости, деформации и уплотнения (смятия). Первоначальный вид деформации упругий, благодаря жёсткости стенок ячеек, затем наблюдается пластическая деформация стенок верхних ячеек и напряжение резко падает. На конечном этапе пена постепенно разрушается и сжимается, причём отмечено, что деформация протекает сначала от фронта уплотнения, т.е. от деформированной к недеформированной области образца.Примерный вид кривой сжатия показан нарис. 2.
Рис. 2. Кривая сжатия образца пеноалюминия
Как и любой другой новый материал, пеноалюминий потребовал создания нового методического аппарата по оценке его служебных характеристик, поскольку проводить оценку только на натурных образцах бронетехники дорого и малоинформативно.
Ударно-волновое воздействие на преграду при минном подрыве является комбинацией сферического растяжения, сферического сдвига и плоского сдвига волновых фронтов. Алюминиевая пена с округлыми водородонаполненными порами увеличивает время нарастания волнового напряжения и задерживает разрушающее воздействие ВВ при подрывах.
При анализе результатов испытаний минным подрывом обычно оценивается: Встреченная или так называемая поверхностная плотность. Результирующая топография пеноалюминиевых плит (ПАП) (толщина в очаге поражения, моно или поликратность поражения). Геометрия лицевых и тыльных пластин-накладок и подкладок с фотофиксацией мишенной ситуации. Сравнительная оценка защитных характеристик ПАП с различной химией матрицы, пористостью и полученных путём закалки с разным температурным режимом проводится вначале на малом стенде, где выбираются наиболее энергоемкие ПАП, затем эффективность этих плит оценивается на большом стенде, имитирующим реальное днище легкобронированной техники.
Испытания на взрывопоглощение (живучесть и стойкость) проводятся в строгом соответствии с Методикой оценки служебных свойств пеноалюминиевых плит противоминного назначения, разработанной АО НИИ стали и ФКП НИИ Геодезия (г. Красноармейск).
При использовании так называемой наземной схемы подрыва, роль наковальни принимает на себя стальная плита, размещённая на грунте, на поверхности которой устанавливается испытуемый образец. Сверху укладывался маркер из стального листа толщиной 1 мм.
Названная схема является основой оценки живучести подрываемого пеноалюминиевого материала (рис. 3,4).
Рис. 3. Стальная плита (сверху) с образцом пеноалюмиия и зарядом ВВ (снизу) для тестирования живучести и стойкости образца ПАП
Рис. 4. Схема испытания пеноалюминия на живучесть:
1 взрывчатое вещество;
2 пеноплита;
3 стальная опорная плита 46 мм;
4 одноразовая легкая деревянная тумба;
5 покровный лист
Критерием живучести является наличие или отсутствие динамического разрушения испытуемого материала (от трещин до полной деструкции), при этом единичные мелкие трещины признаются удовлетворительной характеристикой, а протяжённые раскалывающие трещины и полная деструкция, естественно, считаются признаком низкой живучести.
Второй характеристикой служебных свойств защитного материала является характеристика его стойкости.
Поставленная задача может быть решена через величину реального энергопоглощения при динамическом воздействии с верхней полусферы определённым зарядом ВВ. Задача эта решается через приём базовой тарировки на специальном скамеечном стенде (рис. 5).
Рис. 5. Схема испытаний на оценку стойкости:
5 покровный лист;
6 тарировочная стальная плита;
7 установочный стенд скамеечного типа
Рассматриваемый приём состоит в использовании специального скамеечного рамного стенда с открытым проёмом. В проём устанавливается стальной тарировочный лист (плита) толщиной 8-15 мм с установочной плоскостью 500х500 мм, который подвергается ряду последовательных подрывов с нарастающей массой ВВ с верхней полусферы на клиренсном (450 мм) удалении до достижения визуально наблюдаемой остаточной пластической деформации с дугой прогиба 10-15 мм. На этом этапе фиксируется масса ВВ, приведшая к подобным результатам, после чего деформируемая плита извлекается из стендового проёма и заменяется аналогичной новой, на которой устанавливается экспериментально исследуемый материал.
