Zırh delici hafif silah mühimmatına dayanıklı kompozit zırh geliştirilmesi
Development of composite armour resistant to armour piercing small arms ammunition
Yazar: AHMET ÖZTEMÜR
Danışman: PROF. DR. KENAN GENEL
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Tasarım ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İnsanların yaşama içgüdüsü sebebi ile dış etkenlerden korunma ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Zaman içerisinde çeşitli malzemeler ile kendilerini dış tehditlere karşı korumaya çalışmışlardır. Bu malzemeler insanlığın bilimsel ve teknolojik seviyelerine paralel hatta onun önünde gelişim sağlamıştır. Çünkü yaşama içgüdüsü insanları kendilerini koruyacak yeni, etkili ve güvenli malzemeler araştırmaya ve geliştirmeye sevk etmiştir. Deri, tahta, taş gibi malzemelerle başlan süreç zaman içerisinde metallerin keşfi ile bakır, pirinç, demir ve çelik olarak gelişmiştir. Günümüz dünyasında zırh teknolojisinde seramik malzemeler, kompozit malzemeler ve alaşım çelikler önemli bir yer tutmaktadır. Çelik malzemeler zırh yapımında en büyük paya sahip olmaya devam etmektedir. 
Bunun yanında kompozit malzemeler farklı malzemelerin olumlu yanlarını bir araya getirerek hepsinden daha verimli bir malzeme geliştirmeyi hedeflemektedir. Özellikle insanların kişisel korunmalarında seramik ve kompozit malzemeler hafiflikleri sebebi ile en büyük paya sahiptir. Örneğin kevlar benzeri elyaflar hem balistik korumada hem de iş sağlığı ve güvenliği alanında yoğun olarak kullanılmaktadır. Özellikle askeri personelin kişisel korumasında çelik levhalara göre ağırlığının düşük ve hareket kısıtlamasının daha az olması muharebe sahasında çok önemli avantajlar oluşturmaktadır. Üretim maliyetlerinin yüksek olmasına rağmen avantajlarının fazlalığı sebebi ile yoğun kullanımı devam etmektedir. 
Bu çalışmada, farklı malzemelerden oluşan kompozit zırhın performansının sadece çelik malzemelerin yapıştırılması ile elde edilen kompozit zırh arasındaki farklılıklarının araştırılması hedeflenmiştir. Kompozit zırh 3 elemanlı ve 4 katmanlı olarak tasarlanmıştır. Kullanılan malzemeler özel işlem gerektirmeyen piyasadan hazır olarak temin edilebilen ürünlerden seçilmiştir. Ön ve arka katmanda piyasada serleştirilmiş olarak satılan Ck75 çelik sac, birinci ara katmanda Al 7075 sac ve ikinci ara katmanda yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) malzemeler kullanılmıştır. 
Kullanılan çelik sacın nispeten yüksek sertliğinin yanında tokluğunun da yüksek olması merminin ve çelik çekirdeğin malzemeyi kesme ve eğilmeye zorlayarak enerjisini sönümlemesine olanak tanıyacaktır. Çelik malzeme 1245 MPa ortalama akma mukavemetine sahiptir. Malzemenin ortalama sertliği 42 HRC olarak ölçülmüştür.
Al 7075 malzeme T6 ısıl işlem kalitesinde olup alüminyumlar içerisinde yüksek mukavemet ve orta tokluk değerleri içerisinde öne çıkmaktadır. Bu malzemenin amacı çeliğe göre yüksek olan tokluğu ile merminin enerjisini sönümlemeye yardımcı olmaktır. Bunun yanında sertliği ile de mermiyi durdurmaya destek olacaktır. Alüminyum malzeme 470 MPa ortalama akma mukavemetine sahiptir.
HDPE özgül ağırlığının düşük darbelere direncinin yüksek olması sebebi ile zırhta sönümleme elemanı görevini üstlenmektedir. 
Malzemelerin yapıştırılması için epoksi yapıştırıcı tercih edilmiştir. Seçilen epoksi yapıştırıcı darbe anında katmanları bir arada tutacak kadar mukavemetli aynı zamanda eğilme esnasında malzemelerle beraber esneyecek yapıda olacak şekilde seçilmiştir.
Testlerde kullanılacak zırh delici mühimmat 7,62 mmx51 M61 fişeğidir. Bu fişek 7.62 mmx51 piyade tüfeklerinde ve makineli tüfeklerde kullanılmakta olup hafif zırhlı hedeflere atılmaktadır. Bu mühimmatın mermisi FMJ (Full Metal Jacket, Tam Metal Gömlekli) tipindedir. Bakır veya yumuşak çelikten dış gömleğin içerisine kurşun gömlekli sertleştirilmiş çelik çekirdek bulunmaktadır. Çelik çekirdeğin zırh delme kabiliyetini arttırmak için ucu sivridir. 
