CC BY
80
УДК 623.4; 539.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-492-497
ОЦЕНКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БРОНЕМАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДЫ
А.А. Смелик, В.А. Окунев, Я.В. Шевченко, П.В. Баталов, Н.Б. Попков
Рассмотрены вопросы влияния климатических факторов окружающей среды на физико-механические свойства применяемых бронематериалов. Обоснована актуальность проводимых исследований, представлена классификация современных бронематериалов, проведена оценка физико-механических характеристик бронематериалов в условиях воздействия климатических факторов окружающей среды.
Ключевые слова: средства индивидуальной защиты, бронетанковая и вооруженная техника, климатические факторы, физико-механические свойства, бронематериалы.
В соответствии с «Стратегическими направлениями развития материалов и технологий...» [1] основой для дальнейшего развития отраслей промышленности, производства новых и перспективных образцов техники являются научные исследования в направлении разработки новых материалов и технологий их переработки, включающие все стадии жизненного цикла изделия: от проектирования до утилизации.
Присутствие в мировой обстановке локальных военных конфликтов, возможности террористических актов и общественных беспорядков создают необходимость проектирования и разработки новых типов средств индивидуальной защиты (далее СИБ) и защиты бронетанковой и вооруженной техники (далее БТВТ). На сегодняшний день к ним предъявляются всё более возрастающие требования по стойкости, надёжности, удобству ношения и эргономике. Кроме этого, возрастают требования по устойчивости изделий к климатическим факторам окружающей среды таким как температура, влажность, наличие агрессивной среды и другие [23].
Обзор источников по теме показывает, что уже проделано множество климатических испытаний различного вида конструкционных материалов [5-8]. Среди них есть испытания на влияние повышенной и пониженной температуры, влажности, присутствия морской воды, как агрессивной среды и другие. Стоит отметить, что исследования на тему температурного влияния на стойкость композитных бронематериалов в открытой печати почти не встречаются. Имеются отдельные работы, посвященные климатическим испытаниям стальных (алюминиевых, титановых) сплавов или же полимерных композиционных материалов [5-9].
Сложность представляет оценка влияния температуры на комбинированный состав бронезащиты, которая применяется на данный момент. Как правило оценить качество каждого материала по отдельности не сложная задача, однако в комбинации несколько материалов могут повести себя совершенно по-разному. Также имеет место комбинация нескольких климатических факторов (например, температура и влажность), влияние которых в реальных условиях всегда происходит в комбинации и усложняет оценку.
Таким образом, целью данной статьи является оценка влияния только одного из климатических факторов - условий повышенных и пониженных температур на физико-механические и эксплуатационные свойства применяемых бронематериалов.
На данный момент для производства бронезащиты используется широкий спектр материалов - броневые стали, алюминиевые и титановые сплавы, керамики и композиционные материалы (как правило, волокнистые и полимерные) [3-4]. Классификация представлена на рис. 1.
Каждый из этих материалов имеет свои преимущества и недостатки, в зависимости от которых может применяться при различных обстоятельствах. Броневые стали являются наиболее распространенными и универсальными, они обладают высокой твердостью, прочностью и надежностью, простотой производства и обработки. Однако при своих высоких физико-механических характеристиках, они обладают большой массой и толщиной, что понижает маневренность человека или техники и подвергает их опасности при активных боевых действиях.
—
ы
ал
иа
р
е
т
ат ■
ма
е
н
о
р
Б
i
Металлические
{
Керамические
}
ПКМ*
и
Броневые стали
Алюминиевые
Титановые
На основе Al2O3
На основе B4C
Тканевые
СВМПЭ**
Рис. 1. Классификация современных бронематериалов: ПКМ - полимерные композиционные материалы; СВМПЭ - сверхвысокомолекулярный полиэтилен;
Сплавы на основе алюминия и титана наоборот являются более лёгкими и изящными материалами для производства систем защиты, по сравнению с бронесталями они имеют более высокую ударную вязкость и соответственно меньшее количество осколков при попадании пули и низкую вероятность получения заброневых травм личным составом. Снижение массы бронепластин при том же уровне баллистической стойкости составляет 15-30%. Их недостатки - это высокая стоимость производства и обработки готовых изделий.
Керамики же обладают более высокой прочностью и твердостью, чем бронестали в сочетании с пониженной массой изделий, но технология производства качественной керамики гораздо сложнее и дороже и живучесть (стойкость к попаданию нескольких пуль в одно место) такой защиты ниже. Наиболее часто используются керамики на основе корунда (AI2O3), карбида бора (B4C) и кремния (SiC).
