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 праву может 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 сMg, 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 сообщения.

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.

Рис. 1. Расположение металлов и неметаллов на СК – ПСА

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.

Рис. 2. Зависимость орбитальных радиусов атомов от порядкового номера элемента верхняя линия – граница раздела между металлами (вверху) и неметаллами (внизу)

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), сплавов Al–Cu (серия 2000), сплав Al–Mn–Mg (3000), Al–Si (4000), Al–Mg (5000), Al–Mg–Si (6000),Al–Zn–Mg (7000) до сплавов Al–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 металлополимерных бронешлемах и в виде чешуйчато собранныхна 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.

Рис. 3. Удельные веса простых веществ, образуемых конкретными элементами

Рис. 4. Сопоставление эффективности использования основных групп металлов в качестве корпусных металлов. Очевидно 9-кратное превосходство Al перед сталью по жёсткости на изгиб