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坦克材料系列 VIII —— 裝甲鋼與飛機(jī)起落架用鋼

2022-04-24 15:49:45 作者：三分鐘白話材料來源：三分鐘白話材料分享至：

裝甲鋼經(jīng)過100多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為坦克裝甲車輛的主干防護(hù)、結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于制造坦克裝甲車輛車體和炮塔以及披掛裝甲，在坦克和裝甲車輛上它既是一種結(jié)構(gòu)材料同時也是防護(hù)材料。統(tǒng)計(jì)表明，即使一輛采用復(fù)合裝甲的坦克中，裝甲鋼的質(zhì)量也約占整個復(fù)合裝甲的60~80%，其空間約占復(fù)合裝甲板的35~50%。到目前為止，因其經(jīng)濟(jì)實(shí)用、容易制造，鋼還是裝甲及至整個坦克的最基本的制造材料。

圖 1 鋼與玻璃纖維組成的復(fù)合裝甲

本文從裝甲鋼的實(shí)用需求出發(fā)，映射到鋼鐵材料的力學(xué)機(jī)械性能，簡單介紹現(xiàn)代鋼鐵制造技術(shù)如何生產(chǎn)出上述力學(xué)性能的裝甲鋼，之后聊一下國際共識的裝甲鋼劃類方法，各國標(biāo)準(zhǔn)及主要產(chǎn)品，重要介紹一下這個舞臺上的兩個選手，美國和瑞典及其特點(diǎn)。

另外，通過介紹您會發(fā)現(xiàn)，一部分坦克裝甲除了防彈功能外，還承擔(dān)著結(jié)構(gòu)材料的功能，映射到力學(xué)性能上與其他的一些超高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料，如飛機(jī)起落架，的需求是共通的，力學(xué)性能及加工需求的一致性決定了他們的基礎(chǔ)合金體系及生產(chǎn)工藝基本也是一致的。所以本文也重點(diǎn)討論一下裝甲鋼與飛機(jī)起落架鋼。

1. 使用性能與力學(xué)性能

2. 裝甲鋼的生產(chǎn)技術(shù)

3. 裝甲鋼的分類方法

4. 合金體系及各國標(biāo)準(zhǔn)

世界上第一輛實(shí)用型坦克，英國的M1在1916年服役時只有6毫米的均質(zhì)鋼板，但這在當(dāng)時也足以抵擋布魯士步兵的毛瑟槍。對于坦克裝甲用鋼，這輛早期的英國坦克上采用的是高硬度裝甲鋼，硬度達(dá)60OHB比普通HM要硬的多。然而實(shí)際上，這種裝甲在三十年代就被廢棄不用了。直到六十年代高硬度裝甲才被重新應(yīng)用于輕裝甲車輛，從那時起，美國、德國、法國和瑞典的一些鋼鐵公司都在生產(chǎn)這種裝甲鋼，并應(yīng)用在一些輪式裝甲車上。高硬度裝甲所以能成功使用，并不單純是由于該裝甲硬度達(dá)到540或550B，而且還具有硬度與相應(yīng)的韌性組合的綜合性能。單從質(zhì)量系數(shù)的觀點(diǎn)甚至可要求更高裝甲硬度，但是硬度非常高而韌性不足的裝甲被擊中時，容易產(chǎn)生脆裂和震碎。下面詳細(xì)聊聊裝甲鋼的使用性能與機(jī)械性能。

01 應(yīng)用性能與機(jī)械性能

裝甲首要功能是防彈，防彈性能要求，包括抗侵徹能力、抗沖擊能力和抗崩落能力。所謂抗侵徹能力是指裝甲材料抵御投射物部分進(jìn)入或完全貫穿裝甲的能力，它隨裝甲材料的硬度和彈性模量的提高而增大；抗沖擊能力指裝甲鋼在無裂紋或無斷裂條件下吸收攻擊性或較大口徑彈丸能量的能力，裝甲材料韌性高則吸收能量多；抗崩落能力指裝甲板（特別是正對彈著點(diǎn)的背面處）抗破裂、剝離及層裂的能力，它與裝甲材料的抗壓強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度有關(guān)。另外，因?yàn)樘箍伺谒约败嚿砭珊附悠囱b成，所以對鋼的焊接性有很高的要求。因此，對鋼制裝甲材料要求的特性可概括為：高硬度、高強(qiáng)度、高韌性以及良好的焊接性。

