АЛЮМИНИЙ
И ПРОБЛЕМЫ БРОНЕЗАЩИТЫ
А.А.
Арцруни, Л.А. Цургозен, Б.Ф. Махов
(ОАО
«НИИcтали»)
Алюминий в природе Земли является самым
распространённым металлом, опережая
при
этом железо. В химически связанном состоянии в виде окислов и солей он входит в
состав
многих алюминиевых минералов и горных пород и является одним из основных почвообразующих
элементов. Промышленное получение алюминия путём электролиза глинозёма в
криолитах относят к 1886 году. Как видим, алюминий молод, но эти 100 с
небольшим лет его существования свидетельствует о его полном триумфе, и наше
время по правуможет быть названо «веком алюминия», пришедшим на смену «века
железа».
Алюминий как элемент, металл с нечётным
порядковым номером имеет всего один
стабильный
изотоп. Он не имеет полиморфных превращений, обладает гранецентрированной (ГЦК)
решёткой с параметром а = 0,4041 нм, удельный вес 2,70 г/см3. Его положение в квантовой
системе периодизации («Древо Махова») представлено на рис. 1. Подробней о современных представлениях о
физико-механических характеристиках металлов и новой квантовой системе
периодизации см. работы [1, 2, 3].
Следует особо отметить высокую эффективность
разработки сплавов на алюминиевой основе, в сравнении со сплавами на основе
железа, меди и титана. Так, эффективность роста прочности в сопоставлении
«чистый алюминий – сплавы алюминия» составляют 15 – 20 крат, в то время как
аналогичное сопоставление «железо – сплавы железа» (сталь) даёт 10 крат, «медь
– медные сплавы» и «титан – титановые сплавы» лишь 5 – 8 крат, что является
объяснением внимания к алюминиевым сплавам, как высокоэффективным
конструкционным и динамически нагруженным (в том числе броневым) материалам [4,
5].
В
настоящее время наибольшие успехи достигнуты как в двойных, так и в более сложных
системах легирования алюминия с Mg, Si, Cu и Zn (в последнее время обращено
внимание на Li, Ag), что объясняется наибольшей и переменной растворимостью
этих элементов в
алюминии.
Соответственно, максимальная растворимость элемента в твёрдом растворе –
Mg
(17,4%), Si (1,65%), Cu (5,7%), Zn (82%). Как известно, именно переменная
растворимость обеспечивает эффект термоупрочнения (закалки). Это может найти
объяснение в наличии металлофизического сродства к алюминию рассматриваемых
легирующих элементов, выражающиеся в близости радиусов их атомов к радиусу
алюминия (0,11 нанометров) в пределах ± 0,02 нм и близостью их положения к
месту алюминия (z = 13) в Периодической системе (от непосредственного
прилегания – Mg, Si до удаления на 15 – 17 значений соседствующих между собой
d–элементов – Cu, Zn) (см. рис. 2, 3).
Броневая техника, как одна из передовых
отраслей промышленности, не оказалась в
стороне
от использования алюминиевых сплавов, что и является предметом настоящего со-
общения.
Как известно, работоспособность любой
конструкции, и в частности боевой машины,
наряду
с прочностью определяется также и её жёсткостью, то есть способностью сопротивляться
действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями. Это особенно важно для машин
облегчённого класса, со строго регламентируемыми характеристиками массы [6]. Жёсткость
на изгиб (устойчивость), представленная в виде упрощённой зависимости (с
исключением постоянных для конкретного расчёта), имеет следующий вид: Р= Е b3,
где Е – модуль упругости; b – толщина листа (плиты). Таким образом, жёсткость
на изгиб является произведением модуля упругости на куб его толщины.
Сопоставляемые характеристики Алюминия, Стали, Титана по прочности (предел
прочности на разрыв), модулю упругости и жёсткости при равной массе
представлены на рис. 4.
По показателям упругости и прочности сталь
является безусловным лидером. Однако,
соотнесение
представленных характеристик с плотностью каждого из материалов и приведение их
к виду Е/ r и в sВ / r , т.е. удельной упругости и удельной прочности приводит
к практически равным показателям. При этом, при рассмотрении возможных толщин
материалов при условии равной массы, следует использовать величину обратную
плотности 1/ r . В этом случае алюминий будет в 2,8 раза толще стали и в 1,6
раза толще титана. Титан, в свою очередь, только 1,73 раза толще стали.
Наибольшая абсолютная толщина отмечается у алюминия. Жёсткость является
произведением модуля упругости материала на куб толщины. Жёсткость алюминия,
даже с учётом в три раза меньшего, чем у стали, модуля упругости, оказывается
почти в восемь раз больше жёсткости стали и почти в три раза больше жёсткости
титана. Именно это обстоятельство и предопределило использование алюминиевой брони
для изготовления бронекорпусов машин лёгкой категории массы и было значительно
усилено разработкой специальных алюминиевых броневых сплавов, как правило, системы Al–Zn–Mg
с механическими свойствами, приближающимся к свойствам малопрочных сталей. В стальном
варианте бронекорпус из-за недостаточной жёсткости нуждается в использовании
специального каркаса, а в алюминиевом исполнении в каркасе не нуждается. И
только за счёт этого использование алюминиевой брони в бронекорпусном производстве
в состоянии обеспечить выигрыш по массе бронекорпуса до 25%.
