坦克材料系列 VIII —— 装甲钢与飞机起落架用钢
2022-04-24 15:49:45
作者：三分钟白话材料 来源：三分钟白话材料
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装甲钢经过100多年的发展，现已成为坦克装甲车辆的主干防护、结构材料，广泛用于制造坦克装甲车辆车体和炮塔以及披挂装甲，在坦克和装甲车辆上它既是一种结构材料同时也是防护材料。统计表明，即使一辆采用复合装甲的坦克中，装甲钢的质量也约占整个复合装甲的60~80%，其空间约占复合装甲板的35~50%。到目前为止，因其经济实用、容易制造，钢还是装甲及至整个坦克的最基本的制造材料。
图 1 钢与玻璃纤维组成的复合装甲
本文从装甲钢的实用需求出发，映射到钢铁材料的力学机械性能，简单介绍现代钢铁制造技术如何生产出上述力学性能的装甲钢，之后聊一下国际共识的装甲钢划类方法，各国标准及主要产品，重要介绍一下这个舞台上的两个选手，美国和瑞典及其特点。
另外，通过介绍您会发现，一部分坦克装甲除了防弹功能外，还承担着结构材料的功能，映射到力学性能上与其他的一些超高强的结构材料，如飞机起落架，的需求是共通的，力学性能及加工需求的一致性决定了他们的基础合金体系及生产工艺基本也是一致的。所以本文也重点讨论一下装甲钢与飞机起落架钢。
1. 使用性能与力学性能
2. 装甲钢的生产技术
3. 装甲钢的分类方法
4. 合金体系及各国标准
世界上第一辆实用型坦克，英国的M1在1916年服役时只有6毫米的均质钢板，但这在当时也足以抵挡布鲁士步兵的毛瑟枪。对于坦克装甲用钢，这辆早期的英国坦克上采用的是高硬度装甲钢，硬度达60OHB比普通HM要硬的多。然而实际上，这种装甲在三十年代就被废弃不用了。直到六十年代高硬度装甲才被重新应用于轻装甲车辆，从那时起，美国、德国、法国和瑞典的一些钢铁公司都在生产这种装甲钢，并应用在一些轮式装甲车上。高硬度装甲所以能成功使用，并不单纯是由于该装甲硬度达到540或550B，而且还具有硬度与相应的韧性组合的综合性能。单从质量系数的观点甚至可要求更高装甲硬度，但是硬度非常高而韧性不足的装甲被击中时，容易产生脆裂和震碎。下面详细聊聊装甲钢的使用性能与机械性能。
01 应用性能与机械性能
装甲首要功能是防弹，防弹性能要求，包括抗侵彻能力、抗冲击能力和抗崩落能力。所谓抗侵彻能力是指装甲材料抵御投射物部分进入或完全贯穿装甲的能力，它随装甲材料的硬度和弹性模量的提高而增大；抗冲击能力指装甲钢在无裂纹或无断裂条件下吸收攻击性或较大口径弹丸能量的能力，装甲材料韧性高则吸收能量多；抗崩落能力指装甲板（特别是正对弹着点的背面处）抗破裂、剥离及层裂的能力，它与装甲材料的抗压强度和抗张强度有关。另外，因为坦克炮塔以及车身均由焊接拼装成，所以对钢的焊接性有很高的要求。因此，对钢制装甲材料要求的特性可概括为：高硬度、高强度、高韧性以及良好的焊接性。
硬度、强度和韧性是装甲钢的重要机械力学性能，而抗弹性能是钢装甲使用性能。为了阻止穿甲弹或破甲弹侵彻装甲，提高装甲材料的强度是改善均质装甲抗弹性能的有效途径。但是钢装甲强度的提高，脆裂程度也随之增加，因此必须要由相应的韧性来保证，这就是强韧化理论。
从装甲的抗穿甲和抗破甲实验曲线中都能明确得出，钢装甲的强度（或硬度）对于抗弹性能影响极大。把同一种装甲处理成不同硬度时，随着硬度增加，抗穿甲性能的整体趋势是随之提高的。另外钢装甲的杂质含量过高会降低它的抗弹性能。所以，钢装甲的发展方向归纳为“薄、硬、纯”，也就是大量采用薄装甲板、提高硬度和纯净度。这是20世纪80年代起钢装甲顺应多层复合装甲应用的需要，也是钢装甲本身发展的需要。目前，国外大量研究开发超高强度装甲钢，硬度可以达到500~600HB以上，通过炉外精炼，P和S的杂质含量大幅度减少，钢的强韧性进一步完善，抗弹水平明显提高。不同成分的钢装甲，硬度越高，抗弹性能越好。硬度高的装甲，需要同样抗弹性能的装甲板厚度相对要小。
02 现代装甲的生产制造
高硬度、高强度、高韧性以及良好的焊接性，也是现代高强度钢的发展要求，笼统来说可通过下面一些技术手段来实现
1）低碳、低合金
要求高强度的同时，又要求高韧性，所以不能单纯依靠增加合金含量的强化机制，需要在保证淬硬性的同时要尽可能低的合金含量，才能保证韧性及焊接性。为了保证装甲钢的可焊性，合金的碳当量不能太高，一般要求碳当量小于1，通常约为0.8。这里低碳并不是我们以前《金属学与热处理》教材中说的低碳钢，中碳钢，高碳钢中的低碳，而是尽量降低碳含量，如原来要得到HRC45~50的硬度，需要含碳为35%~40%，而现代制钢技术，可将含碳量降低到0.30%以下，其他的合金含量同理。
2）微合金化