Hazırlanan zırhların başarılı sayılabilmesi için çelik çekirdeğin zırhı sıfırdan yüksek bir hızla terk etmesi gerekmektedir. Bu nedenle bir kısmı delinen, hatta tamamını delinen zırhlar mermi zırhı terk etmedi ise başarılı sayılmışlardır. Askeri şartnamelerde de başarı kriteri bu şekildedir.
İlk deney olarak Ck75 saclar farklı kalınlıklarda yapıştırılarak hangi kalınlıkta mermiyi durdurabildiği test edilmiştir. Burada 15 mm kalınlıktan başlanarak 1 mm azaltma ile testler yapılmıştır. 11 mm kalınlığındaki zırh çelik çekirdeği durdurmuş 10 mm kalınlığındaki zırh delinmiştir. Bu sebeple çelik zırh için 11 mm referans alınmıştır. Bu durumda zırhın alan yoğunluğu 8,58 g/cm2 olarak hesaplanmıştır.
Daha sonra 4 katmanlı kompozit yapılarla 3 farklı deney setleri hazırlanmıştır. Bu deney setlerinde ön katman birinci ara katman ve arka katman kalınlıklarının zırh performansına etkileri gözlemlenmiştir.
Birinci deney setinde ilk üç katman sabit tutulup arka katmanın etkisi incelenmiştir. Ön katman 4 mm çelik, birinci ara katman 7 mm Al7075, ikinci ara katman 10 mm HDPE ve arka katman 4 mm çelikten 1 mm kalınlık azaltılarak testler yürütülmüştür. Arka katmanın 2 mm olduğu numune başarılı olmuştur. Bu durumda zırhın alan yoğunluğu 7,58 g/cm2 olarak hesaplanmıştır.
İkinci deney setinde birinci ara katmanın farklı kalınlıklarının zırh performansına etkileri incelenmiştir. Ön katman 3 mm çelik, birinci ara katman 11,2 mm Al7075'den başlayarak 1,4 mm azaltarak, ikinci ara katman 10 mm HDPE ve arka katman 3 mm çelik olacak şekilde testler yürütülmüştür. İkinci ara katmanın 8,4 mm olduğu numune başarılı olmuştur. Bu durumda zırhın alan yoğunluğu 7,98 g/cm2 olarak hesaplanmıştır.
Üçüncü deney setinde ön katman farklı kalınlıklarda diğer katmanlar sabit tutulup zırhın performansı incelenmiştir. Ön katman 4 mm çelikten başlayarak 1 mm azaltılarak, birinci ara katman 7 mm Al7075, ikinci ara katman 10 mm HDPE ve arka katman 4 mm çelik olacak şekilde testler yürütülmüştür. Ön katmanın 3 mm olduğu numune başarılı olmuştur. Bu durumda zırhın alan yoğunluğu 8,37 g/cm2 olarak hesaplanmıştır.
Her numunenin alan yoğunluğu hesaplanarak sadece çelikten oluşan kompozit zırh ile karşılaştırılmıştır. En başarılı numune ön katman kalınlığının 4 mm ve arka katman kalınlığının 2 mm olduğu numune olmuştur. Burada yapılan testlerde ön katmanın önemi ortaya çıkmıştır. Çelik malzeme miktarının toplam zırh içerisindeki miktarı tek başına önemli olmayıp ön ve arka katman arasındaki dağılımı da zırhın performansını etkilemektedir. Ön katmanda kalın çelik kullanımı merminin uç sivriliğini bozmakta ve mermiye uygulanan direnci arttırmaktadır. 
Yapılan testlerde alan yoğunlukları karşılaştırıldığında en başarılı numunenin sadece çelik numuneye göre %11.6 ağırlık tasarrufu sağladığı görülmüştür. Bu oran kişisel korunma için anlamlı olmayıp araç veya binaların zırhlandırılmasında anlam kazanabilecek bir değerdir.

Abstract:
Due to people's survival instinct, the need for protection from external factors has emerged. Over time, they have tried to protect themselves against external threats with various materials. These materials have developed parallel to or even ahead of humanity's scientific and technological levels. Because the instinct to live has led people to research and develop new, effective and safe materials to protect themselves. The process, which started with materials such as leather, wood and stone, developed over time with the discovery of metals such as copper, brass, iron and steel. In today's world, ceramic materials, composite materials and alloy steels have an important place in armor technology. Steel materials continue to have the largest share in armor production.
