装甲的出现与发展经历了非常悠久的历程,自火药发射的热兵器出现后,从最开始抵御小型武器子弹、炸弹到后来的破甲弹,对装甲防护的要求越来越高,装甲车辆的钢装甲厚度一直在不断增加。
19世纪初,由于蒸汽机的应用和冶炼技术的发展,使得熟铁被用来制造排水量较大战舰的装甲,到了19世纪末出现了正规的装甲钢,随着火炮的线膛化和穿、破甲技术的发展,装甲的厚度和质量都在急剧增加,随即出现了“装甲防护技术”。自1915年,厚度为5mm~10 mm的装甲钢在世界第一辆坦克上得到应用。
到21世纪初期,反装甲武器的破甲性能已超过1000 mm的均质装甲钢板,穿甲性能将接近900 mm均质装甲钢板。包括均质装甲、间隙装甲、复合装甲、反应装甲、动态装甲的现代防护体系已经形成。装甲防护系统中最简单的结构单元为均质装甲,均质装甲是由单一的均质材料构成,如单纯的非金属或金属材料。
通常“均质”指具有同一成分、均匀的组织结构和均一的机械性能的装甲铸件或轧材。均质装甲的均质性保证在装甲板的纵横截面上不出现反射应力波的第二介质。金属材料的均质性需要由高水平的冶金工艺来保证,均质装甲钢的抗弹性能取决于钢质纯净度、强度、韧性和厚度。
自一战时起,装甲战斗车辆在设计上就采用了钢装甲,当时钢装甲的厚度一般在8mm~14mm之间,如英国I至IV型坦克。
Iv型坦克
钢材料在用途上适应性强,改变其成分并经热处理后便可获得破坏能量或吸收能量的特性。一战期间采用的钢装甲经过热处理具有很高的硬度,铆接安装在车辆上。而焊接较厚的甲板就要求降低硬度,于是便制造出了布氏硬度值(HBW)为390HBW的薄装甲乃至220HBW的厚装甲。二战时的军用车辆采用了更厚的装甲,其中“虎”式歼击坦克250mm厚的钢装甲更是达到了极致。
二战以后,均质钢装甲成为军用车辆采用最广泛的装甲材料,通过轧制相应化学成分的钢锭使其成形以获得所要求的弹道特性。
钢板通常要加热到820℃~860℃,再在油或水中淬火进行硬化处理。由于处理后的钢板既硬又脆,所以还要再放在400℃~650℃的火炉中进行数小时的回火处理,最后的产品才能具有合适韧度和刚性的均匀微结构(即均质钢)。
回火温度要根据所要求的机械和弹道特性确定,硬度较高、厚度较薄的甲板要求的温度低,韧性较好、厚度较大的甲板要求的温度较高。
采用单一的具有不同贯通厚度特性的钢板还有更多的优点。对低碳厚钢板的一面进行表面硬化处理,可以使一种材料同时具备硬质破坏和韧性吸收特性,其主要优点在于底层甲板的可塑性更大,可阻止装甲板上的裂纹延展;而表面层硬度高,则能够使攻击弹丸变形或破碎。
制造具有不同贯通硬度特性的钢装甲的最常用办法是进行表面硬化处理,早期使用的是碳化处理方法,曾于19世纪90年代用来制造战列舰的船体,将碳浸入钢材的外表面层以增加碳的含量,进而提高其硬度,称为高硬度钢。
二战期间,德国曾对“虎王”式坦克的装甲进行火焰硬化处理,用瓦斯火焰对甲板表面高温加热,再迅速淬火冷却加工出硬度极高的脆层。这种甲板随着厚度的增大,其硬度减小。
把不同的钢板轧合在一起可以制造出双硬度甲板。与单一硬度的装甲材料相比,这种甲板具有不同的硬度值。早在二战时,就采用这种技术制造出了双硬度钢。
目前美国在该技术领域居于领先地位,其方法是将两块镍合金钢紧密轧合在一起,表面层碳含量较高,经热处理后具有较高的硬度,硬度值可以达到580HBW~710HBW,而另一面硬度较低,为450HBW~530HBW。
表1 是双硬度装甲的弹道性能数据,包括阻挡枪弹所要求的装甲厚度、面积密度(即阻挡枪弹所要求的每平方米质量)和质量效能(Em)。后者的量值可以用具有所要求防护能力的均质装甲的面积密度除以相关装甲材料的面积密度计算求得。
如表1 所示,就穿甲弹而言,双硬度装甲(DHA)的弹道性能要优于高硬度装甲(HHA)。但是,尽管采用双硬度装甲具有明显的优点,大多数主流装甲材料生产商却并不愿意生产这种装甲,其主要原因是用户较少,而制造工艺复杂,成本太高。
高硬度装甲通常是指硬度值超过450HBW的均质钢装甲,其制造方法与均质钢装甲相似,只是回火温度要低一些。通常,只要求高硬度装甲中较薄的部分能够防护铅锑子弹,3mm即可防护手枪子弹,8mm足以抵御高初速步枪子弹,例如初速约为920 m/s的5.56×45 SS109子弹。
若要防护钢芯穿甲弹,厚度则要增加到12mm~13mm,而对付更坚硬的碳化钨弹芯,如7.62×51 FFV枪弹,则还要进一步增大厚度。瑞士莫瓦格公司制造的“锯脂鲤”装甲车上采用了焊接高硬度钢,能够防护7.62mm枪弹。其它采用高硬度钢的装甲车辆还有由美国卡迪拉克·盖奇公司生产的“鱼工”轻型坦克和LAV 300 系列轮式装甲车。
近年来,某些披挂式轻型装甲系统采用了多孔高硬度钢板。这类钢板能够阻挡住动能弹药的攻击,使其偏转并/或破碎,从而降低其能量密度。钢板的穿孔造成弹丸荷载不平衡分布,致使弹丸在穿过甲板时被弯曲,出现断裂或至少飞行不平稳。
这辆俄罗斯台风“6×6轮式防雷车测试过程中应该是被大口径重机枪扫射过,造成车体表面装甲产生大量金属碎屑,但是明显可以看出子弹并没有穿透车体,足以说明这辆台风防雷车的装甲防弹性能很不错。
这些装甲多用来增强装甲输送车和步兵战车的防护能力,如以色列军队20 世纪80年代入侵黎巴嫩时,其M113装甲输送车上就曾安装了由拉斐尔公司研制的”图格“被动式披挂装甲,后来英国的履带式战斗侦察车也采用过多孔式装甲。
详情请点击链接:现代装甲钢的特点——纸上谈钢(二)
详情请点击链接:装甲钢穿甲破坏机理——纸上谈钢(三)
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