Влияние демпфирующих свойств сплавов на пулестойкость Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Материаловедение

УДК 623.451

ВЛИЯНИЕ ДЕМПФИРУЮЩИХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ НА ПУЛЕСТОЙКОСТЬ

С.Е. Алексенцева, И.В. Захаров

Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Рассмотрены процессы формирования ударных волн при выстреле и изменение интенсивности ударных волн. Выявлено влияние ударно-волнового эффекта при соударении пули c преградой и демпфирующей способности материала преграды на пулестойкость конструкции.

Ключевые слова: пулестойкость, демпфирование, броня, давление соударения, сквозное пробитие, ударные волны, огнестрельное оружие.

Разработка конструкции бронепреграды базируется на определении пулестойко-сти как способности преграды противостоять сквозному пробитию пулями и отсутствии при этом опасных для человека вторичных поражающих элементов (ГОСТ Р 51112-97 «Средства защитные банковские. Требования по пулестойкости и методы испытаний»). В данном понятии пулестойкости опасными вторичными элементами могут быть не только вторичное осколочное поле за броней, но и запреградное действие ударной волны, способной нанести динамический удар человеку и привести к заброневой травме, а также произвести останавливающее тактическое действие. Считается, что минимально необходимая характеристика убойного действия пули по живым целям без защитных средств - это кинетическая энергия около 30 Дж [1, 5]. Поэтому конструкция бронепреграды должна снижать запреградное действие ударных волн и оказывать демпфирующее действие за счет включения конструктивных элементов из специальных материалов или сплавов. В наибольшей степени это относится к индивидуальным средствам защиты, особенно для средств защиты 1-го и 2-го класса типа «мягкой» брони.

Международная классификация огнестрельного оружия включает большое разнообразие образцов стрелкового оружия, соответствующих по баллистическим характеристикам 1-му и 2-му классу защиты с диапазоном скоростей удара в интервале от 280 до 410 м/с (табл. 1).

Процесс соударения пули огнестрельного оружия с преградой характеризуется рядом параметров - прочностными и геометрическими характеристиками преграды и ударника, скоростью и углом соударения и др. Для оценки динамики ударного взаимодействия ударника с преградой необходимо учитывать их конструкцию и форму [1]; температурные поля, вязкость и пластические свойства материала пре-

Светлана Евгеньевна Алексеенцева (к.ф.-м.н., доц.), доцент. Игорь Владиславович Захаров, инженер.

грады; распространение упругих, пластических и ударных волн; формирование областей деформирования и протекание процессов разрушения [2].

Т а б л и ц а 1

Баллистическая таблица средств поражения

Тип оружия Калибр и тип пули Начальная скорость, м/с Масса пули, г Класс защиты

Малокалиберная винтовка 5.6 БО 310 2.б

Револьвер «Наган» 7.62, свинец БО 280 7.2

Пистолет Макарова 9.0 ОБ/ПС 310 б.2 1

Пистолет «Вальтер-Олимпия» 22 LRHV Lead / 5.6 БО 320 2.б

Револьвер «Смит и Вессон» 38 SpRN Lead 259 10.2

Пистолет ПСМ 5.45, сталь ОБ/ПС 315 2.б

Пистолет АПС 9.0 сталь ОБ/ПС 340 б.0 2

Пистолет ТТ 7.62, сталь ОБ/ПС 420 5.б

Пистолет «Парабеллум» 9.0 Para FMJ / 9.0 ОБ 410 8.0

Пистолет-пулемет и21 9.0 Para FMJ / 9.0 ОБ 410 8.0

Примечание: ОБ - оболочечная свинцовая пуля, БО - свинцовая пуля без оболочки, ОБ/ПС - оболочечная пуля с простым стальным сердечником.

Модели взаимодействия пули с преградой в основном имеют целью выявить зависимости глубины пробития преграды от параметров преграды и пули. Дальнейшее создание пулестойких преград, обеспечивающих минимальное запреградное действие, нуждается в направленном детальном исследовании различных аспектов соударения, исследовании картины образования волн при полете пули и соударении пули с преградой.

Проведены сопутствующие экспериментальные исследования интенсивности воздушных ударных волн, их воздействия на преграду и за преградой.

