防护钢研究现状

2021-07-07李文平李军王吉洋高东宏

汽车文摘 2021年7期

李文平李军王吉洋高东宏

（1.中国第一汽车股份有限公司材料与轻量化研究院，长春 130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130013）

主题词：防护钢高动态响应焊接性能防护性能

0 前言

随着科学技术的发展与攻击样式的不断变化以及武器性能的不断提升，特殊场景下装备和人员的防护性能也日益受到重视。对于特种防护车辆而言，防护钢目前仍然是车身主体防护材料，防护钢的研究与生产也体现了国家的科技水平与军事实力，为维系军民安全提供重要保证。由于防护钢的主要功能是阻止子弹等武器的侵彻[1]，要求防护钢不但具有高强度、高硬度，还应具备良好的冲击韧性。

国内外有专家学者从不同角度对防护钢及其发展状况进行了研究，如防护钢的抗裂性、抗侵彻能力、防弹能力以及结构优化、轻量化等［2］。由于防护钢强度、硬度高，其成形工艺主要以简单的折弯为主，本文主要从防护钢的材料技术、焊接技术和防护技术3个方面，论述防护钢的研究进展。

1 防护钢材料技术

1.1 高氮奥氏体钢逐步成为防护钢材料发展的新方向

防护钢的设计理念主要采用多元微合金化，成分中一般加入锰、铬、钼、镍等合金元素，典型代表如瑞典PRO500系列。由于使用性能的需要，防护钢的组织一般为马氏体，以达到一定的强度，提高抗冲击性能。

对高氮钢的研究，最早始于20 世纪60 年代。近年来，对高氮奥氏体钢的深入研究[3]，特别在装甲防护钢方面进行了大量的探索性研究使防护钢的发展增加了一个新的技术方向。高氮奥氏体钢相比较马氏体钢有如下优势。

（1）在高应变速率的冲击下，高氮钢的强度提升幅度明显高于马氏体钢，在弹体侵彻时，弹着点表面及次表层产生较强冲击硬化，从而具备优良的抗弹性能。因此，高氮奥氏体钢在强度低于马氏体钢30%的条件下，可以达到与马氏体钢相近的抗弹性能。

（2）高氮奥氏体钢的塑性显著优于马氏体钢，成形性能好。此外，高氮奥氏体钢无需热成形，对模具的要求低于马氏体钢，制造成本相对减少。

目前，高氮奥氏体钢的研究主要聚焦在材料的组织性能及抗弹机理等方面。陈巍等[4]人对高氮钢的组织及性能进行了研究，图1为某高氮钢中氮化物的形貌，奥氏体钢中加入氮，强度、韧性得到明显提高。氮原子占据面心立方的八面体位置，这个间隙位置上导致变形，但不改变立方结构对称。氮在钢中首先以间隙方式固溶于基体中，此外以氮化物的形态存在于晶内或晶间，固溶氮和氮化物起到固溶强化的作用。

图1 氮化物形貌[4]

奥氏体组织中存在大量的孪晶、位错和层错，晶内、晶界有沉淀相析出，位错强化，第二相强化是除固溶强化之外高氮钢提高强度的主要手段。

尽管高氮奥氏体钢具备优良的性能，仍需在未来的研究中针对冷成形回弹控制等关键技术做深入探索。

1.2 材料动态力学性能的研究不断深入

防护钢承受子弹侵彻过程中受动态载荷作用，与准静态时的力学性能有较大的差别，材料的失效和破坏机制也不同。研究材料在动态冲击下的响应，可更加准确地评价材料性能的优劣，能够更精确的、有针对性地提高材料的性能并有助于防护仿真设计。

材料的动态力学行为主要受应变率的影响。胡邓平[2]等通过霍普金森杆试验，获得了某防弹钢在高应变率下的动态力学性能，图2 为冲击温度为200 ℃时某防护钢的应力-应变曲线，当应变率为1 500 s-1时其动态屈服强度约为1.23 GPa，当应变率为3 500 s-1材料的动态屈服强度明显提高，表明该材料在200 ℃时属于应变率敏感材料。