Затем следует серия подрывов со стартовым значением массы ВВ, равной массе, приведшей к заданной пластической деформации тарировочной стальной плиты. Испытания продолжаются до момента достижения деформации стальной тарировочной плиты с дугой прогиба, аналогичной полученной в эксперименте подрыва тарировочной плиты. После этого фиксируется масса ВВ, приведшая к данному результату. Полученная масса ВВ сопоставляется с массой ВВ, приведшей к пластической деформации исходного тарировочного стального листа. Зафиксированная разница представляет собой прямую характеристику энергопоглощения испытуемого образца пеноалюминия. Так, например, согласно нашим экспериментальным данным, использование пеноалюминиевой плиты (40х500х500 мм, плотность 0,7 г/см3) способно увеличить противоминную стойкость на 50% (в 1,5 раза) в соответствии с равновесомым 3 мм стальным листом.
Следующим этапом работ являлась оценка коррелируемости результатов подрыва на большом макете с нижним подрывом (рис. 6) с ранее проведёнными работами на малом стенде с верхним подрывом.
Рис. 6. Вид большого стенда. Внутри него на расстоянии 450 мм от земли устанавливается и закрепляется испытуемая структура днища с пеноалюминием размером 2х2м.
Целью этих испытаний является оценка стойкости днища макета при подрыве безоболочного взрывного устройства.
Фрагмент защиты днища площадью 2000х2000 мм представлял собой бронепреграду из алюминиевой лицевой плиты, пеноалюминия (толщиной 40 мм) и тыльного слоя из алюминиевого сплава. Фрагмент днища устанавливался в специальный стапель (стенд) и закреплялся на стенках стапеля. Заряд ВВ массой 6 кг помещали в деревянный ящик, засыпали слоем песка 80 мм и установили на металлическую плиту толщиной 60 мм. Расстояние от маскировочного слоя песка до закреплённого фрагмента защиты (днища) составило 450 мм.
Результаты подрыва макета днища приведены нарис. 78.
Рис. 7. Вид днища после подрыва 6 кг ВВ. Наружный (лицевой) слой имеет трещины, однако тыльный слой не нарушен и его прогиб в пределах допуска.
Рис. 8. Промежуточный слой пеноалюминия после испытаний (лицевой слой снят). Видно, что в эпицентре взрыва пеноалюминий сминается на 3/4 (на переднем плане кусок смятого ПАП в сравнении с ПАП у края плиты), поглощая значительную долю энергии взрыва.
Данные испытания показали, что целостность конструкции фрагмента днища не нарушена (без трещин, расколов, смятий и разрушений), стрела остаточного прогиба незначительна.
Таким образом, можно констатировать, что разработанные элементы методики испытаний пеноалюминиевых материалов броневого назначения можно использовать для выбора материалов и оценки их противоминных характеристик. Эта методика включает пять основных этапов: Оценка динамической живучестипутём наземного подрыва пеноалюминиевых материалов на стальной платформе. Тарировочные испытания на лёгком стенде, как качественно-количественная оценка эффективности преград. Тарировочные испытания на усиленном тяжёлом стенде с проёмом. Стендовые тензометрические испытания, как метрологическая характеристика эффективности пеноалюминиевых плит. Укрупнённые испытания на макете днища БТВТ для подтверждения результатов.
Кроме того, результаты проведенных испытаний показали, что вперспективе целесообразно шире использовать пеноалюминий в интегральных схемах бронирования БТВТ ЛКМ.
Вышеизложенное ещё раз подчёркивает роль пеноалюминия как весьма перспективного материала для нужд бронезащиты.
Алюминий даже в виде простейшей защитной структуры монолитной плиты дает выигрыш по противоминной стойкости до 65%. Это обусловлено жесткостью конструкции и уникальной противоосколочной стойкостью алюминия. Однако значительно более высокого эффекта можно достичь, используя высокие пластические свойства алюминиевых сплавов. Так одно из решений, защищенных авторским свидетельством, предлагает использовать специальные алюминивые профили, которые за счет деформации поглощают энергию взрыва.
Рис. 9. Сравнительная противоминная стойкость различных броневых материалов
Поглощение энергии взрыва здесь происходит за счет деформации достаточно толстых U или W образных профилей, обращенных зеркально друг к другу и смещенных на полшага друг относительно друга (см. рис. 10).