微合金化是现代钢铁的一个重要里程碑，可实现细晶强化，细晶强化是很好的既增加强度又保证韧性的强化机制。另外微合金化实现沉淀强化，还可使焊接后热影响区的强度不至于降低太多。
3）热机械轧制
热机械轧制及微合金化相互配合，热与机械的联合调制可实现细小的基体组织。
03 装甲钢的分类方法
通过上述介绍可知，装甲钢的力学性能要求为：高硬度、高强度、高韧性。强度和硬度有近似的正比关系，硬度比强度更易于测定，所以装甲钢常用硬度来区分表示。
硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA,HRB,HRC）、维氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而里氏硬度（HL）、肖氏硬度（HS）则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。
HRC和HB在生产中的应用都很广泛，按一般的介绍“布氏硬度（B）一般用于材料较软的时候，如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁。洛氏硬度（HRC）一般用于硬度较高的材料，如热处理后的硬度等”，装甲钢属于高强度，高硬度材料，如按上述介绍应采用洛氏硬度，适用于较高硬度材料的测试（如表中HRC60约等于HBW650）。但目前国际上通用的，包括美国军标及各国的生产标准都采用布氏硬度来分类的。
表1 布氏及洛氏硬度测试方法对比
至于为什么采用布氏硬度，而没采用洛氏，网上也没有准确说法，我试着猜想一下：
1）洛氏硬度用120度金刚石圆锥，洛氏硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值；布氏硬度用10mm钢球，压痕面积更大，测量结果更准确。
2）洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的）布式硬度的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。
3）在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为：1HRC≈1/10HB。《ASTM E 140 金属标准硬度换算表》
4）对于目前的超高强装甲钢的极限硬度，布氏硬度极限基本够用。
表 2 洛氏（HRC）、维氏（HV）、布氏（HBW）对照表
目前，装甲钢等级用布氏硬度区分，一般轧制均质装甲钢的硬度范围在HBW280- 430；中硬度装甲钢的硬度范围在HBW420- 480；高硬度装甲钢的硬度范围在HBW480-540；超高硬度装甲钢的硬度范围在HBW570-640。
一般来说，HBW500及以下的加工性都是比较好的，可以作为结构材料使用，而HBW550以上等级，加工性，包括折弯及焊接性较差，一般只用作披挂装甲。
04 合金体系及标准
典型使用的装甲钢合金系有Mn-Mo、Cr-Mo或者Ni-Cr-Mo-（V）低合金钢。这里介绍一种常见的钢，4340，美国AISI/ASTM钢号，我国GB标准牌号为40CrNi2MoA，德国DIN钢号36CrNiMo4。美国生产的4340钢一般用来铸造或轧制的厚装甲，也被用来做标准弹道测试靶材料，评价一种材料防御性能时通常与它相比较。
表 3 AISI/ASTM4340
4340钢是一种中碳镍铬钼钢合金，具有良好的合金基础，通过合适的热处理，可得到具有优异的抗拉强度、韧性和抗疲劳性等性能组合的材料。具有广泛的应用，如重型轴，齿轮；军用装甲，飞机起落架等重要的应用。
飞机起落架在降落期间承受巨大的冲击，要求材料不但具有超高强度，而且高的耐冲击韧性及抗疲劳性能，同时需要良好的加工性能，所以与坦克装甲的高强度、高韧性以及良好的焊接性相类似，但抗冲击抗疲劳要求更高，在过去一段时间，起落架主承力件采用强度为1580~1760 MPa级超高强度钢30Cr Mn Si Ni2A, 4330M, 4340等，采用焊接方法制造。随后相继开发了1800~1900 MPa级的H11, D6AC, 300M等超高强度钢。
通过对AISI4330的改进，我国开发了高性能685和686装甲钢。在工艺性能相当的条件下，高性能685装甲钢的抗枪弹和抗炮弹性能优于目前我国大量应用的前苏联2п和43пCM装甲钢。在4340的基础上，我国还研制了高硬度695装甲钢，其抗穿甲弹防护系数达到3以上。
多年来，美国、瑞典、法国及德国开发了各自应用的高硬度装甲钢，虽然各家钢各有不同，但性能-组织-成分材料三要素息息相关，共同的应用决定了其各自的组织及成分都是类似的，所以这些装甲钢的成分，我们还可以找到一些4340的影子，但如本文第二节所述碳及合金含量会有所降低，会加入一些微量合金，如硼，铌，钛等：
