高强度低碳马氏体装甲钢先进性能试验的设计The design of advanced performance high strength low-carbon martensitic armour steels起止页码：140-153出版日期（期刊号）：Material science and Engineering A 485(2008) 140-153出版单位：Material science and Engineering外文翻译译文：摘要：通过一系列的回火马氏体合金钢的试验，我们发现对于给出的不同化学组成的装甲钢，先进弹道试验的热处理参数与更高机械性能所需的热处理参数不同，从而导致了具体的机械性能与弹道试验之间产生了矛盾。

通过对13组回火马氏体装甲钢板进行系统的显微分析和断面分析使我们更好的理解和提高那些实际上机械性能低于目前军用和国防用的材料的弹道试验用钢的性能。

而且，在弹道试验中，夹渣所引起的不利影响取决于回火温度和应变速率。

关键词：装甲钢；机械性能；弹道试验；应变速率；马氏体；夹渣1.简介：现今，一些作者指出装甲钢的机械性能和弹道试验之间缺乏一致对应性。

到目前为止，提出了从使用强度和基体硬度的设计等诸多疑问。

因此，找出另一种更接近弹道试验的预测结果的可行的显微结构，显得非常必要。

在之前的文章中我们已经提到了厚度小于6mm的马氏体钢板，其显微结构对弹道试验性能的影响。

在本文中我们将一系列MnS夹渣钢板在第应变速率的冲击试验和室温下的拉伸试验的结果进行了比较，并且在高应变速率下对断面形板进行弹道试验，目的是为了了解基于机械性能的预测与目前大多数的设计实例之间的不符之处。

在弹道试验中，我们所用的回火马氏体钢板其厚度都小于8.5mm。

在局部横向电磁场作用下，弹道试验表明，高温下冲击诱使初始的孪生马氏体向奥氏体转变，最后转变成非孪生的马氏体。

此结果与Bai和Dodd，及Rosenberg 和Dekel 关于绝热剪切带的存在，形成与冲击区，其中最高温度超过720℃，可以达到诱使相变的提议不谋而合。

高速弹头穿入金属装甲钢的深度是一个具有重大研究意义的指标。

它适合用来标定没有正规或统一标准的装甲钢设计。

每一个国家或国家联合机构所采用的试验的具体试样和工序，取决于它们对该物体的定义和具体的质量水平（如板厚，材料类型，弹药重量，弹头大小，速度，以及评价试验成功的参数标准）。

对于不同客户的不同需求，制造商有义务改善其产品的性能来满足客户的要求。

最常用而且是最综合的试验标准是由美国国家司法研究所出版的，其标准的出版是为军事力量服务的，用来测试单兵作战装备的性能。

现在，其他的组织把这些标准作为私用，北约组织制定自己的标准，其众所周知的名气是以缩写STANAG 出现的。

澳大利亚和新西兰也制定了标准，其缩写为AS/NZS 。

PSDB 研究了穿透试验，并制定了一个标准和测试体制，现在被广泛应用并且一部分被美国国家司法研究所采用。

南非引入了新的弹道试验方法和评定标准，使装甲钢在满足力学定律得前提下，保持结构完整等具体要求。

因此，对使用者而言，对于一种材料基于某种不确定用途是没有固定的试验要求的。

考虑到大多数标准在弹道时具有确定的参数限制和评价是的目标系统的漏洞，自然而然地提出了临界速度V50的概念。

它将穿入和不穿入两种情况区别开来。

Czarnecki 认为V50参数在弹头击中钢板时能量转变上有一定的波动。

V50是众多于冲击相关的参数的基础，。

工程上的参数变化包括（尖头形状，横截面积，L-D 比，质量和刚度）和目标参数（材料性能，厚度，放置位置，边界条件）等其他因素。

Naik et al.确定和定义了45个参数和基本要求来模拟弹道试验行为中纤维组成。

简单地说，V50是通过在正常的射击路线下，弹头击中目标表面而确定的，当需要更精确的弹道参数定义时，实验者必须做大量的实验来使V50趋于某一固定值。

STANAG 预先确定相对于NATO 为7.62mm 装甲钢穿透的最大厚度约为80mm 的弹道试验极限速度V50=580，980，1536和2008m/s 。

美国国家司法研究预先确定用弹头为M33 0.5 时其临界速度V50=400，600和800m/s.弹道试验如绝热剪切形变一样是与动态变形相关而闻名的。

Hickey 提出了另一种评定弹道试验的方法，质量效率，Em 是一个比值，其公式如下：505046)()(46)/()/(atthesameV V Al ofTi ness platethick density ofRHA ness platethick density atthesameV V Al ofTi area weight ofRHAarea weight E m --⨯⨯=--=此公式在Lee et al 的论文中提到过，当其临界速度变化仅有1%时而质量效率的波动在2%到9%之间。

Lee et al 在室温和应变速率为10-3/s 下做了拉伸试验，运用统计学和Kolsky 的动态测试技术将弹道试验和绝热剪脐带的行为及材料的显微结构之间的关系建立起来。

