Optymalizacja właściwości balistycznych blach ze stali nanostrukturalnej bainitycznej przeznaczonych na opancerzenie kontenera LOOK

• Autorzy: Marcisz Jarosław , Garbarz Bogdan , Zalecki Władysław , Kania-Pifczyk Zofia , Starczewski Lech , Gołuński Marcin

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.7325

Warianty tytułu

EN

Optimisation of ballistic properties of nanostructured bainitic steel plates for container armour system

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W celu podwyższenia właściwości eksploatacyjnych kontenera obserwacyjno-obronnego LOOK opracowywane jest innowacyjne opancerzenie, którego elementy będą wykonane z blach ze stali nanostrukturalnej bainitycznej, co zapewni poziom 2 ochrony wg STANAG 4569. Z uwagi na odmienne właściwości mechaniczne i technologiczne tych blach w odniesieniu do blach pancernych stosowanych obecnie, modyfikacji uległa konstrukcja opancerzenia kontenera. Artykuł zawiera wyniki badań charakterystyk materiałowych oraz testów ostrzałem blach ze stali nanostrukturalnej wytworzonych w warunkach półprzemysłowych. W celu optymalizacji parametrów obróbki cieplnej blach wykonano badania kinetyki przemian fazowych, a następnie dla różnych wariantów obróbki prze-prowadzono pomiary właściwości mechanicznych oraz analizę zmian mikrostruktury i właściwości w miejscach oddziaływań pocisków w trakcie testów ostrzałem. Przedstawione badania poprzedzają uruchomienie procesu produkcji blach arkuszowych z nowego gatunku stali do produkcji systemu opancerzenia kontenera LOOK. Optymalizację właściwości mechanicznych blach wykonano przez dobór następujących parametrów wytwarzania: składu chemicznego stali, przeróbki plastycznej i wstępnej obróbki cieplnej oraz temperatury i czasu finalnej obróbki cieplnej (wygrzewania izotermicznego). W badaniach zwrócono uwagę na wpływ segregacji pierwiastków stopowych i domieszkowych na właściwości ochronne blach. W wyniku zastosowania temperatury wygrzewania w zakresie 210-225°C (temperatura MS = ok. 200°C dla szybkości chłodzenia 1-2 °C/s) i czasu odpowiednio w przedziale 120-70 godzin uzyskano następujące właściwości mechaniczne materiału: Rp0,2 1400-1500 MPa, Rm 2000-2150 MPa; A 10-13%; KV (w temp. otoczenia) 10-16 J oraz twardość 590-610 HV10 (53-54 HRC). Mikrostrukturę blach stanowił bezwęglikowy nanobainit listwowy oraz austenit resztkowy w ilości 10-21%. W testach ostrzałem zastosowano blachy o grubości 6,3 i 7,5 mm oraz amunicję 5,56x45 mm M193 i 7,62x51 mm API BZ. Na podstawie wyników tych testów oraz badań mikrostruktury w miejscach ostrzału stwierdzono występowanie zjawisk świadczących o wysokiej skuteczności ochronnej badanych blach, przejawiających się dużą zdolnością do pochłaniania i rozpraszania energii pocisku bez skłonności do pękania. Na podstawie wyników badań właściwości mechanicznych i testów ostrzałem blach eksperymentalnych, opracowano skład chemiczny stali nanostrukturalnej bainitycznej, dostosowany do wykonania w warunkach przemysłowych blach o grubości w zakresie 6-8 mm. Przeprowadzono analizę możliwości obniżenia masy opancerzenia kontenera na podstawie wyników badań blach ze stali nanostrukturalnej wytworzonych w warunkach półprzemysłowych. Na podstawie analizy konstrukcji i warunków użytkowania kontenera wskazano obszary newralgiczne z punktu widzenia ochrony balistycznej, które poddane będą testom ostrzałem. Badania balistyczne zostaną wykonane na segmentach kontenera reprezentujących wytypowane obszary newralgiczne.

