Многослойная гетерогенно упрочненная броня
MULTI-LAYERED HETEROGENEOUS REINFORCED ARMOR

Изобретение относится к военной технике и может быть использовано при изготовлении средств бронезащиты: индивидуальной защиты, защиты транспортных средств и стационарных объектов, в частности в броневых конструкциях, состоящих из нескольких слоев и предназначенных для защиты от пуль стрелкового оружия.
Изобретение может быть также использовано при конструировании бронетанковой, ракетной, инженерной техники, кораблей.
Известен способ и устройство для статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием металлических материалов, при котором происходит формирование упрочненной структуры материала под действием ударных волн деформации, в результате чего на упрочняемой поверхности образуется совокупность пластических отпечатков с определенным размером, перекрытием и кратностью приложения [Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004. 288 с.].
Недостатком является недостаточно высокая степень упрочнения обрабатываемой поверхности и ограниченные возможности управления при создании гетерогенных упрочненных слоев.
Известен способ комбинированного упрочнения поверхностным пластическим деформированием (обкатывание, дробеструйная обработка) с последующей химико-термической обработкой, в частности цементацией, при котором происходит интенсификация диффузионных процессов, что позволяет достигнуть более высоких значений концентрации углерода в диффузионной зоне и формируется более глубокий цементованный поверхностный слой [Папшев Д.Д., Пронин A.M., Кубышкин А.Б. Эффективность упрочнения цементованных деталей машин // Вестник машиностроения. 1990, №8. - С. 61-64].
Недостатком является невозможность создания гетерогенных упрочненных слоев под цементованным слоем.
Известны различные виды многослойной брони, чередующие различные по составу и физико-механическим свойствам листы металлических материалов [Патент РФ №2427781, 2011 г.].
Недостатком является низкая баллистическая стойкость, обеспечивающая защиту по ГОСТ 34282-2017 класс защиты не более Бр 4.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является выбранная в качестве прототипа слоистая бронеплита, с последовательно установленными листами керамических, стеклотканевых и металлических материалов (в том числе толщина металлического слоя из стали 45 составляет 12 мм, стали Х18Н10Т - 8 мм, алюминиевого сплава Амг6 - 5 мм), при этом общая толщина этой слоистой бронеплиты составляет 57 мм [Патент РФ 2337305, 2008 г.].
Недостатком такой брони является большая толщина и масса конструкции.
Задачей предложенного изобретения является устранение указанных недостатков, а именно: повышение защитных свойств брони с сохранением веса конструкции или уменьшение веса конструкции с сохранением защитных свойств брони.
Для решения поставленной задачи предложена многослойная гетерогенно упрочненная броня, которая содержит наружную металлическую пластину - дробяще-отклоняющий слой и внутреннюю металлическую пластину - задерживающий слой, упрочненные статико-импульсной обработкой (ударными волнами деформации) и последующей химико-термической обработкой (цементацией). Наружная и внутренняя металлические пластины собраны в пакет с промежуточным рассеивающим слоем, выполненным из листов неметаллического материала.
Здесь и далее по тексту наружная металлическая пластина на поясняющих чертежах изображена сверху, а внутренняя металлическая пластина снизу (см. фиг. 1-4). В свою очередь далее по тексту для каждой металлической пластины лицевая поверхность и лицевой слой пластины изображены сверху, а тыльные - снизу на всех поясняющих чертежах.
Как варианты, наружная металлическая пластина упрочнена последующей двусторонней цементацией, а внутренняя только цементацией лицевой стороны; или цементация наружной металлической пластины выполнена двусторонней, а внутренняя металлическая пластина выполнена без цементации; или наружная и внутренняя металлические пластины выполнены с односторонней цементацией только лицевой стороны; или наружная металлическая пластина упрочнена цементацией только с лицевой стороны, а внутренняя металлическая пластина выполнена без цементации.
