防護(hù)鋼研究現(xiàn)狀

李文平 李軍 王吉洋 高東宏

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司 材料與輕量化研究院，長(zhǎng)春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：防護(hù)鋼 高動(dòng)態(tài)響應(yīng) 焊接性能 防護(hù)性能

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與攻擊樣式的不斷變化以及武器性能的不斷提升，特殊場(chǎng)景下裝備和人員的防護(hù)性能也日益受到重視。對(duì)于特種防護(hù)車輛而言，防護(hù)鋼目前仍然是車身主體防護(hù)材料，防護(hù)鋼的研究與生產(chǎn)也體現(xiàn)了國(guó)家的科技水平與軍事實(shí)力，為維系軍民安全提供重要保證。由于防護(hù)鋼的主要功能是阻止子彈等武器的侵徹[1]，要求防護(hù)鋼不但具有高強(qiáng)度、高硬度，還應(yīng)具備良好的沖擊韌性。

國(guó)內(nèi)外有專家學(xué)者從不同角度對(duì)防護(hù)鋼及其發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了研究，如防護(hù)鋼的抗裂性、抗侵徹能力、防彈能力以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化等［2］。由于防護(hù)鋼強(qiáng)度、硬度高，其成形工藝主要以簡(jiǎn)單的折彎為主，本文主要從防護(hù)鋼的材料技術(shù)、焊接技術(shù)和防護(hù)技術(shù)3個(gè)方面，論述防護(hù)鋼的研究進(jìn)展。

1 防護(hù)鋼材料技術(shù)

1.1 高氮奧氏體鋼逐步成為防護(hù)鋼材料發(fā)展的新方向

防護(hù)鋼的設(shè)計(jì)理念主要采用多元微合金化，成分中一般加入錳、鉻、鉬、鎳等合金元素，典型代表如瑞典PRO500系列。由于使用性能的需要，防護(hù)鋼的組織一般為馬氏體，以達(dá)到一定的強(qiáng)度，提高抗沖擊性能。

對(duì)高氮鋼的研究，最早始于20 世紀(jì)60 年代。近年來(lái)，對(duì)高氮奧氏體鋼的深入研究[3]，特別在裝甲防護(hù)鋼方面進(jìn)行了大量的探索性研究使防護(hù)鋼的發(fā)展增加了一個(gè)新的技術(shù)方向。高氮奧氏體鋼相比較馬氏體鋼有如下優(yōu)勢(shì)。

（1）在高應(yīng)變速率的沖擊下，高氮鋼的強(qiáng)度提升幅度明顯高于馬氏體鋼，在彈體侵徹時(shí)，彈著點(diǎn)表面及次表層產(chǎn)生較強(qiáng)沖擊硬化，從而具備優(yōu)良的抗彈性能。因此，高氮奧氏體鋼在強(qiáng)度低于馬氏體鋼30%的條件下，可以達(dá)到與馬氏體鋼相近的抗彈性能。

（2）高氮奧氏體鋼的塑性顯著優(yōu)于馬氏體鋼，成形性能好。此外，高氮奧氏體鋼無(wú)需熱成形，對(duì)模具的要求低于馬氏體鋼，制造成本相對(duì)減少。

目前，高氮奧氏體鋼的研究主要聚焦在材料的組織性能及抗彈機(jī)理等方面。陳巍等[4]人對(duì)高氮鋼的組織及性能進(jìn)行了研究，圖1為某高氮鋼中氮化物的形貌，奧氏體鋼中加入氮，強(qiáng)度、韌性得到明顯提高。氮原子占據(jù)面心立方的八面體位置，這個(gè)間隙位置上導(dǎo)致變形，但不改變立方結(jié)構(gòu)對(duì)稱。氮在鋼中首先以間隙方式固溶于基體中，此外以氮化物的形態(tài)存在于晶內(nèi)或晶間，固溶氮和氮化物起到固溶強(qiáng)化的作用。