Рис.10. Принцип работы энергопоглощающей системы с W-образными и U-образными профилями
Принципиальная схема противоминного днища энергопоглощающими профилями приведена на рис.11.
Рис.11. Конструкция противоминного днища:
1 алюминиевая бронеплита;
2 конструкция из алюминиевого профиля.
В отличие от пеноматериалов и сотовых структур, которые сегодня применяются в противоминных защитных структурах, в этой конструкции энергопоглощение с увеличением деформации увеличивается, что ведет к увеличению и противоминной стойкости конструкции днища.
Анализ коррозионной стойкости алюминиевых сплавов и железа начнём с рассмотрения довольно ёмкой сравнительной таблицы, заимствованной из первого тома классического справочного труда И.В. Кудрявцева Материалы в машиностроении. Выбор и применение, представляющей оценку влияния свыше тридцати коррозионных сред (см. табл. 1).
Таблица 1. Влияние различных сред на коррозионную стойкость алюминия, деформируемых алюминиевых сплавов и железа
Таким образом из 31-ой представленных сред алюминиевые сплавы характеризуются как стойкие в 7 средах, мало реагирующие в 14 средах, плохо реагирующие в 9 средах, и 1 среда (минеральная вода) особо неблагоприятная. В то время как железо: стойко только в 3-х средах, мало реагирует в 8 средах, плохо реагирует также в 8 средах, и 4 среды отмечаются как особо неблагоприятные.
Среда
Сплавы алюминия
Железо
Абсолютная стойкость
7
3
мало реагирующая
14
8
плохо реагирующая
9
неблагоприятная
1
4
не установлено
0
6
Как видим, наблюдается абсолютное превосходство коррозионной стойкости алюминиевых сплавов.
При этом дополнительно можно отметить, что алюминиевые броневые сплавы за счёт особенностей химсостава (исключение меди и марганца в составе) и специальной термической обработки (перестаривание) заметно повышают свою коррозионную стойкость.
Понятно, что и стальная броня тоже заметно активизирует борьбу с коррозией.
Здесь особую роль выполняют специальные защитные, маскирующие лакокрасочные покрытия.
В обычной атмосфере наиболее неблагоприятным для коррозии алюминиевых сплавов является контакт их с медью и медными сплавами, с никелем, никелевыми сплавами и никелевыми покрытиями, с серебром.
В условиях погружения в морскую или пресную воду недопустим контакт с медью и медными сплавами, титаном и титановыми сплавами, нержавеющей сталью, никелем и никелевыми покрытиями, оловом и оловянными покрытиями, свинцом, серебром, магнием и магниевыми сплавами. В этих же условиях допустим контакт с алюминиевыми сплавами различного состава, цинком и цинковыми покрытиями, кадмием и кадмиевыми покрытиями.
Защита от коррозии. Алюминиевые сплавы защищают от коррозии металлическими покрытиями (плакирование, гальванические покрытия) и неметаллическими покрытиями (оксидные плёнки, лакокрасочные покрытия, смазки).
Для защитно-декоративных целей, а также для повышения износостойкости используют хромовые или никель-хромовые гальванические покрытия. Применение оксидных плёнок, полученных химическим или электрохимическим методом, является одним из основных способов защиты от коррозии алюминиевых сплавов. Оксидные плёнки обладают также хорошими адгезионными свойствами, и поэтому их применяют как основу при нанесении лакокрасочных покрытий.
Анодные плёнки применяют также в качестве декоративных покрытий. В этом случае их наполняют специальными органическими или неорганическими красителями. Систему или способ защиты с применением различных лакокрасочных покрытий с предварительным оксидированием или без него выбирают применительно к условиям работы данной детали или изделия. Для защиты алюминиевых сплавов при транспортировке и хранении применяют специальные консервационные смазки.
Хладостойкость
Хладостойкость или прочность и пластичность металлов при низкой температуре, или, иначе говоря, его криогенные характеристики, являются основным ключевым параметром сопоставительной оценки традиционных стальных и алюминиевых броневых материалов.
