3. Образование кратера в материалах преграды: влияние свойств материалов преграды-показателей прочности и плотности ;влияние плотности, твердости и скорости ударника.

При создании системы защиты основным техническим требованием при заданных размерах, свойствах и скорости ударника является минимальные масса преграды или ее толщина при установленной площади. Обычно наблюдаемые эффекты при переходе от полубесконечной к минимальной толщине преграды следующие: образование кратера без откола (рис. 2.14, а); образование кратера и откола с разделительным слоем преграды (рис. 2.14, б, в); объединение кратера и откола (рис. 2.14, г).

Физически картина понятна – уменьшение объема деформированной зоны увеличивает долю энергии на образование кратера и его объем. Одновременно увеличивается доля импульса удара, выходящего на свободную поверхность, ее скорость возрастает и может, в принципе, достигать двойной скорости удара. В результате объем преграды в области тыльной поверхности откалывается от основной массы за счет наложения на прямую ударную волну сжатия отраженной волны растяжения. При этом определяющую роль играют дефекты металлургического производства (выплавки, прокатки), лежащие в плоскости листа по нормали к направлению прокатки и удару.

Рис. 2.14. Глубина проникновения L алюминиевых сферических ударников диаметром 3,2 мм и массой 0,047 г при скорости удара 7,4 км/с в плоские мишени из сплава 2024 разной толщины t: а – t = 51 мм; L = 6,6 мм; б – t = 14 мм; L = 6,9 мм; в – t = 13 мм; L = 7,1 мм; г – t = 10 мм, сквозное отверстие [2.12]

Пробивание мишени по существу является предельным состоянием материала и зависит от обусловленных и случайных факторов, таких, как условия соударения и распределение технологических дефектов, поэтому нет возможности оценивать все варианты. Как правило, экспериментальные данные относятся к конкретным условиям соударения с переменной скоростью или толщиной преграды. На рис. 2.15 показана зависимость относительной глубины проникновения L/d (d – диаметр сферического ударника) от относительной толщины преграды  /d для скорости 7,4 км/с. Важно отметить, что откол может проявляться в различных условиях и определяться как металлургическим качеством сплава, так и жесткостью соударения, например, затупление ударника ухудшает возможности пластической деформации и способствует образованию откола.

Рис. 2.15. Зависимость относительной глубины проникновения алюминиевых сферических ударников (d = 3,2 мм, m = 0,047 г) от относительной толщины преграды при скорости v = 7,4 км/с, преграда из сплава 2024 (Д16) [2.12]

При изучении соударения тел принято выделять условно три режима по скорости ударника:

1. Низкоскоростной при v < 200 м/с, реализуемый в процессах обработки давлением.

2. Среднескоростной при скорости v = 200 … 2000 м/с, реализуемый в условиях артиллерийского обстрела снарядами в основном кинетического действия.

3. Высокоскоростной при v > 2000 м/с, относящийся к снарядам детонационного действия (фугасным, кумулятивным и др.) и к быстролетящим метеоритам.

Определенная доля кинетической энергии ударника, не поддающаяся оценке, расходуется на радиационное, световое и электромагнитное излучение с фронта ударной волны, выходящей на поверхность ударника и преграды, в окружающую среду, а также на ударное сжатие окружающей среды свободной поверхностью, скорость которой может достигать удвоенной скорости удара. Значительная часть энергии может поглощаться при ударном сжатии, в общем смысле, пористого материала преграды, а также при его изоэнтропийной разгрузке.

Таким образом, поведение структурированных материалов преграды и ударника при высокоскоростном взаимодействии в период времени, не превышающий 1 мкс, обусловлено неопределенностью в развитии импульса и напряженного состояния материала:

– при фиксированных координатах импульс в объеме структурной составляющей неопределен по величине и направлению, т. е. локальный объем может двигаться в любом направлении по отношению к направлению удара (навстречу, вперед, в стороны);

– в фиксированный момент времени локальный объем может испытывать сжатие или растяжение с соответствующими фазовыми превращениями или временно находиться в состоянии покоя.

С инженерной точки зрения поведение преграды и ударника при высокоскоростном взаимодействии определяется несколькими основными факторами, поддающимися измерению и анализу:

– структурой, плотностью и механическими свойствами преграды и ударника, в основном твердостью, характеризующей процессы разрушения;

– формой ударника, определяющей время взаимодействия, и скоростью, определяющей энергию и импульс;

– особенностью конструкции ударника и условиями соударения, включая угол между осью удара и нормалью к поверхности преграды, и угол нутации (между осью снаряда и вектором скорости центра масс), который может достигать 10 … 15.

.

Повышение твердости увеличивает удельные затраты на образование кратера, а также критические напряжения среза для образования «пробки». Остаточная скорость снарядов (рис. 2.16, а) при скоростях обстрела, близких к баллистическому пределу снижается при уменьшении твердости снарядов. При высоких скоростях обстрела (v = 1300 … 1400 м/с) влияние твердости снарядов не проявляется.