Раскадровка полета пули оружия, соответствующего по баллистическим параметрам 1-му или 2-му классу защиты, а также образования ею ударных волн опубликована по материалам журнала Guns ad Ammo [4]. Различные этапы процесса сняты американскими исследователями Л. Уокером и Д. Шенком с выдержками в полмиллионную долю секунды. Выстрел произведен из револьвера «Смит и Вессон», модель 29-го калибра со стволом Mag-Na-Ported длиной 63.5 мм, патрон .44 «магнум». Баллистические параметры выстрела даны в табл. 1. Открытая конструкция револьвера позволяет наблюдать выброс пороховых газов из дула и из зазора барабана.

Опережающие пулю пороховые газы, прорвавшиеся в зазор между пулей и стволом, формируют слабую ударную волну (рис. 1, поз. 5) в виде небольшой полусферы с проекцией на плоскость около десятка поперечников ствола.

Как видно из рис. 1, при вылете за дульный срез ствола около 5 см пуля 2 еще толкается в донце и разгоняется избыточными пороховыми газами, вырвавшимися из ствола 1. Максимальное давление пороховых газов в канале короткоствольного оружия небольшое - для пистолета ПМ составляет 120 МПа. Так, перед пулей сформирована расширением пороховых газов, образовавшихся из сгоревшего основного порохового заряда гильзы, главная полусферическая ударная волна 3 диаметром в проекции около 10-12 см и практически слитая с ней вторичная волна 4, образованная оставшимся пороховым давлением за пулей.

Р и с. 1. Формирование ударных волн пороховыми газами:

1 - ствол оружия, 2 - пуля, 3, 4 и 5 - соответственно главная, вторичная, опережающая ударные волны

Таким образом, три ударные волны, образованные выбросами пороховых газов и практически слитые вместе, распространяются перед пулей, но их интенсивность в зависимости от расстояния неравнозначна и быстро падает, что хорошо видно из кадров уже на расстоянии 10 см от ствола и далее.

При удалении пули на расстояние примерно 1 м от среза ствола (рис. 2) пуля 2 выходит из облака пороховых газов и обгоняет их, при этом формируя собственную ударную волну 1, охватывающую ее в виде конуса. Максимальное давление ударной волны достигается на расстоянии 2.5 м от дульного среза. Далее с расстоянием волна сходит на ноль (по амплитуде, давлению, скорости).

Р и с. 2. Формирование собственной ударной волны пули:

1 - собственная ударная волна, 2 - пуля

Собственная ударная волна пули имеет максимальное давление на расстоянии 23 м от дульного среза оружия и начинает также значительно терять интенсивность непосредственно за интервалом стабильного скоростного режима - около 5 м за дульным срезом ствола.

Экспериментально оценивалось давление воздушных ударных волн за преградой при выстреле с дистанции 5 м пулями ПСТ из пистолета Макарова через отверстие в броне на инерционно-пневматическом устройстве ИЦ «Самара», оно имеет значение менее 1 атм.

Целесообразно рассчитать давление соударения пули с преградами, определяющее пулестойкость преград и запреградное действие пули.

Удар пули со стальным сердечником о сталь можно считать соударением тел из двух одинаковых материалов. Для данных пар соударений из одинаковых металлов скорость движения границы раздела «ударник - мишень» и равна половине значения скорости встречи ударника с мишенью. Между скоростью фронта ударной волны В в мишени и скоростью частиц за фронтом ударной волны по методу торможения существует зависимость [3] В = с0 + Ли, где с0 и X - эмпирические константы.

Давление соударения р2 и волновые скорости связаны зависимостью р2 = р и В, где р - плотность материала мишени.

Таким образом, в момент удара пули ПСТ пистолета ПМ со сталью средней прочности давление соударения составляет 4.7 ГПа. При этом в стальной преграде возникает ударная волна, распространяющаяся со скоростью 4037 м/с. Давления соударения со сплавами из алюминия, титана, никеля имеют значения на порядок ниже [3].

Несмотря на невысокие скорости и малые массы пули для рассматриваемых классов оружия кинетическая энергия пули в соответствии с табл. 1 лежит в интервале от 125 Дж (малокалиберная винтовка) до 670 Дж (пистолет «Парабеллум» и и21), давления соударения значительно превышают предел текучести используемых материалов бронепреград и соударение является неупругим. Так как соударение происходит в локальной зоне, а ударные волны, возникающие при соударении, распространяются под разными углами в преграде и за преградой, то может реализоваться демпфирование в различных областях материала преграды.

Основной задачей приведенных далее экспериментов было определить способность жестких броневставок из различных сплавов снижать запреградный эффект, а также попытаться определить меру зависимости данной способности от декремента затухания колебаний.