圖1 氮化物形貌[4]

奧氏體組織中存在大量的孿晶、位錯(cuò)和層錯(cuò)，晶內(nèi)、晶界有沉淀相析出，位錯(cuò)強(qiáng)化，第二相強(qiáng)化是除固溶強(qiáng)化之外高氮鋼提高強(qiáng)度的主要手段。

盡管高氮奧氏體鋼具備優(yōu)良的性能，仍需在未來(lái)的研究中針對(duì)冷成形回彈控制等關(guān)鍵技術(shù)做深入探索。

1.2 材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究不斷深入

防護(hù)鋼承受子彈侵徹過(guò)程中受動(dòng)態(tài)載荷作用，與準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)的力學(xué)性能有較大的差別，材料的失效和破壞機(jī)制也不同。研究材料在動(dòng)態(tài)沖擊下的響應(yīng)，可更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)材料性能的優(yōu)劣，能夠更精確的、有針對(duì)性地提高材料的性能并有助于防護(hù)仿真設(shè)計(jì)。

材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為主要受應(yīng)變率的影響。胡鄧平[2]等通過(guò)霍普金森桿試驗(yàn)，獲得了某防彈鋼在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，圖2 為沖擊溫度為200 ℃時(shí)某防護(hù)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，當(dāng)應(yīng)變率為1 500 s-1時(shí)其動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度約為1.23 GPa，當(dāng)應(yīng)變率為3 500 s-1材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度明顯提高，表明該材料在200 ℃時(shí)屬于應(yīng)變率敏感材料。

圖2 不同應(yīng)變率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[5]

為分析控制應(yīng)變率的材料因素，學(xué)者們進(jìn)一步研究了如何利用改善組織以避免材料出現(xiàn)高應(yīng)變率變形。在彈體侵徹時(shí)，材料發(fā)生的破壞都與高應(yīng)變率有關(guān)，如高應(yīng)變率下材料產(chǎn)生的高溫剪切破壞，因此研究如何避免材料出現(xiàn)高應(yīng)變率變形具有一定的意義。楊超等[6]人研究了合金成分、熱處理溫度對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，部分結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖中可以看出，回火溫度升高，材料的應(yīng)變率相應(yīng)提高。但由于合金成分不同，它們的上升趨勢(shì)不完全相同。說(shuō)明材料的成分對(duì)應(yīng)變率有一定的影響。同時(shí)，低溫回火時(shí)材料的應(yīng)變率較低，表明了組織狀態(tài)對(duì)應(yīng)變率的影響。尋找合適的合金元素并制定合理的熱處理工藝規(guī)范可以有效控制材料的應(yīng)變率,也是改善材料動(dòng)態(tài)性能的一種思路?，F(xiàn)有研究表明，加入Ni 有助于提高防護(hù)鋼的動(dòng)態(tài)性能。另外，鋼中加入V可生成的彌散和不易分解的碳化物，也起到提高動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度的作用。

圖3 回火溫度與應(yīng)變率的關(guān)系[6]

1.3 材料不斷向高純凈度、高均勻性發(fā)展

李曉源等[7]研究了材料對(duì)裝甲鋼抗彈性能的影響，鋼液在凝固過(guò)程中形成的組織偏析將導(dǎo)致材料性能不均勻，進(jìn)而影響抗彈性能?？刂品墙饘賷A雜物的數(shù)量及形態(tài)、提高潔凈度可以提升材料的韌性，對(duì)防護(hù)鋼的抗彈性能產(chǎn)生有利影響，其主要表現(xiàn)是提高材料的抗剝落能力及抗碎裂能力并提高抗彈性能的穩(wěn)定性[7]。為了使裝甲鋼板具備最佳的綜合性能,當(dāng)代防護(hù)鋼中雜質(zhì)元素含量均已降至較低水平。

2 防護(hù)鋼焊接技術(shù)