С второй половины XX века в производстве средств индивидуальной защиты начали использоваться полимерные композиционные материалы и также их компоненты (армирующие ткани, ленты). Самое распространенные из них - ткани на основе стекловолокна или арамид-ных волокон. Примером таких тканей служат разработанные в США арамидные волокна «Kev-lar», «Nomex», японский «Twaron», российские «Руслан», «Руссар» и другие.
Высокое распространение в последнее время получил новый материал, разработанный фирмой «Honeywell» в конце 1980-х годов - сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Данный материал, применяемый в качестве многослойной конструкции, позволяет при том же уровне стойкости и прочности уменьшить массу средств защиты до 15-20%. Также волокно из СВМПЭ устойчиво к агрессивным средам, износостойко. Недостатками данного материала являются его малая стойкость с заостренным, бронебойным боеприпасам. Самыми распространенными марки этого материала - Dyneema (Нидерланды) и Spectra.
На данный момент, металлические и композиционные бронематериалы могут применяться по отдельности или же в комбинации для защиты от малоскоростных и незаостренных боеприпасов. При необходимости защиты личного состава или техники от бронебойных крупнокалиберных автоматных и бронебойных пуль требуется более серьёзная защита. В данном случае применяются комбинированные (композиционные) бронематериалы. Классическое представление композиционного бронематериала это 3-х слоевая конструкция: 1-ый лицевой слой из керамики, его основная роль в деформировании остроконечной части пули и снижении ее скорости и возможности рикошета, 2-ой средний слой из броневой стали также несет основную нагрузку и позволяет снизить кинетическую энергию пули и 3-ий слой, состоящий из полимерного композиционного материла, который задерживает осколки, раздробленной и все ещё опасной пули, тем самым снижая ее заброневое действие. Типичное конструктивное исполнение композитного бронематериала представлено на рис. 2.
Для учета воздействия температурных воздействий и других внешних воздействующих факторов (влажность, концентрация хлоридов и др.) в настоящее время приняты два основных вида климатических испытаний изделий и образцов материалов:
- натурные испытания;
- ускоренные/лабораторные испытания;
Натурные испытания проводятся на открытых площадках; находящихся в различных климатических поясах, позволяющие оценить изменение свойств материалов в реальных условиях. В отличие от натурных, ускоренные испытания проводятся в лабораторных условиях, которые позволяют оценить стойкость металлических сплавов, керамики и полимерных композиционных материалов при воздействии искусственно созданных факторов окружающей среды.
а б
Рис. 2. Вид типичных композиционных бронематериалов: а - бронеэлемент отдельно; б - в составе бронетехники
По данным открытых источников, механические свойства бронестали при нагревании ее до температуры t = 200...250 °С практически не меняются. При температуре 250...300°С прочность стали несколько повышается, пластичность снижается. Сталь в изломе имеет крупнозернистое строение и становится более хрупкой (синеломкость). Не следует при этой температуре деформировать сталь или подвергать ее ударным воздействиям. Нагрев выше 400°С приводит к резкому падению предела текучести и временного сопротивления, а при t = 600...650°С наступает температурная пластичность и бронесталь теряет свою несущую способность [6-8].
При отрицательных температурах прочность стали возрастает, ударная вязкость падает и сталь становится более хрупкой. Зависимость ударной вязкости от температуры характерна тем, что переход от вязкого разрушения к хрупкому происходит, как правило, скачкообразно, в узком температурном диапазоне, называемом порогом хладноломкости. Ударная вязкость, определенная при испытании образцов с надрезами типа и, обозначается КСи, а образцов с надрезами типа V и трещиной - соответственно КСУ и КСТ. Обычно в качестве порога хладноломкости принимают температуру, при которой ударная вязкость становится меньше определенного значения: КСи, KCV и КСТ соответственно 30...40, 20 и 15 Дж/см2. Температуру, при которой ударная вязкость снижается до этого установленного значения, принимают за порог хладноломкости или критическую температуру перехода стали в хрупкое состояние Тег. Данные о критических температурах хрупкости позволяют установить температурный интервал, при котором рекомендуется использовать в конструкциях ту или иную сталь.
Рассмотрим, как влияют климатические факторы на срок службы бронированной высокопрочной конструкционной легированной стали марки 37Х2НВМБР (КВК-37).
Бронесталь марки 37Х2НВМБР (КВК-37) - бронированная высокопрочная конструкционная легированная сталь. Применяется для изготовления горячекатаных прутков, толстолистового проката, поковок и штамповок, предназначенных для производства различных деталей в энергетическом машиностроении; бесшовных горячедеформированных труб, а также для бронирования военной техники. Химический состав и физико-механические свойства броне-стали представлены в табл. 1 и 2.