硬度、強(qiáng)度和韌性是裝甲鋼的重要機(jī)械力學(xué)性能，而抗彈性能是鋼裝甲使用性能。為了阻止穿甲彈或破甲彈侵徹裝甲，提高裝甲材料的強(qiáng)度是改善均質(zhì)裝甲抗彈性能的有效途徑。但是鋼裝甲強(qiáng)度的提高，脆裂程度也隨之增加，因此必須要由相應(yīng)的韌性來保證，這就是強(qiáng)韌化理論。

從裝甲的抗穿甲和抗破甲實(shí)驗(yàn)曲線中都能明確得出，鋼裝甲的強(qiáng)度（或硬度）對于抗彈性能影響極大。把同一種裝甲處理成不同硬度時，隨著硬度增加，抗穿甲性能的整體趨勢是隨之提高的。另外鋼裝甲的雜質(zhì)含量過高會降低它的抗彈性能。所以，鋼裝甲的發(fā)展方向歸納為“薄、硬、純”，也就是大量采用薄裝甲板、提高硬度和純凈度。這是20世紀(jì)80年代起鋼裝甲順應(yīng)多層復(fù)合裝甲應(yīng)用的需要，也是鋼裝甲本身發(fā)展的需要。目前，國外大量研究開發(fā)超高強(qiáng)度裝甲鋼，硬度可以達(dá)到500~600HB以上，通過爐外精煉，P和S的雜質(zhì)含量大幅度減少，鋼的強(qiáng)韌性進(jìn)一步完善，抗彈水平明顯提高。不同成分的鋼裝甲，硬度越高，抗彈性能越好。硬度高的裝甲，需要同樣抗彈性能的裝甲板厚度相對要小。

02 現(xiàn)代裝甲的生產(chǎn)制造

高硬度、高強(qiáng)度、高韌性以及良好的焊接性，也是現(xiàn)代高強(qiáng)度鋼的發(fā)展要求，籠統(tǒng)來說可通過下面一些技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)

1）低碳、低合金

要求高強(qiáng)度的同時，又要求高韌性，所以不能單純依靠增加合金含量的強(qiáng)化機(jī)制，需要在保證淬硬性的同時要盡可能低的合金含量，才能保證韌性及焊接性。為了保證裝甲鋼的可焊性，合金的碳當(dāng)量不能太高，一般要求碳當(dāng)量小于1，通常約為0.8。這里低碳并不是我們以前《金屬學(xué)與熱處理》教材中說的低碳鋼，中碳鋼，高碳鋼中的低碳，而是盡量降低碳含量，如原來要得到HRC45~50的硬度，需要含碳為35%~40%，而現(xiàn)代制鋼技術(shù)，可將含碳量降低到0.30%以下，其他的合金含量同理。

2）微合金化

微合金化是現(xiàn)代鋼鐵的一個重要里程碑，可實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化是很好的既增加強(qiáng)度又保證韌性的強(qiáng)化機(jī)制。另外微合金化實(shí)現(xiàn)沉淀強(qiáng)化，還可使焊接后熱影響區(qū)的強(qiáng)度不至于降低太多。

3）熱機(jī)械軋制

熱機(jī)械軋制及微合金化相互配合，熱與機(jī)械的聯(lián)合調(diào)制可實(shí)現(xiàn)細(xì)小的基體組織。

03 裝甲鋼的分類方法

通過上述介紹可知，裝甲鋼的力學(xué)性能要求為：高硬度、高強(qiáng)度、高韌性。強(qiáng)度和硬度有近似的正比關(guān)系，硬度比強(qiáng)度更易于測定，所以裝甲鋼常用硬度來區(qū)分表示。