2.1 焊絲選材及焊接工藝對(duì)焊接性能及防彈性能的影響

隨著防護(hù)級(jí)別的提高，防護(hù)鋼的強(qiáng)度和硬度不斷提升。然而由于高強(qiáng)度、高硬度和高碳當(dāng)量，在焊接過(guò)程中熱影響區(qū)晶粒粗化、因熱循環(huán)導(dǎo)致的第二相粒子變化、從而引起熱影響區(qū)的局部軟化，這種軟化現(xiàn)象，隨焊接熱輸入的增加逐漸嚴(yán)重。硬度降低，防護(hù)裝甲的抗彈性能隨之降低，使其成為防護(hù)車輛最為薄弱的環(huán)節(jié)[8]。

合理的選擇焊接材料、焊接工藝及參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的控制及焊后零件精度的保證具有重要意義。

梁斌等[9]研究了PRO500S 防護(hù)鋼的焊接性能。焊接工藝性能試驗(yàn)共采用3 種焊絲：低合金藥芯焊絲、低合金高強(qiáng)度藥芯焊絲以及奧氏體不銹鋼焊絲。結(jié)果表明，PRO500S 防護(hù)鋼采用低合金藥芯焊絲和低合金高強(qiáng)度藥芯焊絲時(shí)，微觀檢查試樣中出現(xiàn)裂紋，且超過(guò)小鐵研試驗(yàn)20%裂紋率的界限。采用不銹鋼焊絲，表面未發(fā)現(xiàn)裂紋、橫截面出現(xiàn)個(gè)別裂紋，裂紋率小于20%，表明奧氏體不銹鋼焊絲適用于該類防護(hù)鋼。該研究還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)高溫加熱后，材料的硬度下降，防彈性能減弱。因此，不推薦利用加熱的方法進(jìn)行變形矯正，對(duì)焊接變形的控制要求貫穿于防護(hù)鋼制造全過(guò)程；并應(yīng)采取焊前預(yù)熱和焊后保溫措施；此外，為減少熱影響區(qū)的軟化，應(yīng)盡可能采用小的焊接能量。

夏浩等[10]研究了616裝甲防護(hù)鋼在復(fù)合熱源條件下的攪拌摩擦焊工藝，得出了攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度、墊板預(yù)熱溫度、預(yù)熱電流等優(yōu)化的工藝參數(shù)，并得到表面及截面無(wú)缺陷組織的焊接接頭，其焊縫硬度與母材接近。

李洪濤[11]通過(guò)研究不同熱源下溫度場(chǎng)的模型得出，激光焊具有加熱集中、熱輸入低、熱影響區(qū)窄、熔深大、穩(wěn)定性高、焊接變形小的優(yōu)點(diǎn)，適合精密焊接和微細(xì)焊接。董現(xiàn)春等[12]針對(duì)PRO500S 防護(hù)鋼，進(jìn)行了激光焊試驗(yàn)，測(cè)試了焊后樣品的防彈性能、力學(xué)性能，分析了金相組織和相組分。試驗(yàn)得出如下結(jié)論。

（1）激光焊接焊縫金屬的彈著點(diǎn)未出現(xiàn)裂紋或者穿透，距焊縫中心約5 mm 處的熱影響區(qū)出現(xiàn)破壞;

（2）在激光焊熱影響作用下，焊縫金屬、淬火粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)發(fā)生完全淬火，得到板條馬氏體和片狀馬氏體的混合組織，母材中第二相強(qiáng)化粒子主要為C與V、Ti生成的化合物，見(jiàn)圖4，硬度軟化區(qū)寬約5 mm，沖塞型穿透破壞與軟化有關(guān);

圖4 母材第二相強(qiáng)化粒子DEX分析結(jié)果[12]