Механизм деформационного упрочнения статико-импульсной обработкой заключается в следующем. Для упрочнения ударными волнами деформации используется генератор ударных импульсов, обеспечивающий энергию и частоту ударов 50-200 Дж и 7-40 Гц соответственно. Основными элементами генератора ударных импульсов являются боек и волновод. При упрочнении боек ударяет по волноводу, статически поджатому в направлении к поверхности лицевого слоя упрочняемой пластины, в результате в ударной системе боек-волновод генерируются плоские акустические волны, которые характеризуются амплитудой волны деформации во времени, максимальным значением сил, временем действия сил (длительностью волны деформации) и энергией волны деформации. Эти характеристики зависят от геометрии соударяющихся бойка и волновода, свойств их материалов и скорости соударения. Ударная волна деформации определяется последовательностью импульсов, причем длительность каждого из них равна периоду волны. Форма ударного импульса (изменение силы по времени) поступающего в очаг деформации, т.е. область контакта с упрочняемым материалом, будет определять эффективность динамического нагружения. Предварительное статическое поджатие волновода способствует наиболее полному использованию импульсной нагрузки для пластического деформирования упрочняемого материала. При упрочнении форма ударных импульсов максимально адаптируется к свойствам материала и условиям нагружения для увеличения КПД процесса, что расширяет технологические возможности обработки, позволяя создавать глубокий упрочненный слой. Технология статико-импульсной обработки ударными волнами деформации позволяет достаточно точно регулировать равномерность упрочнения, создавая как равномерно, так и гетерогенно упрочненную структуру.
В итоге наружная и внутренняя металлические пластины в результате упрочняющего технологического воздействия: применения ударных волн деформации имеют послойно различное упрочнение: максимальное лицевого слоя (находится со стороны пластины на которую непосредственно воздействует волновод), с единовременным упрочнением тыльного слоя, гетерогенное упрочнение промежуточного слоя: слоя между лицевым и тыльным.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами:
фиг. 1 - Многослойная гетерогенно упрочненная броня с наружной металлической пластиной (двусторонняя цементация) и внутренней металлической пластиной (односторонняя цементация).
фиг. 2 - Многослойная гетерогенно упрочненная броня с наружной металлической пластиной (двусторонняя цементация) и внутренней металлической пластиной (без цементации).
фиг. 3 - Многослойная гетерогенно упрочненная броня с наружной металлической пластиной и внутренней металлической пластиной (односторонне цементованными).
фиг. 4 - Многослойная гетерогенно упрочненная броня с наружной металлической пластиной (односторонняя цементация) и внутренней металлической пластиной (без цементации).
На фиг. 1, фиг. 2, фиг .3, фиг. 4 обозначены следующие элементы:
А - наружная металлическая пластина - лицевой дробяще-отклоняющий слой;
В - промежуточный рассеивающий слой, выполненный из листов неметаллического материала;
С - внутренняя металлическая пластина - тыльный задерживающий слой;
1 - лицевой слой наружной металлической пластины с максимальным упрочнением, полученный комбинированным упрочнением ударными волнами деформации и цементацией на наружной металлической пластине А;
2 - промежуточный гетерогенно упрочненный слой наружной металлической пластины, полученный комбинированным упрочнением ударными волнами деформации и термическим воздействием в процессе цементациии на наружной металлической пластине А;
3 - тыльный слой наружной металлической пластины с упрочнением -получен комбинированным упрочнением ударными волнами деформации и цементацией на наружной металлической пластине А;
4 - листы неметаллического материала, собранные в пакет слоя В;
5 - лицевой слой внутренней металлической пластины с максимальным упрочнением, полученный комбинированным упрочнением ударными волнами деформации и цементацией на внутренней металлической пластине С;
6 - промежуточный слой внутренней металлической пластины, гетерогенно упрочненный, полученный комбинированным упрочнением ударными волнами деформации и термическим воздействием в процессе цементации на внутренней металлической пластине С;
7 - гетерогенно упрочненный слой, полученный упрочнением ударными волнами деформации металлической пластины С.