图2 不同应变率的应力-应变曲线[5]

为分析控制应变率的材料因素，学者们进一步研究了如何利用改善组织以避免材料出现高应变率变形。在弹体侵彻时，材料发生的破坏都与高应变率有关，如高应变率下材料产生的高温剪切破坏，因此研究如何避免材料出现高应变率变形具有一定的意义。杨超等[6]人研究了合金成分、热处理温度对材料动态力学性能的影响，部分结果见图3。从图中可以看出，回火温度升高，材料的应变率相应提高。但由于合金成分不同，它们的上升趋势不完全相同。说明材料的成分对应变率有一定的影响。同时，低温回火时材料的应变率较低，表明了组织状态对应变率的影响。寻找合适的合金元素并制定合理的热处理工艺规范可以有效控制材料的应变率,也是改善材料动态性能的一种思路。现有研究表明，加入Ni 有助于提高防护钢的动态性能。另外，钢中加入V可生成的弥散和不易分解的碳化物，也起到提高动态屈服强度的作用。

图3 回火温度与应变率的关系[6]

1.3 材料不断向高纯净度、高均匀性发展

李晓源等[7]研究了材料对装甲钢抗弹性能的影响，钢液在凝固过程中形成的组织偏析将导致材料性能不均匀，进而影响抗弹性能。控制非金属夹杂物的数量及形态、提高洁净度可以提升材料的韧性，对防护钢的抗弹性能产生有利影响，其主要表现是提高材料的抗剥落能力及抗碎裂能力并提高抗弹性能的稳定性[7]。为了使装甲钢板具备最佳的综合性能,当代防护钢中杂质元素含量均已降至较低水平。

2 防护钢焊接技术

2.1 焊丝选材及焊接工艺对焊接性能及防弹性能的影响

随着防护级别的提高，防护钢的强度和硬度不断提升。然而由于高强度、高硬度和高碳当量，在焊接过程中热影响区晶粒粗化、因热循环导致的第二相粒子变化、从而引起热影响区的局部软化，这种软化现象，随焊接热输入的增加逐渐严重。硬度降低，防护装甲的抗弹性能随之降低，使其成为防护车辆最为薄弱的环节[8]。

合理的选择焊接材料、焊接工艺及参数对焊接质量的控制及焊后零件精度的保证具有重要意义。

梁斌等[9]研究了PRO500S 防护钢的焊接性能。焊接工艺性能试验共采用3 种焊丝：低合金药芯焊丝、低合金高强度药芯焊丝以及奥氏体不锈钢焊丝。结果表明，PRO500S 防护钢采用低合金药芯焊丝和低合金高强度药芯焊丝时，微观检查试样中出现裂纹，且超过小铁研试验20%裂纹率的界限。采用不锈钢焊丝，表面未发现裂纹、横截面出现个别裂纹，裂纹率小于20%，表明奥氏体不锈钢焊丝适用于该类防护钢。该研究还发现，经过高温加热后，材料的硬度下降，防弹性能减弱。因此，不推荐利用加热的方法进行变形矫正，对焊接变形的控制要求贯穿于防护钢制造全过程；并应采取焊前预热和焊后保温措施；此外，为减少热影响区的软化，应尽可能采用小的焊接能量。

夏浩等[10]研究了616装甲防护钢在复合热源条件下的搅拌摩擦焊工艺，得出了搅拌头转速、焊接速度、垫板预热温度、预热电流等优化的工艺参数，并得到表面及截面无缺陷组织的焊接接头，其焊缝硬度与母材接近。

李洪涛[11]通过研究不同热源下温度场的模型得出，激光焊具有加热集中、热输入低、热影响区窄、熔深大、稳定性高、焊接变形小的优点，适合精密焊接和微细焊接。董现春等[12]针对PRO500S 防护钢，进行了激光焊试验，测试了焊后样品的防弹性能、力学性能，分析了金相组织和相组分。试验得出如下结论。