Химический состав бронестали 37Х2НВМБР
Таблица 1
С Мп Si Сг № Мо №> В Fe S | Р
Не более
0,35. 0,39 0,6. 0,9 0,4. 0,6 1,8. 2,2 0,6 .0,9 0,15 .0,25 0,5 .0,9 0,01 .0,03 0,001 .0,003 Основа 0,012 0,012
Средства защиты, содержащие в своем составе бронестали могут также подвергаться влиянию агрессивных сред, что может сказаться на их физико-механических свойствах. Показателями среды, определяющими степень ее агрессивности по отношению к строительным кон-
494
струкциям, являются относительная влажность, температура, возможность образования конденсата, состав и концентрация газов и пыли, туманы агрессивных жидкостей, а также способы их воздействия на конструкции (непосредственно или через воздушную среду). В зависимости от факторов, формирующих эксплуатационную среду, строительные конструкции можно подразделить на: конструкции, эксплуатирующийся на открытом воздухе, в общезаводской атмосфере, конструкции, эксплуатирующийся внутри зданий, во внутрицеховой атмосфере. Условия эксплуатации конструкций в общезаводской атмосфере определяются климатическими особенностями региона расположения объекта и загрязненностью атмосферы технологическими выделениями. В нормах по климатологии территория России разделена в зависимости от влажности на три зоны (сухая, нормальная и влажная). Условия эксплуатации конструкций во внутрицеховой атмосфере предопределяются технологическим процессом.
Таблица 2
Физико-механические свойства бронестали 37Х2НВМБР _
Способ выплавки Номинальная система легирования Твердость НВ/(НЕ£) Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение, %
ЭДП+ВИП или ВДП 0,37С-0,8Мп-2,0Сг-1,0№-0,5Мо-0,Ж-0,03№>-0,02В 447...555 2000 1100 15
Главным фактором, определяющим интенсивность коррозионного износа (разрушения), является относительная влажность. Наибольшая скорость коррозии реализуется при периодическом выпадении конденсата, однако скорость резко возрастает при достижении так называемой критической влажности, обычно принимаемой для бронестали 70...75%.
Керамические материалы отрицательно показывают себя в условиях механических или термических ударов, а также при циклических условиях нагружения. В то же время керамические материалы обладают высокой жаропрочностью, превосходной коррозионной стойкостью и малой теплопроводностью, что позволяет использовать их в качестве бронематериалов с высокой теплозащитной функцией.
При температурах выше 1000 °С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а также выше её сопротивление ползучести и жаропрочность [10].
Особенно сильное влияние климатические факторы оказывают на полимерные композиционные материалы - под воздействием этих факторов могут существенно изменяться прочностные характеристики, что необходимо учитывать при проектировании средств бронезащи-ты.
В литературных научных источниках [6-8] выделяются различные факторы окружающей среды, имеющие влияние на физико-механические свойства композитов. Среди них наиболее значимыми считаются:
- ультрафиолетовое излучение,
- относительная влажность;
- температура окружающей среды.
Для максимально достоверной оценки климатического старения ПКМ необходимо контролировать и учитывать следующие процессы и превращения:
- сочетание температурного воздействия и механических нагрузок;
- структурную релаксацию и усадку волокон, образующих каркас из армирующего наполнителя;
- структурную релаксацию связующего;
- образование пор, микротрещин и других микродефектов в объеме связующего;
- образование поверхностных трещин, расслоений и крупных дефектов.
Контроль перечисленных превращений при экспонировании в натурных климатических условиях формирует основу для достоверного прогнозирования физико-механических свойств ПКМ в заданный период эксплуатации.
Совместное влияние факторов внешней среды в большей степени сказывается на кинетике изменения свойств композиционных материалов, чем их отдельное воздействие. Причины и закономерности изменения свойств композитов при совместном воздействии факторов окружающей среды остаются в настоящее время до конца не изученными. Например, совместное воздействие ультрафиолетового излучения и конденсации приводит к увеличению модуля упругости эпоксидных композитов, а совместное действие солнечного излучения и кислотных дождей синергично ускоряет разрушение полипропилен-тальковых композитов.
Одним из самых распространенных видов арамидных тканей является «Кевлар». «Кевлар» - это пара-арамидное волокно желтоватого цвета, обладающее очень высокой прочностью. Прочность на разрыв до 360 кг/мм2. Искусственный аналог приближенный к паутине, или хотя бы созданный при попытках воспроизвести подобный материал. Прочность на разрыв в 3 раза выше прочной стали при той же толщине. Но удельный вес стали в пять раз выше, следовательно, при одном и том же весе материалов, кевлар будет в 15 раз прочнее. Спектр применения очень велик. Физико-механические свойства ткани представлены в табл. 3.
Таблица 3
Технические характеристики пара-арамидной ткани «Кевлар»_
Поверхностная плотность, г/м3 Число нитей на 10 см, основа/уток Разрывная нагрузка, Н, полосы 25х100 мм, основа/уток Удлинение полосы 25х100 мм, % основа/уток Обобщенный коэффициент свойств ткани Кое
255 110/110 3700/3700 5,5/3,5 912
Этот материал сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (-196 °С), более того, при низких температурах он даже становится чуть прочнее.