Предлагаемая многослойная гетерогенно упрочненная броня состоит из наружной металлической пластины А (фиг. 1), гетерогенно упрочненной комбинированной обработкой воздействием ударных волн деформации и последующей двусторонней цементацией. В результате такого упрочнения формируется максимально упрочненный цементованный лицевой слой наружной металлической пластины 1, промежуточный гетерогенно упрочненный слой наружной металлической пластины 2, состоящий из чередующихся твердых и мягких участков и цементованный тыльный слой наружной металлической пластины с упрочнением 3. Вторым промежуточным рассеивающим слоем В многослойной гетерогенно упрочненной брони являются листы неметаллического материала 4, собранные в пакет. Внутренняя металлическая пластина С многослойной гетерогенно упрочненной брони получена также упрочнением комбинированной обработкой воздействием ударных волн деформации и последующей односторонней цементацией. Цементация должна производиться при защите нижней (см. фиг. 3) поверхности внутренней металлической пластины С. В результате формируется максимально упрочненный цементованный лицевой слой внутренней металлической пластины 5, промежуточный гетерогенно упрочненный слой внутренней металлической пластины 6, состоящий из чередующихся твердых и мягких участков.
Внутренняя металлическая пластина С многослойной гетерогенно упрочненной брони может быть получена только упрочнением ударными волнами деформации, в результате чего формируется только гетерогенно упрочненный слой внутренней металлической пластины 7, чередующий твердые и мягкие участки (фиг. 2).
Наружная металлическая пластина А многослойной гетерогенно упрочненной брони может быть получена также упрочнением комбинированной обработкой: воздействием ударных волн деформации и последующей цементацией (фиг. 3). Цементация должна производиться при защите тыльной поверхности наружной металлической пластины А. В результате формируется максимально упрочненный цементованный лицевой слой наружной металлической пластины 1, промежуточный гетерогенно упрочненный слой наружной металлической пластины 2, чередующий твердые и мягкие участки.
В результате контрольных испытаний на баллистическую стойкость по ГОСТ 34282-2017 по классу защиты Бр 5 описанной многослойной гетерогенно упрочненной брони и многослойной брони, состоящей из наружной и внутренней металлических пластин из броневой стали после закалки и отпуска, толщиной 6,5 мм, с расположенным между ними промежуточным слоем рассеивающего неметаллического материала из стекломагнезита толщиной 40 мм, установлено ее непробитие при следующих параметрах (таблица 1):
вариант 1 (фиг. 1) наружная металлическая пластина А из стального листа толщиной 6 мм, промежуточный рассеивающий слой В из 4 листов стекломагнезита толщиной по 8 мм, суммарной толщиной 32 мм и внутренняя металлическая пластина С из стального листа толщиной 4,5 мм;
вариант 2 (фиг. 2): наружная металлическая пластина А из стального листа толщиной 5 мм, промежуточный рассеивающий слой В из 4 листов стекломагнезита толщиной по 8 мм, суммарной толщиной 32 мм и внутренняя металлическая пластина С из стального листа толщиной 6 мм;
вариант 3 (фиг. 3): наружная металлическая пластина А из стального листа толщиной 4,91 мм, промежуточный рассеивающий слой В из 4 листов стекломагнезита толщиной по 8 мм, суммарной толщиной 32 мм и внутренняя металлическая пластина С из стального листа толщиной 4,81 мм.
вариант 4 (фиг. 4): наружная металлическая пластина А из стального листа толщиной 4,7 мм, промежуточный рассеивающий слой В из 4 листов стекломагнезита толщиной по 8 мм, суммарной толщиной 32 мм и внутренняя металлическая пластина С из стального листа толщиной 6,16 мм.
Из результатов испытаний видно, что предлагаемая броня имеет аналогичные сравниваемому при контрольных испытаниях образцу защитные свойства при значительно меньшей массе стальной части многослойной брони. Рассеивающий слой из 4 листов стекломагнезита толщиной по 8 мм присутствует во всех образцах и практически может быть исключен из сравнения удельной массовой характеристики брони.
Источники информации, принятые во внимание
1. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004. 288 с.
2. Папшев Д.Д., Пронин A.M., Кубышкин А.Б. Эффективность упрочнения цементованных деталей машин // Вестник машиностроения. 1990, №8. - С. 61-64
3. Патент РФ №2427781. Броня стальная комбинированная // М.В. Сильников, Н.М. Сильников. 2011 г.
4. Патент РФ 2337305. Слоистая бронеплита // М.П. Кужель, P.M. Тагиров, А.В. Шебалов. 2008 г.