此关系表明对厚度和相同的空气密度的同一材料相同在理想的显微结构下V50是可以继续提高的。

这与Hammond 和Proud ，Bai 和Dodd ，Rosenberg 和Dekel 等的在本文中提到的观点相近。

一些研究表明装甲钢的两向和三向应力应变状态取决于其厚度，而且在弹道试验中对其几何形状和硬度有重要影响。

Ben-Dor et al.提出了一种对任意两种材料组合的构件的理想设计的分析方法。

在它们的设计中，弹道极限速度是预先设定好的，最小的空气密度采用理想物体状态下的密度。

现今，很多智能程序和分析模型发展迅速，确保了弹道试验结果预测的准确性。

其中涉及的在室温下低应变速率条件的机械性能和高应变速率下的强度和延伸率等性能是通过Split Hopkinson的压力杆原理来确定的。

装甲钢材料的不均匀性，夹渣物的参予和形状及其分布，晶粒边界几何形状，初始相的状态等对弹道试验的影响在其模型中不会明显的显现出来。

在弹道应变速率下材料的组分的变化成为了本试验结果与前人结果不同的合理解释之一。

2.材料和试验2.1化学组成和机械加工开始的五组试验装甲钢命名为G1A到G3，其名称是由弹道试验的标准定义的，在2.2节会提到，与现在生产或使用中的装甲钢相比，将其命名为A66，M38和RL5。

其化学组成如表1所示：将5Kg熔融合金注入到45mmx70mmx230mm的低碳钢模型空腔中，所形成的钢锭使其在1100℃保持一小时，然后再经过4道热轧工序，其收缩量约为20%，每道工序减少板厚60.2mm，成型温度介于950到900℃，然后空冷。

将此钢板在900℃奥氏体化20min，淬火（水作介质），然后在180℃到250℃回火20min至1h。

在进行弹道测试之前，我们对钢板的显微结构和晶相要进行电子显微镜和X射线衍射分析。

进行弹道试验的钢板尺寸为宽200-500mm，长500-550mm。

2.2弹道测试现今，使用最广的车辆用装甲钢，其规格是STANAG4659.此规格的钢材要求M193尺寸为5.56mmx45mm的弹头其冲击速度为937 20m/s。

这意味着其冲击速度可在917到957之间选择。

在目前的工作中，对于M193和R4测试，V50 是预先设定好的上限冲击速度。

通过每次冲击来评定弹道测试的结果，在冲击区没有光线通过或是在其表面的突起处没有裂开，这两种情况均可认为试验成功。

在多次冲击测试中，一旦产生了上述其中一种现象，则认为此钢板弹道测试失败。

将钢板沿宽度250mm方向夹紧，记录下每次冲击的参数和结果，一般每块钢板进行五次冲击测试。

若在五次冲击中，既有成功的又有失的，则认为此次试验为“部分失败”。

3.弹道测试结果3.1弹道测试报告表2表明了根据目前南非归规格测试的装甲钢材料的使用机械性能。

另外，马氏体温度开始于（Ms），小部分仍保持奥氏体状态钢板的屈服强度被认为是重要的设计参数。

由于热处理对钢板厚度的限制，在-40℃下用尺寸为5mmx10mmx55mm的替代试样来测试其冲击吸收功。

A66，M38和RL5钢的冲击功的测试试样是由对应的制造商提供的标准试样。

这8种马氏体钢的弹道试验结果如表3所示。

表2弹道试验前钢板的性能注：对于商业用钢，CIE值是根据具体的生产规格来选取。

表3从弹道试验报告上，我们可以得出，薄的马氏体板起屈强比较小，对抵抗弹道冲击更有效，然而报告也表明，高硬度，高屈服强度和极限强度的板是不适合来说明马氏体钢的良好的弹道性能的。

典型的弹道试验如图1（a）所示，它表明中等冲击水平下，钢板没有穿透或裂开，在图的正前方的白点是铅和铜质在胶片上的投影。

图1（b）所示的是清除干净后的失败的弹道实验钢板。

4.机械性能的测量4.1 试样制备和机械性能的测量将拉伸试样和夏比冲击的替代试样在800，850，900和950下奥氏体化20min。

另外，在氩气气氛和水作介质下淬火，形成马氏体的显微结构。

将试样150，180，200，250，300，350和400℃下进行不同时间的回火处理，回火时长15-60min。

将拉伸试样沿平行于轧制方向线切割，然后根据ASTM E8-04标准，在INSTRON 8500液压拉伸试验机上测试其屈服强度，极限拉伸强度，和延伸率。

根据目前的设计程序，室温下的极限拉伸强度被认为是弹道实验的第一个限制因素。

作为拉伸性能的一种情况，现今沿用的冲击功测试规格，即在一个相对弹道实验“较慢”的应变速率下测试拉伸性能。

在-40℃下测出的试样的冲击功来修正和指导弹道性能的第二个限制因素。

在马氏体转变温度装甲钢的弹道性能和机械性能通过THETA734膨胀计来测定。

将试样切割成10mmx5mmx1.5mm的矩形体，机械打磨光滑和在0℃的4%的高氯酸中浸洗。

将酸洗的试样在原子力显微镜下观察表面及马氏体的转变。

将试样以1-2℃/min加热到奥氏体转变温度，然后将其入水20min，再以200℃/s在氩气流下淬火到室温，马氏体转变温度从图1（c）冷却途径可以得出。

图1（a）G1A钢弹道冲击的正面图；（b）G2A**未通过试验的明显的弹痕图；（c）A66钢马氏体开始转变温度的确定快冷线。

在电子显微镜下观察的晶片直径为3mm是从淬火，回火钢预先准备的弹道实验钢板上切割下来的。

拉伸和冲击实验及弹道试验后材料的表面要在JEOL-JSM-6300扫描电子显微镜上经过模型分析，来确定其可能出现的夹渣情况。

4.2极限强度，屈强比和夏比冲击功G1A到G3五种测量不同奥氏体化和回火温度下的装甲钢的极限强度，屈强比和在-40℃下的冲击功用方程来描述三中性能之间相对于热处理温度之间的关系，以及其表面状态来确定其性能的测量值。