（1）激光焊接焊缝金属的弹着点未出现裂纹或者穿透，距焊缝中心约5 mm 处的热影响区出现破坏;

（2）在激光焊热影响作用下，焊缝金属、淬火粗晶区、细晶区发生完全淬火，得到板条马氏体和片状马氏体的混合组织，母材中第二相强化粒子主要为C与V、Ti生成的化合物，见图4，硬度软化区宽约5 mm，冲塞型穿透破坏与软化有关;

图4 母材第二相强化粒子DEX分析结果[12]

（3）焊缝金属及粗晶区析出强化作用降低。淬火细晶区、不完全淬火区、回火区析出强化作用基本不变。回火区位错强化效果的缺失，造成软化，晶间析出的网状渗碳体造成该区脆化。

随着防护钢强度逐渐提升，开发高强度焊丝及合理的焊接工艺方案是未来工作研究的重点。

2.2 焊接质量评价技术

防护钢的焊接质量评价，主要通过3 种冷裂纹倾向拘束焊接试验及1种热裂纹倾向焊接试验进行。相比较热裂纹，冷裂纹对焊接性能的危害更大[13]。4 种评价试验如下。

（1）刚性固定对接冷裂纹拘束试验。取3 组平行试样，将试板焊接在刚性底板上，两块板之间预留2 mm 间隙，然后焊接拘束焊缝。拘束焊缝焊好后在试验组件全部冷却到室温后焊接试验焊缝。进行表面和截面裂纹观察，裂纹长度之和/取样长度＜20%，即可认为焊接性良好。

（2）搭接接头焊接冷裂纹拘束试验。取3组平行试样，对试板进行组装，采用M12 的螺栓将上下板进行固定，然后在水平方向焊接拘束焊缝，每侧焊接两道。待试件完全空冷至室温后，焊接垂直方向左、右2条试验焊缝。焊接后取样，每条试验焊缝上切取3块试样，共计6块试样。对各个试样进行磨抛，然后采用显微镜对其进行金相观察，观察截面是否有裂纹并测量裂纹长度。裂纹长度之和/取样长度＜20%即为合格，焊接性良好。

（3）斜Y坡口冷裂纹拘束试验。焊缝采用双面焊接，首先从背面焊第一层，然后再焊正面一侧的第一层，不允许产生角度变形及未焊透，以下各层交替焊接，直至焊完。焊接试验部位用比2 mm 略大的塞片插入以保证试件间隙。裂纹长度之和/取样长度＜20%即为合格，焊接性良好。

（4）T 型接头焊接试验[14]。该试验为热裂纹倾向评价试验，属于搭接试验的一种。T 型接头是2 个构件相互垂直或接近垂直而形成的焊接接头。这种接头焊接操作时比较困难，整个接头承受载荷的能力，特别是承受震动载荷的能力比较差。一般需对构件进行包角焊，主要目的就是为了焊道与母材过渡更圆滑。避免2端开裂等焊接缺陷的产生。另外一个考虑就是基于对疲劳强度方面的影响，包角焊时疲劳寿命明显提升。裂纹长度之和/取样长度＜20%即为合格，焊接性良好。

一汽集团与国内某科研单位合作，利用某奥氏体不锈钢焊丝，结合上述4项试验评价了PRO500S系列防护钢与某国产装甲钢的焊缝质量，结果表明国内外材料在焊缝表面及截面均未有裂纹产生。

3 防护钢防护技术

3.1 防护机理研究

关于防护钢的防护机理研究已有多年历史，但仍未形成完整的理论[15]，这与侵彻过程中高应变速率所造成的过程复杂性和分析手段局限性有关。除了从力学角度研究宏观本构规律外，微观组织、元素含量对防护性能的影响也非常重要。

表1为某2种防护钢进行抗弹试验后穿深及基体力学性能部分检验结果。材料A的穿深0.5 mm，约为材料B的50%，但材料A的弹痕直径约为材料B的1.5倍。硬度测试结果表明，材料A次表层硬度较基体提升的幅度显著大于材料B。