In addition, composite materials aim to develop a more efficient material by combining the positive aspects of different materials. Especially in the personal protection of people, ceramic and composite materials have the biggest share due to their lightness. For example, Kevlar-like fibers are used extensively both in ballistic protection and in the field of occupational health and safety. Especially in the personal protection of military personnel, its lower weight and less movement restriction compared to steel plates constitute very important advantages on the battlefield. Although its production costs are high, its intensive use continues due to its many advantages.
In this study, it was aimed to investigate the differences in the performance of composite armour consisting of different materials between the composite armour obtained by bonding only steel materials. The composite armour was designed as 3-element and 4-layer. The materials used were selected from readily available products that do not require special processing. Commercially hardened Ck75 steel sheet was used in the front and back layers, Al 7075 sheet was used in the first intermediate layer, and high density polyethylene (HDPE) materials were used in the second intermediate layer.
The relatively high hardness and toughness of the steel sheet used will allow the projectile and the steel core to absorb the energy of the bullet and the steel core by forcing the material to shear and bend. The steel material has an average yield strength of 1245 MPa. The average hardness of the material was measured as 42 HRC.
Al 7075 material has T6 heat treatment quality and stands out among aluminum with its high strength and medium toughness values. The purpose of this material is to help absorb the energy of the bullet with its higher toughness compared to steel. In addition, it will support to stop the bullet with its hardness. The aluminum material has an average yield strength of 470 MPa.
HDPE acts as a damping element in armor due to its low density and high resistance to impacts.
Epoxy adhesive was preferred for bonding the materials. The selected epoxy adhesive was chosen to be strong enough to hold the layers together during the impact and at the same time to flex together with the materials during bending.
The armor-piercing ammunition to be used in the tests is the 7.62 mmx51 M61 cartridge. This cartridge is used in 7.62 mmx51 infantry rifles and machine guns and is fired at lightly armored targets. The bullet of this ammunition is FMJ (Full Metal Jacket) type. There is a hardened steel core with a lead jacket inside an outer jacket of copper or mild steel. The tip of the steel core is pointed to increase its armour penetration capability.
In order for the prepared armor to be considered successful, the steel core must leave the armor at a speed higher than zero. For this reason, armor that was partially penetrated or even completely penetrated was considered successful if the bullet did not leave the armor. This is also the success criterion in military specifications.
As the first experiment, Ck75 sheets were bonded in different thicknesses and it was tested which thickness could stop the bullet. Here, tests were carried out starting from 15 mm thickness and reducing by 1 mm. he 11 mm thick armour stopped the steel core and the 10 mm thick armour was penetrated. For this reason, 11 mm was taken as a reference for steel armor. In this case, the areal density of the armor is calculated as 8.58 g/cm2.
Then, 3 different experimental sets were prepared with 4-layer composite structures. In these test sets, the effects of the front layer, first intermediate layer and back layer thicknesses on armor performance were observed.
In the first set of experiments, the first three layers were kept constant and the effect of the back layer was examined. Tests were carried out by keeping the front layer 4 mm steel, the first intermediate layer 7 mm Al7075, the second intermediate layer 10 mm HDPE constant and reducing the thickness of the back layer from 4 mm steel by 1 mm. The sample with the back layer of 2 mm was successful. In this case, the areal density of the armor is calculated as 7.58 g/cm2.
In the second set of experiments, the effects of different thicknesses of the first intermediate layer on the armor performance were examined. Tests were carried out so that the front layer was 3 mm steel, the first intermediate layer was 11.2 mm Al7075, decreasing by 1.4 mm, the second intermediate layer was 10 mm HDPE and the back layer was 3 mm steel. The sample with the second intermediate layer of 8.4 mm was successful. In this case, the areal density of the armor is calculated as 7.98 g/cm2.
In the third set of experiments, the performance of the armor was examined by keeping the front layer at different thicknesses and the other layers constant. Tests were carried out by starting from 4 mm steel in the front layer and decreasing it by 1 mm, with the first intermediate layer was 7 mm Al7075, the second intermediate layer was 10 mm HDPE and the back layer was 4 mm steel. The sample with a front layer of 3 mm was successful. In this case, the areal density of the armor is calculated as 8.37 g/cm2.
The areal density of each sample was calculated and compared with composite armor consisting only of steel. The most successful sample was the one with a front layer of 4 mm and a back layer of 2 mm The importance of the front layer has been revealed in the tests performed here. The amount of steel material in the total armour is not only important, but also the distribution between the front and back layers affects the performance of the armour.  The use of thick steel in the front layer disrupts the tip sharpness of the bullet and increases the resistance applied to the projectile.
When the area densities were compared in the tests, it was seen that the most successful sample provided 11.6% weight saving compared to the steel sample only. This rate is not meaningful for personal protection, but it is a value that can be meaningful in the armouring of vehicles or buildings.