Многие стальные сплавы, особенно конструкционные, при низких температурах обнаруживают склонность к хрупкому разрушению. Весьма важное свойство многих конструкционных сталей состоит в том, что склонность к хрупкому разрушению они обнаруживают лишь в условиях ударного нагружения с сочетанием низких температур. При этом стартовой температурой является температура, начинающаяся с минус 20-ти градусов Цельсия (см. рис. 12).
Рис. 12. Определение критического интервала хрупкости по результатам испытаний серии образцов из малоуглеродистой крупнозернистой стали в условиях низких температур при ударном нагружении
Здесь, памятуя климатические особенности Заполярья и наличие в качестве типичных длиннопериодных условий температурные значения до минус 5070°С, обозначим основную особенность алюминиевой брони алюминиевая броня, как и все алюминиевые сплавы, не имеет склонности к охрупчиванию при низких температурах (см. таблицы 2-5). Последнее резко контрастирует с известными данными по охрупчиванию достаточно тонкой (до трёх раз более тонкой при равном с алюминием весе) катаной стальной брони, где, начиная с температуры уже в минус 20 °С, известно понятие полухрупкости, то есть на 50% потеря такой важнейших характеристики брони как её бронестойкость и живучесть.
Таблица 2. Механические свойства прессованных полос из сплавов АК4 (числитель) и ВД17 (знаменатель) при комнатной и отрицательной температурах
Таблица 3. Механические свойства полуфабрикатов из алюминиевых деформируемых сплавов при различных температурах испытания
Таблица 4. Механические свойства отожжённых листов толщиной 3 мм из сплава 1545К производства ОАО ВИЛС и сварных соединений при комнатной и криогенных температурах, средние значения
Таблица 5.
Детальное рассмотрение представленных таблиц 25 позволяет с безусловной определённостью констатировать полное превосходство алюминия и его сплавов, начиная с роста модуля упругости при пониженных температурах (см. рис.13), и заканчивая устойчивым ростом прочности и пластичности всех алюминиевых сплавов, в отличии от обратной тенденции характерной для всех вариантов сталей как конструкционных, так и броневых в условиях их применения в низкотемпературных зонах использования, не говоря о прочих, как нам думается, детально рассмотренных преимуществах алюминия и его сплавов.
Рис. 13. Модуль упругости алюминия, Е
Имеющиеся графические формы представления материалов (см. рис. 14) при сопоставлении низкотемпературных характеристик сплавов так на зываемых дюралюминиевой группы Al-Cu-сплавов с броневыми сплавами системы Al-Zn-Mg свидетельствуют о принципиально важном превосходстве алюминиевых броневых сплавов по характеристикам пластичности δ, а значит и живучести алюминиевой брони практически в 23 раза превосходящую группу дюралей.
Рис. 14. Оценка криогенных характеристик сплавов группы дюралей (левый рисунок) и броневых сплавов
Антимагнитность
Характеристика антимагнитности достаточно очевидна в случае использования алюминиевой брони при изготовлении цельноалюминиевых корпусов и башен. Имеющее место в последнее время методика антимагнитной защиты стальной бронетехники специальными покрытиями оставляют вопросы удорожания стоимости эксплуатации боевых машин и ещё раз подтверждает эффективность алюминиевого бронекорпусного производства.
Тепломаскируемость
Тепломаскируемость является одной из важнейших характеристик маскировки боевых машин. В случае алюминиевых бронемашин вопрос может быть решён путём использования в составе материала бронекорпуса специальных теплоизолирующих материалов пеноалюминия с закрытыми газонаполненными порами (см. раздел порошки). При этом побочным эффектом использования пеноалюминия является заметно возрастающая характеристика плавучести объекта защиты.
Глубоководность
Последние 50 лет ознаменовались крупнейшими достижениями в освоении космических глубин вселенной. При этом ещё одна проблема человечества освоение океанических морских глубин осталась как бы вне сферы внимания. А между тем эта проблема является одной из стратегических проблем обороноспособности любой приморской страны и может быть сформулирована достаточно просто борьба за глубину подводного плавания.