На сегодняшний день, в перечне Алюминиевой
Ассоциации США (АА) насчитывается свыше трёхсот марок алюминия и его сплавов.
Это восемь серий (групп) сплавов по
системам
легирования с четырёхзначной цифровой индексацией от 1000 до 8000. От алюминия
разной чистоты (серия 1000), сплавовAl–Cu (серия 2000), сплавAl–Mn–Mg
(3000),Al–Si (4000),Al–Mg (5000),Al–Mg–Si (6000),Al–Zn–Mg (7000) до
сплавовAl–Fe (8000).
Современное состояние материаловедения и
машиностроения позволяет говорить о
броневом
алюминиевом материаловедении, как о самостоятельной отрасли материаловедения,
успешно реализовавшейся в конструкции боевых машин весом от 10 до 20 тонн
лёгкой категории массы (БМП, БМД, САУ).
В настоящее время можно констатировать, что
пути традиционной классической металлургии и металловедения себя исчерпали. На
повестку дня выходят новые приёмы создания материалов, основанных на
использовании нанотехнологий, например, композитный материал на алюминиевой
матрице, армированный нитевидными кристаллами SiC под маркой «LANXIDE». Следует
упомянуть и основные приёмы затвердевания, вплоть до создания аморфных форм
металлов (высокоскоротная роторная кристаллизация, порошковая металлургия).
Алюминий оказался перспективным материалом
и в средствах индивидуальной защиты (СИЗ) [7], рис. 5, 6. Как известно,
подавляющая масса СИЗ создаётся для защиты от пистолетов ТТ, Макарова и т.п.
Пистолетные пули, в отличие от автоматных и винтовочных, имеют коэффициент формы
(отношение длины к диаметру) в пределах 1,33 – 2,54, что приближает пистолетные
пули к шароподобной форме и свидетельствует при определённом соотношении
толщины и калибра (b/d³0,5) о типе взаимодействия, называемом в броневом
материаловедении «срез пробки» (см. рис. 5). Срез пробки является наиболее
энергоёмким видом поражения (см. рис. 6). Подобная особенность алюминиевой
брони, сочетаемая с использованием с тыла бронесистем, слоёв ткани СВМ,
улавливающих срез пробки, делает алюминиевую броню весьма эффективным
материалом для использования в СИЗ пистолетного класса. Кроме того, известен
опыт успешного использования алюминиевой брони в металло-полимерных бронешлемах
и в виде чешуйчато собранных на матерчатой основе дисков толщиной 0,8 мм,
предназначенных для защиты от холодного оружия в лёгких бронежилетах (ЖЗЛ).
В настоящее время считается признанным
фактом преимущество керамики в различных вариантах состава (карбид бора, карбид
кремния, корунд) над всеми видами металлической брони, однако, центральным
вопросом её использования является проблема формирования бронеблока, блока –
модуля. Решение этой проблемы стало возможным на основе применения так
называемой «обжимной технологии» (обжимки), существо которой
состоит
в размещении плоского многоэлементного керамического набора с обеспечением
межэлементного зазора в тонколистовом алюминиевом пакете, который после заварки
и вакуумирования подвергается обжатию в гидрообжимном прессе (рабочее тело
обжимной камеры– жидкость) с давлением всестороннего обжатия 2–3 тыс. атмосфер
[8].
Представленная
технология открывает принципиально новые возможности конструирования систем
бронезащиты, в которую закладываются нижеследующие идеи:
1.
Основу объекта бронетанковой техники составляет жёсткий, как правило, алюминиевый
бронекорпус с принятым начальным уровнем бронезащиты (от стрелкового оружия).
Бронезащита является комплексной и решается через размещение на поверхности
исходного бронекорпуса монтируемых (навесных, вдвижных, накладных)
металло-керамических блоков – модулей.
2.
Блоки – модули создаются с различными степенями защищённости с учётом следующих
принципов:
а)
работа разрушения керамического элемента принимается равной кинетической
энергии средства поражения;
б)
блоки–модули имеют единичный (дифференциальный) характер разрушения;
в)
межэлементныестыки блоков–модулей имеют бронестойкость на уровне 85 – 90% стойкости
основы.
Схема
одного из блоков–модулей (вид в плане и сечения) приведены на рис. 8 .
Расчётная эффективность
использования обжимныхметалло-керамических блоков представленана рис. 7.