В литературных источниках не выявлено данных об очень высоких значениях амплитуд напряжений, таких, какие возникают при соударении пуль стрелкового оружия с преградами. Имеются данные о повышении способности некоторых классов материалов и сплавов к рассеиванию энергии динамических воздействий с напряжениями в несколько сотен МПа, за которым нивелируется дальнейшее увеличение способности к рассеянию энергии колебаний в зависимости от роста напряжений [6]. Время взаимодействия пули с преградой (до нескольких миллисекунд) дает возможность проявить демпфирующую способность материалов преграды и внести вклад в пулестойкость конструкции в целом.

Так, проведены эксперименты по определению демпфирующей способности бронепакетов с точки зрения снижения запреградного эффекта. Конструкция пакета включает многослойную «мягкую» броню из баллистической ткани 1-го класса защиты с броневставкой из различных сплавов металлов. Обстрел брони производился с расстояния 5 м из пистолета ПМ оболочечными пулями со стальным сердечником ПСТ. В экспериментах в направлении от дульного среза ствола по линии прицеливания в качестве лицевого слоя в пакете располагался жесткий металлический лист, затем - «мягкая» броня. Имитатор мягких тканей - пластилиновый блок, укрепленный непосредственно за бронепакетом. Доказательством наличия значительного за-

преградного эффекта «мягкой» брони является исходный эксперимент по обстрелу «мягкой» брони 1-го класса без жесткой вставки, в результате которого после обстрела пулями из пистолета Макарова по нормали в имитаторе образуется воронка глубиной 20-25 мм и диаметром около 40-50 мм, причем «мягкая» броня в целом не имеет сквозного пробития. Данный объем воронки принят как 100 % заброневого эффекта в данной серии экспериментов.

Демпфирующие свойства сплавов оценивались по группам. Первая группа сплавов, которая использовалась в экспериментах в качестве жесткой броневставки, - это стали: конструкционная строительная Ст.3, нержавеющая 17Х18Н9, сталь 25 + инструментальная Х6ВФ.

Конструкционная строительная сталь Ст.3 широко используется в конструкциях стационарных защитных сооружений, является легко свариваемой, удобной для монтажа конструкций. Ст.3 имеет в составе 0.2 % С, 0.2 % Si, 0.5 % Мп. Механические свойства: предел прочности оВ = 450 МПа, предел текучести оТ = 250 МПа, относительное удлинение 30 %, ударная вязкость ан = 78 Дж/см2 [7] .

Коррозионно-стойкая сталь аустенитного класса 17Х18Н9 за счет высокого содержания никеля обладает высокими вязкопластическими характеристиками. Сплавы с большим содержанием никеля - одни из наиболее стойких к ударным нагрузкам. В состав 17Х18Н9 входят 0.13-0.21 % С, 17-19 % Si, 1-2 % Мп, 8-10 % №. Механические свойства проката: предел прочности оВ = 588 МПа, предел текучести о0.2 = 210 МПа, относительное удлинение 35 %.

Пакет из стали Х6ВФ и стали 25 сформирован с целью обеспечить рассеяние энергии на лицевом твердом слое (сталь Х6ВФ) и прочность при взаимодействии со следующим слоем (сталь 25). Инструментальная сталь Х6ВФ имеет высокую прочность, твердость. Х6ВФ включает 1.05-1.14 % С, 5.5-7 % Сг, 1.1-1.5 % W, 0.5-0.7 % V, имеет механические свойства: предел прочности оВ = 880 МПа, ударная вязкость КСи = 90 Дж/см2, твердость 59 HRCЭ.

Сталь 25 обеспечивает необходимую прочность и пластичность (предел прочности оВ = 470 МПа, относительное удлинение 23 %, ударная вязкость КСи = 49 Дж/см2, твердость 143-179 НВ), имеет в составе 0.25-0.3 % С, 0.25 % Сг, 0.170.37 % Si, 0.5-0.8 % Мп. Результаты приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а 2

Результаты обстрела бронепакета со стальной жесткой вставкой пулями ПСТ из ПМ

Марка стали Толщина листа, мм Характер поражения Запреградный эффект, % Логарифмический декремент затухания 5, %

Ст.3 2.4 Сквозное пробитие 6-9 0.5-1.2

17Х18Н9 2.5 60% непробитие 0 0.25-2

Х6ВФ + 0.5 Разрушение -

Сталь 25 2 Непробитие 0 0.2-0.7

Из табл. 2 видно, что в меньшей степени снижает запреградное действие низкопрочная сталь Ст.3, несмотря на большую толщину. Логарифмический декремент затухания колебаний для всех сплавов, определенный по данным [6], взят для поперечных или изгибных колебаний, которые имеют место при взаимодействии с пулей.