硬度是衡量材料軟硬程度的一個性能指標(biāo)。硬度試驗(yàn)的方法較多，原理也不相同，測得的硬度值和含義也不完全一樣。最常用的是靜負(fù)荷壓入法硬度試驗(yàn)，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA,HRB,HRC）、維氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗堅(jiān)硬物體壓入的能力。而里氏硬度（HL）、肖氏硬度（HS）則屬于回跳法硬度試驗(yàn)，其值代表金屬彈性變形功的大小。

HRC和HB在生產(chǎn)中的應(yīng)用都很廣泛，按一般的介紹“布氏硬度（B）一般用于材料較軟的時候，如有色金屬、熱處理之前或退火后的鋼鐵。洛氏硬度（HRC）一般用于硬度較高的材料，如熱處理后的硬度等”，裝甲鋼屬于高強(qiáng)度，高硬度材料，如按上述介紹應(yīng)采用洛氏硬度，適用于較高硬度材料的測試（如表中HRC60約等于HBW650）。但目前國際上通用的，包括美國軍標(biāo)及各國的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)都采用布氏硬度來分類的。

表1 布氏及洛氏硬度測試方法對比

至于為什么采用布氏硬度，而沒采用洛氏，網(wǎng)上也沒有準(zhǔn)確說法，我試著猜想一下：

1）洛氏硬度用120度金剛石圓錐，洛氏硬度壓痕很小，測量值有局部性，須測數(shù)點(diǎn)求平均值；布氏硬度用10mm鋼球，壓痕面積更大，測量結(jié)果更準(zhǔn)確。

2）洛式硬度的硬度值是一無名數(shù)，沒有單位。（因此習(xí)慣稱洛式硬度為多少度是不正確的）布式硬度的硬度值有單位，且和抗拉強(qiáng)度有一定的近似關(guān)系。

3）在一定條件下，HB與HRC可以查表互換。其心算公式可大概記為：1HRC≈1/10HB?！禔STM E 140 金屬標(biāo)準(zhǔn)硬度換算表》

4）對于目前的超高強(qiáng)裝甲鋼的極限硬度，布氏硬度極限基本夠用。

表 2 洛氏（HRC）、維氏（HV）、布氏（HBW）對照表

目前，裝甲鋼等級用布氏硬度區(qū)分，一般軋制均質(zhì)裝甲鋼的硬度范圍在HBW280- 430；中硬度裝甲鋼的硬度范圍在HBW420- 480；高硬度裝甲鋼的硬度范圍在HBW480-540；超高硬度裝甲鋼的硬度范圍在HBW570-640。

一般來說，HBW500及以下的加工性都是比較好的，可以作為結(jié)構(gòu)材料使用，而HBW550以上等級，加工性，包括折彎及焊接性較差，一般只用作披掛裝甲。

04 合金體系及標(biāo)準(zhǔn)

典型使用的裝甲鋼合金系有Mn-Mo、Cr-Mo或者Ni-Cr-Mo-（V）低合金鋼。這里介紹一種常見的鋼，4340，美國AISI/ASTM鋼號，我國GB標(biāo)準(zhǔn)牌號為40CrNi2MoA，德國DIN鋼號36CrNiMo4。美國生產(chǎn)的4340鋼一般用來鑄造或軋制的厚裝甲，也被用來做標(biāo)準(zhǔn)彈道測試靶材料，評價(jià)一種材料防御性能時通常與它相比較。

表 3 AISI/ASTM4340

4340鋼是一種中碳鎳鉻鉬鋼合金，具有良好的合金基礎(chǔ)，通過合適的熱處理，可得到具有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性等性能組合的材料。具有廣泛的應(yīng)用，如重型軸，齒輪；軍用裝甲，飛機(jī)起落架等重要的應(yīng)用。