На рис. 2.16, а приведена зависимость предельной баллистической скорости от твердости материала ударника и преграды. При увеличении твердости (ударник с d = 5,6 мм, удлинением L/d = 10 и конической головной частью с углом при вершине 50) с НВ 270 до НВ 580 предельная баллистическая скорость снизилась на 25 %. Повышение твердости броневой стали с НВ 140 до НВ 370 увеличивает предельную баллистическую скорость примерно на 200 м/с или на 20 %. Поскольку наибольшая твердость стальной преграды составляла только НВ 370, отколов, по-видимому, не наблюдалось и твердость для данных ударников может быть повышена до НВ 500 (HRC 50).

Рис. 2.16. Влияние твердости материала снаряда на предельную баллистическую скорость. Твердость материала снарядов (а): о – НВ = 555 … 600;  – НВ = 375 … 430;  – НВ = 255 … 285; твердость преграды (б): – сталь RHA, НВ = 370; □–□– сталь RHA, НВ = 220; о–о – мягкая сталь, НВ = 140 [2.13]

Рис. 2.17. Влияние материала снаряда на предельную баллистическую скорость: о–о – инструментальная сталь S7 (У7); □–□– карбид вольфрама; – – вольфрамовый сплав; – – уран;  – угол между нормалью и осью ударника; l – толщина преграды [2.13]

Влияние плотности материала определяется давлением в ударной волне, которое растет пропорционально плотности. Оно несколько уменьшается по мере увеличения угла между нормалью и осью ударника (рис. 2.17). При выбранных авторами [2.13] параметрах, форме ударника (L/d = 10 и m = 65 г) последний из инструментальной стали S7 (У7) уступает по бронепробиваемости другим материалам во всем диапазоне углов соударения. Ударник из карбида вольфрама имеет преимущество перед ударниками из вольфрама и урана при углах встречи  < 70.

Недостаточная пробивная способность ударника из инструментальной стали определяется меньшим уровнем давления, возникающим в преграде, которое при скорости v = 1000 м/с составляет Р  8 ГПа, по сравнению с давлением при ударе вольфрамовым (урановым) снарядом Р  19,2 ГПа. Некоторое увеличение длины ударника из инструментальной стали L = 102 мм по сравнению с ударником из вольфрама L = 76 мм, необходимое для обеспечения равной массы m = 65 г, незначительно увеличивает время действия давления (~25 %). Снижение эффективности ударников из карбида вольфрама при  > 70 определяется их низкой прочностью на изгиб _изг  1000 МПа. Вольфрам имеет в деформированном состоянии предел прочности _в = 1000 … 1500 МПа, что определяет преимущество изготовленных из вольфрама ударников при больших углах соударения. При углах соударения  > 60 наибольшую эффективность имеют ударники, изготовленные из урана, что может быть объяснено высокой пластичностью урана, составляющей  = 10 %, что недостижимо для карбида вольфрама, сплавов вольфрама и инструментальных сталей в упрочненном состоянии.

Колебания снаряда относительно центра масс и угол нутации между вектором скорости центра масс и продольной осью ударника приводят к разбросу предельной баллистической скорости. Например, результаты, приведенные в [2.13], показывают, что при угле рыскания (угол в горизонтальной плоскости между продольной осью ударника и вектором скорости центра масс) 3 приращение v/v_р < 1 % и при его возрастании до 10 увеличивается до v/v_р = 10 %.

Очевидно, что удлинение снаряда снижает предельную баллистическую скорость и увеличивает необходимую для защиты толщину преграды. Из рис. 2.18 видно, что при v_р = 1250 м/с стальные ударники пробивают мишени: толщиной l = 3d при L/d = 5; толщиной l = 4d при L/d = 10; толщиной l = 6,5d при L/d = 20. Предельная баллистическая скорость v_p определяет то значение скорости ударника, при которой происходит пробитие с соответствующей вероятностью р. Так, в [2.13] «для определенной комбинации характеристик снаряда и мишени» приводятся вероятности пробития: при v₁₀ = 700 м/с, равная 10 %; при v₅₀ = 850 м/с – 50 % и при v₉₀ = 1000 м/с – 90 %.

Рис. 2.18. Влияние безразмерной толщины мишени на предельную баллистическую скорость:  – l/d = 5; о – l/d = 10; □ – l/d = 20

Причиной такого большого разброса скорости соударения v/v_min = 0,43 для вероятностей пробития 10 и 90 % заключается в разбросе характеристик ударника и преграды и условий соударения влияющих на показатель поражения. В [2.14] на основе анализа химической неоднородности и механических свойств стали показано, что распределение характеристик описывается нормальным законом с относительной дисперсией , равной 0,1 … 0,3, что определяет большой разброс работоспособности стальных деталей, возрастающий в условиях эксплуатации, приводящих к охрупчиванию материала; S² – дисперсия случайных значений характеристики. Например, малоцикловая усталость, определяемая по числу циклов до разрушения, может отличаться в образцах из одной партии стали, проходящей контроль качества, в 10 раз. При статическом нагружении работоспособность образцов одной партии отличается не более, чем на 50 %.