В целом ферромагнитные стали с увеличением концентрации углерода (с 0.15 % С) снижают внутреннее трение. Для стали Х6ВФ предположительно имеется невысокий декремент затухания, так как высокотемпературная обработка до получения высокой твердости обычно приводит к значительному снижению декремента до долей процента [6].

Демпфирующие свойства сплавов на основе алюминия используются в различных аппаратах, работающих в условиях повышенной вибрационной нагрузки, ударов, циклических изменений температуры. В сплавах, содержащих 35-45 % 2п, наблюдается наиболее высокое демпфирование (декремент затухания 7-10 %). В экспериментах в качестве броневставок применялись конструкционные алюминиевые сплавы: деформируемый АД31, высокопрочный В95.

Алюминиевый деформируемый сплав АД31 имеет в составе <0.5 % Fe, 0.30.7 % Si, <0.15 % Т^ <0.1 % Си, 0.4-0.9 % Mg, <0.2 % 2п. Механические свойства проката: предел прочности оВ = 250 МПа, предел текучести оТ = 210 МПа, относительное удлинение 13 %.

Высокопрочный алюминиевый сплав В95 включает 5-7 % 2п, 1.8-2.8 % Mg, 1.42 % Си, 0.1-0.25 % Сг. Листовой В95 имеет предел прочности 500 МПа, технический предел текучести 450 МПа, относительное удлинение 12 %. Результаты испытаний даны в табл. 3.

Т а б л и ц а 3

Результаты обстрела бронепакета с алюминиевой вставкой пулями ПСТ из ПМ

Марка сплава Толщина Характер Запреградный Логарифмический дек-

алюминия листа, мм поражения эффект, % ремент затухания 5, %

АД31 4 Сквозное пробитие 15 1-1.2

В95 4.5 80% сквозное пробитие 0 0.2-0.4

В95 + 2 Сквозное пробитие 5-6 0.2-0.4

АД31 2 1-1.2

Более высокие демпфирующие показатели наблюдаются у сплавов алюминия с содержанием Т^ Fe и более низкие с цинком и магнием [6]. Для данных сплавов прочность и толщина преграды дают более значительный эффект в снижении запре-градного действия ударной волны.

Конструкционные титановые сплавы широко используются в качестве индивидуальных средств бронезащиты, так как обладают малым удельным весом и высокими показателями вязкости разрушения, прочности и пластичности. В экспериментах применялись сплавы ВТ9 и ВТ20.

Титановый сплав ВТ9 содержит в составе: 5.8-7 % А1, 2.8-3.8 % Мо, 0.2-0.36 % Si, 0.8-2.5 % 2г, имеет механические свойства: предел прочности оВ = 1200 МПа, относительное удлинение 6 %, относительное сужение 20 %, ударная вязкость ан = 0.3 МДж/м2 .

Сплав ВТ20 включает в состав 5.5-7 % А1, 0.5-2 % Мо, 0.8-1.8 % V, 1.5-2.5 % 2г. Механические свойства: предел прочности оВ = 932-1128 МПа, предел текучести о0.2 = 834 МПа, относительное удлинение 10 %, относительное сужение 25 %, ударная вязкость ан = 0.5 МДж/м2. Результаты испытаний на способность снижать запре-градный эффект приведены в табл. 4.

Результаты обстрела бронепакета со вставкой из титановых и никелевого сплавов

пулями ПСТ из ПМ

Марка сплава Толщина листа, мм Характер поражения Запреградный эффект, %

ВТ9 2 Сквозное пробитие 0

3 Непробитие 0

ВТ20 2 Сквозное пробитие 3-5

ХН77ТЮР 2 Непробитие 0

Декремент затухания титановых сплавов ВТ9 и ВТ 20 не исследовался, но в целом титановые сплавы имеют невысокое его значение - до 0.13 % в чистом титане при изгибных напряжениях, которое снижается при повышении легирующих компонентов, таких как молибден и алюминий. Для сплавов с обратимым мартенситом значение декремента может повышаться на порядок и более.