飛機(jī)起落架在降落期間承受巨大的沖擊，要求材料不但具有超高強(qiáng)度，而且高的耐沖擊韌性及抗疲勞性能，同時需要良好的加工性能，所以與坦克裝甲的高強(qiáng)度、高韌性以及良好的焊接性相類似，但抗沖擊抗疲勞要求更高，在過去一段時間，起落架主承力件采用強(qiáng)度為1580~1760 MPa級超高強(qiáng)度鋼30Cr Mn Si Ni2A, 4330M, 4340等，采用焊接方法制造。隨后相繼開發(fā)了1800~1900 MPa級的H11, D6AC, 300M等超高強(qiáng)度鋼。

通過對AISI4330的改進(jìn)，我國開發(fā)了高性能685和686裝甲鋼。在工藝性能相當(dāng)?shù)臈l件下，高性能685裝甲鋼的抗槍彈和抗炮彈性能優(yōu)于目前我國大量應(yīng)用的前蘇聯(lián)2п和43пCM裝甲鋼。在4340的基礎(chǔ)上，我國還研制了高硬度695裝甲鋼，其抗穿甲彈防護(hù)系數(shù)達(dá)到3以上。

多年來，美國、瑞典、法國及德國開發(fā)了各自應(yīng)用的高硬度裝甲鋼，雖然各家鋼各有不同，但性能-組織-成分材料三要素息息相關(guān)，共同的應(yīng)用決定了其各自的組織及成分都是類似的，所以這些裝甲鋼的成分，我們還可以找到一些4340的影子，但如本文第二節(jié)所述碳及合金含量會有所降低，會加入一些微量合金，如硼，鈮，鈦等：

德國蒂森克虜伯（thyssenkrupp）的SECURE和SECURE M系列

法國，Industeel（安賽樂米塔爾（ArcelorMittal）集團(tuán)的全資子公司），MARS系列

澳大利亞，Bisalloy鋼鐵，Protection和Armour系列

瑞典鋼鐵，SSAB公司的Armox和Ramor系列

全球高端鋼材，還是歐美和日本領(lǐng)先，但對于均質(zhì)軋制調(diào)質(zhì)鋼板來說，目前還是瑞典鋼鐵保持領(lǐng)先，下面簡單介紹一下美國及瑞典的裝甲鋼情況。

美國

美國裝甲鋼研制和生產(chǎn)與瑞典、法國和德國有所不同，它的裝甲鋼產(chǎn)品基本沒有形成系列。裝甲鋼制造商很多，生產(chǎn)的裝甲鋼產(chǎn)品也較多，但沒有系列化的品牌。

美國鋼鐵工業(yè)真正的高速發(fā)展始于19世紀(jì)60年代，伴隨著第二次工業(yè)革命的興起，美國鋼鐵工業(yè)化浪潮走向巔峰，推動了該國制造業(yè)、城鎮(zhèn)化以及綜合國力的迅猛發(fā)展，使美國崛起成為世界上綜合實(shí)力最強(qiáng)的國家，美國的鋼鐵工業(yè)稱霸世界百年之久，到20世紀(jì)60年代，隨著日本鋼鐵工業(yè)崛起以及美國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)成功轉(zhuǎn)型，美國開始將一部分傳統(tǒng)落后、相對低效的工業(yè)產(chǎn)能（包括粗鋼產(chǎn)能）轉(zhuǎn)移至日本等其他國家。