Одним
из перспективных направлений использования материалов на алюминиевой основе
является вспененный алюминий или пеноалюминий (ПА). Основным элементом технологии
получения ПА является использование пенообразующего компонента, вводимого в
состав расплава. Сложность технологии состоит в наличии весьма ограниченного
времени существования алюминиевой пены, кристаллизация которой и рождает
вспененный алюминий. В качестве порообразователя наиболее перспективным на
сегодняшний день признан гидрид титана (TiH2) с температурой разложения (на
титан и газообразный водород), близкой к температуре плавления (ликвидуса)
алюминия. Однако, выбор этого порообразователя вовсе не снимает проблемы
ограниченности времени существования пены. Одним из решений этой проблемы
является увеличение кинематической вязкости расплава (матрицы) за счёт введения
в её состав значительного содержания кремния. Полученный в этом случае пористый
продукт (ПА) является практически лишённым характеристик пластичности.
Более
эффективным технологическим приёмом служит порошковая технология получения
исходной компактной заготовки (прекурсора) с её последующим нагревом,
вспучиванием.
Этот
технологический приём обеспечивает заметно большее время для кристаллизации
вспененной массы и обеспечивает получение искомого продукта без введения
кремния в исходный матричный состав. Получаемый при этом продукт
характеризуется замкнутыми округлыми водородсодержащими порами и пластичной
матрицей. При этом плотность ПА является управляемой и лежит в достаточно
широком диапазоне от 0,2 до 1,0 г/см3. Получаемый по предложенной
технологии пеноалюминий представляет значительный интерес для использования в
бронекорпусном и бронезащитном производстве в следующих основных направлениях:
1.
Разнесённые бронесистемы и поплавки.
2.
Интегральные схемы бронирования с использованием в срединных слоях пеноалюминия.
3.
Противоминная защита днища наземных транспортных средств.
4.
Возможный противокумулятивный эффект использования.
Эффект
использования ПА в интегральной схеме представлен на рис. 9 (по зарубежным
данным).
Результаты
одного из первых опытов по использованию ПА в качестве противоминной
защиты,
проведённого на базе НИИИ–38 МО (при подрыве 1 кг тротила под днищем БТР 80), представлены
в табл. 1. Кроме того, расчёты по специальной методике МГТУМАМИ свидетельствуют,
что использование ПА способствует в равной массе защиты значительному снижению
скорости (до 2-х крат) и ускорения распространения импульса подрыва до 25%.
Таким
образом, подводя общий итог настоящего сообщения, можно констатировать эффективность
использования алюминия в виде как монолитной алюминиевой брони типа АБТ–101,
АБТ–102 в бронекорпусном производстве, в средствах индивидуальной защиты (бронежилеты,
шлемы), так и в виде основного составляющего элемента новых перспективных материалов,
в частности металлокерамических блоков (типа «обжимка») и пеноалюминия.
Вышесказанное
позволяет охарактеризовать работы с алюминиевыми сплавами и материалами на его
основе как одно из самых перспективных направлений решения актуальных проблем
бронезащиты.
Литература
1.
Книга. Махов Б.Ф. «Симметричная квантовая периодическая система элементов» М.:
1997, ISBN, 5–86700–027–3.
2.
Махов Б.Ф. (докл. на Конференции (Сусс, Тунис) 2007г. «Симметричная квантовая
периодическая система элементов (нейтральных атомов) – Ск-ПСА. (или новая периодизация
Периодической системы)». Журнал «Фундаментальные исследования», 2007,
№
9, с. 30–36. ISSN 1812–7339.
3.
Махов Б.Ф. «Физическая природа металлов в свете колебательной модели атома».
Журнал «Фундаментальные исследования2, 2008, № 3, с. 29-37. ISSN 1812–7339.
4.
B.F. Makhov,A.A. Artsruni, S.A. Gladyshev, L.A. Tsurgozen, V.P. Yankov - JSC
«NII
STALI»,Moscow, Russia:Main
StructuralArmor Component–Metal– fromthe Point of View Latest Scientific
Concepts. «Techniczne Wyroby Wlo-kinnicze» 2009, no. 2 – 3, page 42.
5.
Елагин В.И. «Технология лёгких сплавов» (ВИЛС), № 8/2008, стр. 6 – 20. «Конструкционные
наноструктурные сплавы на алюминиевой основе».
6.
Арцруни А.А. «Алюминиевая танковая броня и бронирование автомобиля». Вопросы
оборонной техники. Серия XVI. Технические средства противодействия терроризму.
2003.
7.
«Алюминиевая броня СИЗ». А.А. Арцруни, Э.Н. петрова, Е.И. Степанов, С.Ю.
Чусов,
В.П. Яньков. Вопросы оборонной техники. Серия XV. 2005.
8.
Арцруни А.А., Литвинцев А.Н. «Броневой металлокерамический обжимной блокмодуль
как путь реализации преимуществ керамической брони». Вопросы броневой техники.
Серия XV. 2005.
Источник: Сборник «Актуальные проблемы защиты и
безопасности» Труды Тринадцатой Всероссийской научно-практической конференции.
Том 3. «Бронетанковая техника и вооружение». РАРАН.,СПб.,2010, С.95-102
Комментариев нет:
Отправить комментарий