Подводный флот серьёзно заявил о себе в начале ХХ века, и его появление явилось определяющим фактором почти полного разгрома трёх эскадр флота и серьёзных человеческих потерь Российской Империи в Русско-японской войне 1904-1905 гг. А ведь Японии понадобилось всего, казалось бы, малый отряд и 12 подводных лодок, чтобы полностью уничтожить мощнейший российский флот: высокопрофессиональный, глубокопатриотичный и, как показали военные действия, воистину беззаветно героический.
Итак, борьба за глубины и проблемы материаловедения, и здесь мы вынуждены обратиться к сравнительному анализу нашей классической материаловедческой триады, описанной в первых разделах нашей публикации (см. раздел 2 перечня параметров оценки опубликованные в первой части публикации сталь-титан-алюминий) и заявить об абсолютном первенстве алюминия в этой триаде по его характеристике жёсткости, зависящей от куба толщины это делает сплавы алюминия весьма перспективным материалом для создания глубоководных аппаратов.
Экспериментально-теоретические исследования полностью подтвердили высокий потенциал использования алюминиевых броневых сплавов для объёмно нагружаемых подводных аппаратов с расчётным давлением до 400 атм. (глубин до 4 км). Это достигается за счёт уникальной возможности получения основного нагруженного тела в виде толстостенной, монолитной, трубной заготовки большого диаметра, получаемой методом горячей экструзии продавливанием через фильеру технологии, присущей только алюминиевым сплавам, разумеется с использованием мощных прессов. Названные основные толстостенные элементы сочетались с кольцевыми полусферами той же толщины, получаемые штамповкой и кованными (или раскатными) соединительными монтажными кольцами.
Радиопрозрачность
Радиопрозрачность прохождение радиоволн через анализируемый объект защиты без ограничений с малыми потерями. У алюминиевых корпусов заметно возрастает с использованием пеноалюминиевых материалов с замкнутыми порами. Вспененный материал характеризуется как высокоэффективная защита от электромагнитных волн, наряду с уже упоминавшимися теплоизолирующими и звукопоглощающими свойствами, что приводит материаловедов к разработке сандвич структур с использованием пеноалюминия это резко отличает радиопрозрачность алюминиевых бронекорпусов от стальных и служит благоприятным элементом маскируемости.
Возвращаясь к эпиграфу, представленному в начале настоящей публикации, содержащему буквально провидческую формулу М.В. Ломоносова, авторы публикации считают своим вполне обоснованным правом на её дополнение до следующей развёрнутой формулировки: Российское могущество прирастать будет Сибирью и Северным океаном и их защиту обеспечит Российская Алюминиевая броня на чём собственно и завершить настоящую публикацию.
Литература
1. Арцруни А.А., Купрюнин Д.Г. Алюминиевая броня для военной техники. Теория, технология, практика. Изд. РадиоСофт. М. 2017.
2. Материалы в машиностроении. Т1. Цветные металлы и сплавы. Изд. Машиностроение. М.1967.
3. Марочник сталей. Под ред. Я.И. Куландина. ЦНИИТМАШ. М.1956.
4. Арцруни А.А., Зажилов А.А. К актуальности проблемы продвижения алюминиевой брони в арктические широты. Арктика и алюминиевая броня. Доклад в ВИАМ, Геленджик, 2019 г.
5. Работы ВИЛСа по деформируемым алюминиевым сплавам системы Al-Mg-Sc. История создания, структура, свойства, опыт применения, проблемы и перспективы. Филатов Ю.А.. Журнал Технология лёгких сплавов №3, 2017.
6. Прочность и пластичность металлов при низких температурах. Г.В. Ужик. Изд. Академии наук СССР. М. 1957.
7. Морская доктрина Российской Федерации на период до 2030 года, утверждёна Президентом РФ 26.07.2015г. [ Электронный ресурс] : URL:http://legalacts.ru/doc/morskaja-doktrina-rossiiskoi-federatsii-na-period-do/(Дата обращения 10.05.2021).
8. Постановление Совета Министров Правительства РФ №174 от 01.03.1993г. О совершенствовании деятельности ведомственных АСС по предотвращению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на море и водных бассейнах России /интернет источникhttp://www.consultant.ru/cons/cgi/online.cgi?req=doc&base=EXP&n=225141#05690033363800673/ (Дата обращения 10.05.2021)
Оставить заявку
Отправляя форму Вы соглашаетесь на обработку персональных данных