美國的裝甲鋼雖沒有系列化，但其理論體系確是最先進(jìn)的，美國是制定裝甲鋼標(biāo)準(zhǔn)最多的國家，美國軍標(biāo)中確對裝甲鋼給出非常詳細(xì)的規(guī)范，而且美國也把瑞典、法國和德國等國家的裝甲鋼與自己的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，不斷改進(jìn)裝甲鋼的標(biāo)準(zhǔn)，裝甲鋼的標(biāo)準(zhǔn)水平不斷提高，從而滿足坦克裝甲車輛發(fā)展對裝甲鋼的需求。自己生產(chǎn)雖不領(lǐng)先，是因?yàn)橐苯鹨巡皇瞧浣?jīng)濟(jì)重點(diǎn)，但其材料理論及防彈應(yīng)用理論絕對是領(lǐng)先的，因此美國坦克M1A1的防彈水平也是全球領(lǐng)先。

美國目前已形成以

MIL-DTL-12560《軋制均質(zhì)裝甲鋼板軍用規(guī)范》

MIL-DTL- 46100《高硬度裝甲鋼板軍用規(guī)范》

MIL-DTL-32332《超高硬度軋制裝甲鋼板軍用規(guī)范》為主的裝甲鋼標(biāo)準(zhǔn)系列。

另外還制定了

MIL-A- 46099《軋制結(jié)合雙硬度裝甲鋼板軍用規(guī)范》、

MIL-PRF-32269《鑿孔均質(zhì)鋼裝甲軍用規(guī)范》、

MIL-DTL- 46193《控軋變形高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)裝甲鋼板軍用規(guī)范》和

MIL-A-11356《戰(zhàn)車型鑄造均質(zhì)裝甲鋼軍用規(guī)范》等。

瑞典

提到瑞典，最有名的應(yīng)該是諾貝爾。人口不到千萬，最大的鋼鐵公司SSAB在瑞典應(yīng)該相當(dāng)于我國寶武的位置，產(chǎn)量也不到千萬噸，這產(chǎn)量在國內(nèi)還不如一個民營鋼鐵公司，但瑞典本國的鐵礦儲藏較多，LKAB是歐洲最大的鐵礦石生產(chǎn)商，所以瑞典鋼鐵公司絕對是本國的主要經(jīng)濟(jì)支柱之一。

瑞典鋼鐵公司對自己的優(yōu)劣有清晰的認(rèn)識，深耕調(diào)質(zhì)軋制鋼板幾十年，形成了自己高強(qiáng)、耐磨、防彈全系列的產(chǎn)品體系，目前在調(diào)質(zhì)軋制高強(qiáng)鋼生產(chǎn)領(lǐng)域絕對是領(lǐng)先地位。生產(chǎn)的裝甲鋼板主要有Armox和Ramor系列，Armox裝甲鋼主要用于中口徑和大口徑彈藥的防護(hù)；Ramor為軍民兩用裝甲鋼。

Armox裝甲鋼包括Armox 370T（Class1、2）、Armox 440T、Armox 500T、Armox 600T和Armox Advance。Armox裝甲鋼都為細(xì)晶鋼，主要合金元素為Mn、Ni、Cr、Mo、Si等，C含量在0.21～0.47之間。不建議進(jìn)一步熱處理。

Armox 370T 1級具有優(yōu)良的高韌性和抗侵徹性能，硬度范圍為HBW 300～430；Armox 370T 2級具有優(yōu)良的抗沖擊性能和韌性，硬度范圍為280～330HBW；韌性突出，底板防雷。

Armox 440T具有優(yōu)秀的抗侵徹性能和抗沖擊性能，硬度范圍為420～480HBW；性能平衡，加工性好，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。

Armox 500T具有很高的韌性和高硬度，硬度范圍為480～540HBW；具有相對好的加工性，適用于殼體的結(jié)構(gòu)裝甲件。

Armox 600T具有很好抗侵徹性能和超高硬度，硬度范圍為570～640HBW，適合用于披掛防護(hù)或質(zhì)量要求比較苛刻的場合；

Armox Advance為瑞典最高性能的裝甲鋼，硬度范圍為58～63HRC，目前某些性能數(shù)據(jù)還在保密狀態(tài)如強(qiáng)度、韌性、抗彈性能等。

表 4 Armox 500T化學(xué)成分