德国蒂森克虏伯（thyssenkrupp）的SECURE和SECURE M系列
法国，Industeel（安赛乐米塔尔（ArcelorMittal）集团的全资子公司），MARS系列
澳大利亚，Bisalloy钢铁，Protection和Armour系列
瑞典钢铁，SSAB公司的Armox和Ramor系列
全球高端钢材，还是欧美和日本领先，但对于均质轧制调质钢板来说，目前还是瑞典钢铁保持领先，下面简单介绍一下美国及瑞典的装甲钢情况。
美国
美国装甲钢研制和生产与瑞典、法国和德国有所不同，它的装甲钢产品基本没有形成系列。装甲钢制造商很多，生产的装甲钢产品也较多，但没有系列化的品牌。
美国钢铁工业真正的高速发展始于19世纪60年代，伴随着第二次工业革命的兴起，美国钢铁工业化浪潮走向巅峰，推动了该国制造业、城镇化以及综合国力的迅猛发展，使美国崛起成为世界上综合实力最强的国家，美国的钢铁工业称霸世界百年之久，到20世纪60年代，随着日本钢铁工业崛起以及美国经济结构成功转型，美国开始将一部分传统落后、相对低效的工业产能（包括粗钢产能）转移至日本等其他国家。
美国的装甲钢虽没有系列化，但其理论体系确是最先进的，美国是制定装甲钢标准最多的国家，美国军标中确对装甲钢给出非常详细的规范，而且美国也把瑞典、法国和德国等国家的装甲钢与自己的标准进行对比分析，不断改进装甲钢的标准，装甲钢的标准水平不断提高，从而满足坦克装甲车辆发展对装甲钢的需求。自己生产虽不领先，是因为冶金已不是其经济重点，但其材料理论及防弹应用理论绝对是领先的，因此美国坦克M1A1的防弹水平也是全球领先。
美国 目前已形成以
MIL-DTL-12560《轧制均质装甲钢板军用规范》
MIL-DTL- 46100《高硬度装甲钢板军用规范》
MIL-DTL-32332《超高硬度轧制装甲钢板军用规范》为主的装甲钢标准系列。
另外还制定了
MIL-A- 46099《轧制结合双硬度装甲钢板军用规范》、
MIL-PRF-32269《凿孔均质钢装甲军用规范》、
MIL-DTL- 46193《控轧变形高强度优质装甲钢板军用规范》和
MIL-A-11356《战车型铸造均质装甲钢军用规范》等。
瑞典
提到瑞典，最有名的应该是诺贝尔。人口不到千万，最大的钢铁公司SSAB在瑞典应该相当于我国宝武的位置，产量也不到千万吨，这产量在国内还不如一个民营钢铁公司，但瑞典本国的铁矿储藏较多，LKAB是欧洲最大的铁矿石生产商，所以瑞典钢铁公司绝对是本国的主要经济支柱之一。
瑞典钢铁公司对自己的优劣有清晰的认识，深耕调质轧制钢板几十年，形成了自己高强、耐磨、防弹全系列的产品体系，目前在调质轧制高强钢生产领域绝对是领先地位。生产的装甲钢板主要有Armox和Ramor系列，Armox装甲钢主要用于中口径和大口径弹药的防护；Ramor为军民两用装甲钢。
Armox装甲钢包括Armox 370T（Class1、2）、Armox 440T、Armox 500T、Armox 600T和Armox Advance。Armox装甲钢都为细晶钢，主要合金元素为Mn、Ni、Cr、Mo、Si等，C含量在0.21～0.47之间。不建议进一步热处理。
Armox 370T 1级具有优良的高韧性和抗侵彻性能，硬度范围为HBW 300～430；Armox 370T 2级具有优良的抗冲击性能和韧性，硬度范围为280～330HBW；韧性突出，底板防雷。
Armox 440T具有优秀的抗侵彻性能和抗冲击性能，硬度范围为420～480HBW；性能平衡，加工性好，适用于复杂结构件。
Armox 500T具有很高的韧性和高硬度，硬度范围为480～540HBW；具有相对好的加工性，适用于壳体的结构装甲件。
Armox 600T具有很好抗侵彻性能和超高硬度，硬度范围为570～640HBW，适合用于披挂防护或质量要求比较苛刻的场合；
Armox Advance为瑞典最高性能的装甲钢，硬度范围为58～63HRC，目前某些性能数据还在保密状态如强度、韧性、抗弹性能等。
表 4 Armox 500T化学成分
表 5 Armox 500T力学性能
参考文献
1. 兰峰，GY4装甲钢组织相变规律及力学性能提高研究，天津大学硕士学位论文
2. 国外装甲钢及其标准发展现状， 陈京生，高永亮等，兵器装备工程学报，2020，V41, No.10
3. www.ssab.com
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标签： 坦克材料, 装甲钢, 装甲车辆
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