При нагреве кевлар не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430.480 °С). Температура разложения зависит от скорости нагрева и продолжительности воздействия температуры. При повышенных температурах (более 150 °С) прочность кевлара уменьшается с течением времени. Например, при температуре 160 °С прочность на разрыв уменьшается на 10.20 % после 500 часов. При 250 °С кевлар теряет 50 % своей прочности за 70 часов [10].
Также это относится и к другим материалам - броневые сталям, керамике и, соответственно, к композитным бронематериалам. Это представляет интерес для дальнейших исследований.
Заключение. Таким образом климатические факторы окружающей среды, такие как температура, влажность, агрессивность среды и др. оказывают существенное влияние на физико-механические свойства бронематериалов.
В условиях длительного хранения и эксплуатации бронетехники, средств индивидуальной защиты следует учитывать климатические условия их эксплуатации и включать негативный эффект от воздействий это при проектировании и конструировании новых изделий.
Список литературы
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // 80 лет. Авиационные материалы и технологии (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»), 2012. 21 с.
2. Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В. Материалы и структуры легкой бронезащиты: учебное пособие // Москва: Изд-во МГТУ им. Баумана Н.Э, 2014. 191 с.
3. Беспалов И.А., Алексеев М.О., Купрюнин Д.Г. Легкие защитные структуры. М.: РадиоСофт, 2017. 368 с.
4. Бабинец А.А., Рябцев И.А и др. Материалы для индивидуальной защиты (обзор) // Автоматическая сварка, №8. 2018. С. 45-50.
5. Мыльников В.В., Романов А.Д. и др. Анализ материалов и их свойств, применяемых для средств индивидуальной бронезащиты // Технические науки, 2014. №9. С. 143147.
6. Каблов Е.Н. Старцев О.В. Фундаметальные и прикладные исследования коррозии и старения материалов в климатических условиях (обзор) // Авиационные материалы и технологии, 2015. №4. С. 38-52.
7. Лаптев А.Б., Барботько С.Л и др. Основные направления исследований сохраняемости свойств материалов под воздействие климатических и эксплуатационных факторов // Авиационные материалы и технологии, 2017. С. 547-561.
8. Луценко А.Н., Славин А.В. и др. Прочностные испытания и исследования авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии, 2017. С. 547-561.
9. Каблов Е.Н. Старцев О.В. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционнных материалов по данным отечественных и зарубежных источников (обзор) // Авиационные материалы и технологии, 2018. №2(51). С. 47-58.
10.Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение: учебник для вузов. Изд. 4-е, пере-раб. и доп. СПб.: Химиздат, 2007. 784 с.
Шевченко Ярослав Владимирович, канд. технических наук, начальник научно-исследовательского испытательного отдела 38-го НИИЦБТ, yarik555@list.ru, Россия, Москва, ФГКУ 3-й ЦНИИ МО РФ,
Смелик Анатолий Анатольевич, начальник 2 испытательной лаборатории, yarik555@list.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ«ЭРА»,
Окунев Виталий Александрович, старший научный сотрудник, yarik555@,list.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»,
Баталов Павел Владиславович, магистр, оператор, batalov.pav@yandex.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»,
Попков Никита Богданович, магистр, оператор оператор, yarik555@list.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»
EVALUATION OF THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ARMORED MATERIALS UNDER THE CONDITIONS OF THE IMPACT OF ENVIRONMENTAL CLIMATE
FACTORS
A.A. Smelyk, V.A. Okunev, Y. V. Shevchenko, P.V. Batalov, N.B. Popkov
The questions of the influence of climatic factors of the environment on the physical and mechanical properties of the used armored materials are considered. The relevance of the research is substantiated, the classification of modern armored materials is presented, the physical and mechanical characteristics of armored materials are assessed under the influence of climatic environmental factors.
Key words: personal protective equipment, armored and armed vehicles, climatic factors, physical and mechanical properties, armored materials
Shevchenko Yaroslav Vladimirovich, candidate of technical sciences, head of the research and testing department of the 38th, yarik555@list.ru, Russia Moscow, Institution of the Third Central Research Institute of the Ministry of Defense of the Russian Federation,
Smelik Anatoly Anatolievich, head of testing laboratory 2, yarik555@list.ru, Russia, Anapa, FGAU«MIT «ERA»,
Okunev Vitaly Alexandrovich, senior researcher, yarik555@list.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Batalov Pavel Vladislavovich, master, operator, batalov.pav@yandex.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Popkov Nikita Bogdanovich, master, operator, yarik555@list.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