（3）焊縫金屬及粗晶區(qū)析出強(qiáng)化作用降低。淬火細(xì)晶區(qū)、不完全淬火區(qū)、回火區(qū)析出強(qiáng)化作用基本不變。回火區(qū)位錯(cuò)強(qiáng)化效果的缺失，造成軟化，晶間析出的網(wǎng)狀滲碳體造成該區(qū)脆化。

隨著防護(hù)鋼強(qiáng)度逐漸提升，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度焊絲及合理的焊接工藝方案是未來(lái)工作研究的重點(diǎn)。

2.2 焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)

防護(hù)鋼的焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)，主要通過(guò)3 種冷裂紋傾向拘束焊接試驗(yàn)及1種熱裂紋傾向焊接試驗(yàn)進(jìn)行。相比較熱裂紋，冷裂紋對(duì)焊接性能的危害更大[13]。4 種評(píng)價(jià)試驗(yàn)如下。

（1）剛性固定對(duì)接冷裂紋拘束試驗(yàn)。取3 組平行試樣，將試板焊接在剛性底板上，兩塊板之間預(yù)留2 mm 間隙，然后焊接拘束焊縫。拘束焊縫焊好后在試驗(yàn)組件全部冷卻到室溫后焊接試驗(yàn)焊縫。進(jìn)行表面和截面裂紋觀察，裂紋長(zhǎng)度之和/取樣長(zhǎng)度＜20%，即可認(rèn)為焊接性良好。

（2）搭接接頭焊接冷裂紋拘束試驗(yàn)。取3組平行試樣，對(duì)試板進(jìn)行組裝，采用M12 的螺栓將上下板進(jìn)行固定，然后在水平方向焊接拘束焊縫，每側(cè)焊接兩道。待試件完全空冷至室溫后，焊接垂直方向左、右2條試驗(yàn)焊縫。焊接后取樣，每條試驗(yàn)焊縫上切取3塊試樣，共計(jì)6塊試樣。對(duì)各個(gè)試樣進(jìn)行磨拋，然后采用顯微鏡對(duì)其進(jìn)行金相觀察，觀察截面是否有裂紋并測(cè)量裂紋長(zhǎng)度。裂紋長(zhǎng)度之和/取樣長(zhǎng)度＜20%即為合格，焊接性良好。

（3）斜Y坡口冷裂紋拘束試驗(yàn)。焊縫采用雙面焊接，首先從背面焊第一層，然后再焊正面一側(cè)的第一層，不允許產(chǎn)生角度變形及未焊透，以下各層交替焊接，直至焊完。焊接試驗(yàn)部位用比2 mm 略大的塞片插入以保證試件間隙。裂紋長(zhǎng)度之和/取樣長(zhǎng)度＜20%即為合格，焊接性良好。

（4）T 型接頭焊接試驗(yàn)[14]。該試驗(yàn)為熱裂紋傾向評(píng)價(jià)試驗(yàn)，屬于搭接試驗(yàn)的一種。T 型接頭是2 個(gè)構(gòu)件相互垂直或接近垂直而形成的焊接接頭。這種接頭焊接操作時(shí)比較困難，整個(gè)接頭承受載荷的能力，特別是承受震動(dòng)載荷的能力比較差。一般需對(duì)構(gòu)件進(jìn)行包角焊，主要目的就是為了焊道與母材過(guò)渡更圓滑。避免2端開(kāi)裂等焊接缺陷的產(chǎn)生。另外一個(gè)考慮就是基于對(duì)疲勞強(qiáng)度方面的影響，包角焊時(shí)疲勞壽命明顯提升。裂紋長(zhǎng)度之和/取樣長(zhǎng)度＜20%即為合格，焊接性良好。

一汽集團(tuán)與國(guó)內(nèi)某科研單位合作，利用某奧氏體不銹鋼焊絲，結(jié)合上述4項(xiàng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)了PRO500S系列防護(hù)鋼與某國(guó)產(chǎn)裝甲鋼的焊縫質(zhì)量，結(jié)果表明國(guó)內(nèi)外材料在焊縫表面及截面均未有裂紋產(chǎn)生。