Из табл. 2-4 видно, что пробитие преграды и снижение запреградного действия не коррелируют, так как и при пробитии жесткого листа может быть обеспечена защита от запреградного волнового воздействия.

Сплавами с высокодемпфирующими свойствами являются сплавы магния и сплавы, имеющие марганцево-медные и никель-кобальтовые составляющие (логарифмический декремент затухания ~25 % у сплава НИВКО-10 с 72 % Со и 23 % №). При условии равенства у конструкционных материалов таких характеристик, как предел прочности, предел текучести и др., данные сплавы лучше показывают себя в условиях ударного нагружения: снижается чувствительность к локальным повреждениям, резко падает напряжение от ударного нагружения. Никель-титановые сплавы могут достигать значений логарифмического декремента затухания колебаний 10-15 % [6].

Никелевый жаропрочный сплав ХН77ТЮР имеет высокие прочностные и вязкопластические характеристики, содержит в составе 19-22 % Сг, 2.3-2.7 % Т^ 0.550.95 % А1, 4.0 % Fe, 0.06 % С, <0.01 % Се, механические свойства: предел прочности оВ = 980 МПа, предел текучести о0.2 = 640 МПа, относительное удлинение 20 %, ударная вязкость КСи = 49 Дж/см2. За счет содержания титана данные сплавы являются дисперсионно твердеющими. Испытания сплава ХН77ТЮР в качестве вставки в бронепакете, как видно из табл. 4, выявляют высокие показатели как по пробитию, так и по снижению запреградного действия пули ПСТ пистолета Макарова. Логарифмический декремент затухания данного сплава повышается с повышением температуры и достигает при 600 0С около 4 % и выше. Испытания на пулестойкость данного сплава в качестве самостоятельной брони также демонстрируют неплохие показатели снижения запреградного эффекта (около 5 % в сравнении с «мягкой» броней).

В представленной работе сделан анализ процесса формирования ударных волн при выстреле пули из стрелкового оружия, соответствующего 1-му классу по баллистической таблице, и дана оценка ударно-волнового воздействия на бронепреграду. Сделан расчет давления соударения пули для данного типа оружия с преградами из сталей. При анализе степени влияния демпфирующей способности сплавов на пуле-стойкость (при равенстве толщин преград) выявлено, что конкурирующими процес-

сами являются прочность и способность сплавов гасить колебания. Максимальное снижение запреградного эффекта при минимальной толщине бронепреграды возможно при высоких прочностных характеристиках и высоких значениях декремента затухания колебаний - это высокопрочные сплавы и стали с высоким содержанием демпфирующих элементов. Результаты экспериментального исследования способности материалов бронепреграды к снижению запреградного эффекта при выстреле пулями ПСТ пистолета Макарова используются при разработке индивидуальной брони 1-го и 2-го класса защиты.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Калашников В.В., Алексенцева С.Е. Исследование влияния конструкции пули на процесс пробивания стальной преграды // Вестник СамГТУ, Сер. Технические науки. Самара. - №2 (24), 2009. -С. 99-104.

2. Lambert J.P. Ballistic Research Laboratory, ARBRL - MP-02828 (AD B027660 L), 1978.

3. ОрленкоЛ.П. Физика взрыва и удара. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 304 с.

4. Холмогорова Н. Пока моргнет глаз // Оружие. - №3. - 1997. - С. 38-39.

5. Данилин Г.А., Огородников В.П., Заволокин А.Б. Основы проектирования патронов к стрелковому оружию. - СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2005. - 374 с.

6. Фавстов Ю.К., Шульга Ю.Н., Рахштадт А.Г. Металловедение высокодемпфирующих сплавов. -М.: Металлургия, 1980. - 272 с.

7. ГуляевА.П. Металловедение. - М.: Металловедение, 1986. - 544 с.

Статья поступила в редакцию 8 сентября 2011 г.

INFLUENCE OF DAMPING PROPERTIES OF ALLOYS ON ULLET-PROOFNESS

S.E. Aleksentseva, I. V. Zacharov

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

The processes offorming of shock waves at a shot and passing of bullet with supersonic speed and change of intensity of shock waves are considered. The role of shock-wave effect in bulletproofness of construction is shown by bullet hitting a barrier. Influence of damping capacity of material of barrier is educed on bullet-proofness.

Keywords: bullet-proof, damping, armour, collision pressure, through punching, shock waves, firearm weapon.

Svetlana E. Aleksentseva (Ph.D. (Phys.& Math.)), Associate professor. Igor V. Zacharov, Engineer.