表1 XX防护钢检验结果

图5 为材料A、B 表层SEM 形貌，从图中可看出，材料B 表层被一层物质附着，经能谱分析为弹头材料，材料A表层未见明显材料附着。

图5 防护钢迎弹面表面SEM形貌

基于上述分析，材料B的抗侵彻形式主要以动态吸能为主，材料A 将子弹能量从弹着点向周边辐射。力学性能的影响因素中硬度对材料的抗弹性能影响最为显著，冲击韧性和屈服强度也会对防护钢的抗弹性能产生影响。此外，组织中适量的残余奥氏体可以在一定程度上改善抗弹性能，因为残余奥氏体以层片状分布于晶间或晶内，可以有效阻止微裂纹扩展，但过多的残余奥氏体有可能割裂基体，因此，需谨慎控制残奥的含量。

材料的性能和组织由元素及热处理工艺决定，一般来说，防护钢中会添加较高含量的合金元素，以增强固溶强化、细晶强化及位错强化的效果。

3.2 防护性能数值模拟研究

陈功等采用塑性随动强化模型和Johnson-Cook材料模型进行建模分析，描述材料在高速冲击下的物理特性。图6 为子弹以500 m/s 的速度侵彻3 mm 厚度的钢板过程图，通过数值模拟可知，钢板由于子弹的撞击产生背突，背突深度与枪击试验得到的实测值高度相似。

图6 分别为t=3 μs，20 μs，33 μs，42 μs，72 μs 时，3 mm钢板侵彻过程[16]

李建鹏等[17]采用ANS 用Johnson-Cook 模型和塑性随动强化模型两者结合，更准确地模拟了子弹对金属材料的侵彻能力，并结合实验数据进行对比，采用数值分析方法分析了弹型、弹速及弹的长径比对钢板侵彻能力的影响。图7 是黄铜圆头弹以500 m/s 的速度撞击防护钢的侵彻过程。通过数值模拟分析可知，尖头弹的穿透能力最强，圆头弹次之，平头弹的穿透能力最差。

图7 黄铜圆头弹侵彻过程的数值模拟结果［17］

现代战争对防护车辆不仅要求稳定的防护性能，同时要求车辆具备良好的机动性，因此，防护钢在具备一定防护性能的前提下应尽可能实现轻量化。刘占芳等[18]采用ANSYS对子弹抗侵彻能力数值模拟，分析了抗侵彻能力与板厚的关系，获得了在不同强度下满足防弹要求的防护钢的极限设计厚度。试验结果和模拟结果具有很好的对应性，模拟结果有效地减少了试验的工作量，为防弹钢板的厚度设计提供了有力的依据。

3.3 均质化及结构优化

经过轧制后的防护钢，在二次成形中，必然会在板材内部产生择优取向即织构，导致板材在不同的方向产生力学性能的差异，影响防弹效果。采用电子背散射衍射技术（EBSD）[19-20]可以分析出织构产生的原因。因此，控制二次成形时板材受力方向和板材晶粒度的大小可以有效地防止织构产生。

目前，防护钢仍然是车身的主体防护材料，有学者分析了分层及间隙作用对防护钢抗侵彻能力的影响，并结合复合材料的使用[21]，达到满足防护性能要求又实现轻量化的目的。例如，将分别为6 mm、5 mm的两块防护钢以一定间隙组合使用，其防护效果优于一块厚度为11 mm 的防护钢。又如：以陶瓷作为面板、芳纶材料作为中间层，防护钢作为基体复合使用，可以在提高防护性能的同时减少防护钢的重量。

防护钢的前瞻性技术方向主要集中在“智能装甲”，例如电磁装甲。其原理为充电的间隔装甲板安装在装甲基体的前部，当装甲受到射流击穿时，2个间隔装甲板之间会形成电流的短路，这会产生一个强大的电磁场。使射流发生旋转、断裂甚至是发散，而残余射流则可由车辆的结构装甲所吸收。