3 防護(hù)鋼防護(hù)技術(shù)

3.1 防護(hù)機(jī)理研究

關(guān)于防護(hù)鋼的防護(hù)機(jī)理研究已有多年歷史，但仍未形成完整的理論[15]，這與侵徹過(guò)程中高應(yīng)變速率所造成的過(guò)程復(fù)雜性和分析手段局限性有關(guān)。除了從力學(xué)角度研究宏觀本構(gòu)規(guī)律外，微觀組織、元素含量對(duì)防護(hù)性能的影響也非常重要。

表1為某2種防護(hù)鋼進(jìn)行抗彈試驗(yàn)后穿深及基體力學(xué)性能部分檢驗(yàn)結(jié)果。材料A的穿深0.5 mm，約為材料B的50%，但材料A的彈痕直徑約為材料B的1.5倍。硬度測(cè)試結(jié)果表明，材料A次表層硬度較基體提升的幅度顯著大于材料B。

表1 XX防護(hù)鋼檢驗(yàn)結(jié)果

圖5 為材料A、B 表層SEM 形貌，從圖中可看出，材料B 表層被一層物質(zhì)附著，經(jīng)能譜分析為彈頭材料，材料A表層未見(jiàn)明顯材料附著。

圖5 防護(hù)鋼迎彈面表面SEM形貌

基于上述分析，材料B的抗侵徹形式主要以動(dòng)態(tài)吸能為主，材料A 將子彈能量從彈著點(diǎn)向周邊輻射。力學(xué)性能的影響因素中硬度對(duì)材料的抗彈性能影響最為顯著，沖擊韌性和屈服強(qiáng)度也會(huì)對(duì)防護(hù)鋼的抗彈性能產(chǎn)生影響。此外，組織中適量的殘余奧氏體可以在一定程度上改善抗彈性能，因?yàn)闅堄鄪W氏體以層片狀分布于晶間或晶內(nèi)，可以有效阻止微裂紋擴(kuò)展，但過(guò)多的殘余奧氏體有可能割裂基體，因此，需謹(jǐn)慎控制殘奧的含量。

材料的性能和組織由元素及熱處理工藝決定，一般來(lái)說(shuō)，防護(hù)鋼中會(huì)添加較高含量的合金元素，以增強(qiáng)固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化的效果。

3.2 防護(hù)性能數(shù)值模擬研究

陳功等采用塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型和Johnson-Cook材料模型進(jìn)行建模分析，描述材料在高速?zèng)_擊下的物理特性。圖6 為子彈以500 m/s 的速度侵徹3 mm 厚度的鋼板過(guò)程圖，通過(guò)數(shù)值模擬可知，鋼板由于子彈的撞擊產(chǎn)生背突，背突深度與槍擊試驗(yàn)得到的實(shí)測(cè)值高度相似。

圖6 分別為t=3 μs，20 μs，33 μs，42 μs，72 μs 時(shí)，3 mm鋼板侵徹過(guò)程[16]

李建鵬等[17]采用ANS 用Johnson-Cook 模型和塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型兩者結(jié)合，更準(zhǔn)確地模擬了子彈對(duì)金屬材料的侵徹能力，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，采用數(shù)值分析方法分析了彈型、彈速及彈的長(zhǎng)徑比對(duì)鋼板侵徹能力的影響。圖7 是黃銅圓頭彈以500 m/s 的速度撞擊防護(hù)鋼的侵徹過(guò)程。通過(guò)數(shù)值模擬分析可知，尖頭彈的穿透能力最強(qiáng)，圓頭彈次之，平頭彈的穿透能力最差。

圖7 黃銅圓頭彈侵徹過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果［17］

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)防護(hù)車輛不僅要求穩(wěn)定的防護(hù)性能，同時(shí)要求車輛具備良好的機(jī)動(dòng)性，因此，防護(hù)鋼在具備一定防護(hù)性能的前提下應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)輕量化。劉占芳等[18]采用ANSYS對(duì)子彈抗侵徹能力數(shù)值模擬，分析了抗侵徹能力與板厚的關(guān)系，獲得了在不同強(qiáng)度下滿足防彈要求的防護(hù)鋼的極限設(shè)計(jì)厚度。試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果具有很好的對(duì)應(yīng)性，模擬結(jié)果有效地減少了試驗(yàn)的工作量，為防彈鋼板的厚度設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)。

3.3 均質(zhì)化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過(guò)軋制后的防護(hù)鋼，在二次成形中，必然會(huì)在板材內(nèi)部產(chǎn)生擇優(yōu)取向即織構(gòu)，導(dǎo)致板材在不同的方向產(chǎn)生力學(xué)性能的差異，影響防彈效果。采用電子背散射衍射技術(shù)（EBSD）[19-20]可以分析出織構(gòu)產(chǎn)生的原因。因此，控制二次成形時(shí)板材受力方向和板材晶粒度的大小可以有效地防止織構(gòu)產(chǎn)生。

目前，防護(hù)鋼仍然是車身的主體防護(hù)材料，有學(xué)者分析了分層及間隙作用對(duì)防護(hù)鋼抗侵徹能力的影響，并結(jié)合復(fù)合材料的使用[21]，達(dá)到滿足防護(hù)性能要求又實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。例如，將分別為6 mm、5 mm的兩塊防護(hù)鋼以一定間隙組合使用，其防護(hù)效果優(yōu)于一塊厚度為11 mm 的防護(hù)鋼。又如：以陶瓷作為面板、芳綸材料作為中間層，防護(hù)鋼作為基體復(fù)合使用，可以在提高防護(hù)性能的同時(shí)減少防護(hù)鋼的重量。

防護(hù)鋼的前瞻性技術(shù)方向主要集中在“智能裝甲”，例如電磁裝甲。其原理為充電的間隔裝甲板安裝在裝甲基體的前部，當(dāng)裝甲受到射流擊穿時(shí)，2個(gè)間隔裝甲板之間會(huì)形成電流的短路，這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的電磁場(chǎng)。使射流發(fā)生旋轉(zhuǎn)、斷裂甚至是發(fā)散，而殘余射流則可由車輛的結(jié)構(gòu)裝甲所吸收。

4 結(jié)束語(yǔ)

防護(hù)鋼在開(kāi)發(fā)與應(yīng)用過(guò)程中需突破材料、焊接及防護(hù)3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)階段材料等核心技術(shù)均由國(guó)外壟斷，亟需自主開(kāi)發(fā)并逐步掌握。本文論述了防護(hù)鋼研究的進(jìn)展情況，結(jié)論如下。

（1）對(duì)于高動(dòng)態(tài)響應(yīng)材料技術(shù)，采用馬氏體鋼延續(xù)多元微合金化的設(shè)計(jì)理念，不斷提高強(qiáng)度與沖擊韌性。高氮奧氏體鋼的研究逐步成為熱點(diǎn)；

（2）防護(hù)鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)為選擇合適的焊絲材料，并制定合理的焊接工藝，以此來(lái)保證零件的焊接質(zhì)量和裝配精度；

（3）提高防護(hù)鋼防護(hù)性能的主要措施為：

①深入研究防護(hù)機(jī)理，利用數(shù)值模擬分析防護(hù)鋼的抗侵徹能力，并根據(jù)需求設(shè)計(jì)合理的厚度規(guī)格。

②控制織構(gòu)的產(chǎn)生使防護(hù)性能均值化。

③采用復(fù)合材料結(jié)合間隙設(shè)計(jì)，在保證防護(hù)性能的同時(shí)，盡量減少零件質(zhì)量。