EN

An innovative armour system containing plates made of nanostructured bainite steel is under development to improve operating properties of a light armoured observation-protective container (LAOC) providing the 2nd protection level according to STANAG 4569. Armour system solution of the container has been modified because the new plates have different mechanical and technological properties than currently used armour plates. The paper presents results of investigation of material characteristics and firing tests of plates made of nanostructured steel in the semi-industrial scale. To optimise parameters of heat treatment of the plates the kinetics of phase transformation was examined, and mechanical properties were measured, and changes in microstructure in the area of projectile interaction at firing tests were analysed for different variants of treatment. The reported investigations precede the industrial scale production process for plates made of the new grade steel designed for the armour system of LAOC. Optimisation of mechanical properties of the plates has been carried out by selection of such production parameters as chemical composition of the steel, hot working, interprocess heat treatment and temperature and time of final heat treatment (isothermal annealing). Effect of primary segregation of alloying and residual elements on protective properties of the plates is indicated. As a result of applying the annealing temperature in the range of 210-225°C (Ms temperature is ca. 200°C at cooling rate 1-2°C/s) and time in the range of 120-70 hours respectively, the following properties have been achieved: YS0.2 (yield strength) 1400-1500 MPa; UTS (ultimate tensile strength) 2000-2150 MPa; TE (total elongation) 10-13%, impact toughness KV at room temperature 10-16 J and hardness 590-610 HV (53-54 HRC). Microstructure of the plates consists of carbide free lathy nanobainite and 10-21% (volume fraction) of retained austenite. Plates of thickness 6.3 and 7.5 mm and ammunition type of 5.56x45 mm M193 and 7.62x51 mm API BZ have been used in the firing tests. Based on results of firing tests and microstructure examination in the area of projectile interaction the phenomena have been identified indicating high efficiency of ballistic protection of investigated plates, manifested by high ability to absorption and dissipation of projectile energy without susceptibility to cracking. Based on the results of mechanical properties measurements and firing tests a chemical composition of the nanostructured bainitic steel adjusted for industrial production of plates of thickness in the range of 6-8 mm has been developed. An analysis of container armour system mass reduction possibility, basing on results of investigation of the nanostructured bainite steel plates made in the semi-industrial scale, has been carried out. Basing on the analysis of the container construction and operational conditions some sensitive areas of ballistic protection have been specified to be subjected to firing tests. Ballistic examination will be carried out using the container segments representing the selected sensitive areas.

Słowa kluczowe

PL

stal nanostrukturalna; ochrona balistyczna; kontener opancerzony

EN

nanostructured steel; ballistic protection; armoured container

• Wydawca: Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia
• Czasopismo: Problemy Techniki Uzbrojenia
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 48, z. 151
• Strony: 97--119
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Marcisz Jarosław

• Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

autor

Garbarz Bogdan

• Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

autor

Zalecki Władysław

• Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

autor

Kania-Pifczyk Zofia

• Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica

autor

Starczewski Lech

• Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej

autor

Gołuński Marcin

• Zakłady Mechaniczne "Tarnów" S.A.

Bibliografia

• 1. Bhadeshia H.K.D.H. and Edmonds D.V., The Bainite Transformation in a Silicon Steel, Metallurgical Transactions A, V. 10A, 895-907, 1979.
• 2. Bhadeshia H.K.D.H. and Edmonds D.V., Bainite in Silicon Steels: New Composition; Property Approach Part 1, Met. Sci., V. 17, (9), 411-419, 1983.
• 3. Bhadeshia H.K.D.H., Christian J.W., Bainite in Steels, Metallurgical Transactions A, V. 21, Issue 3, 767-797, 1990.
• 4. Bhadeshia H.K.D.H., Bulk Nanocrystalline Steel, Ironmaking & Steelmaking, V. 32, Issue 5, 405-410, 2005.
• 5. Bhadeshia H.K.D.H., Brown P. and Garcia-Mateo C., Bainite Steel and Methods of Manufacture Therof, Patent GB2462197, 2010.
• 6. Burian W., Marcisz J., Garbarz B., Starczewski L., Nanostructured Bainite-austenite Steel for Armours Construction, Archives of Metallurgy and Materials, V. 59, no 3, 1211-1216, 2014.
• 7. Caballero F.G., Bhadeshia H.K.D.H., Mawella K.J.A. and Jones D. G. and Brown P., Very Strong Low Temperature Bainite, Materials Science and Technology, Vol. 18, 279-284, 2002.
• 8. Caballero F.G., Bhadeshia H.K.D.H., Very Strong Bainite, Current Opinion in Solid State and Materials Science, V. 8, 251-257, 2004.
• 9. Garbarz B. & Niżnik-Harańczyk B., Modification of Microstructure to Increase Impact Toughness of Nanostructured Bainite-austenite Steel, Materials Science and Technology, V. 31, no 7, 773-780, 2015.
• 10. Garbarz B. and Burian W., Microstructure and Properties of Nanoduplex Bainite-Austenite Steel for Ultra-High-Strength Plates, Steel Research int., V. 85, No. 12, 1620-1628, 2014.
• 11. Garbarz B., Marcisz J., Burian W., Technological Peculiarities of Manufacturing Nanobainitic Steel Plates, METEC, Düsseldorf, 15-19 czerwca 2015.
• 12. Garbarz B., Marcisz J., Burian W., Wiśniewski A., Mechanizmy odkształcenia dynamicznego w ultra-wytrzymałych stalach nanostrukturalnych przeznaczonych na pancerze, Problemy Techniki Uzbrojenia. Biuletyn Naukowy Wojskowego Instytutu Technicznego Uzbrojenia, Zeszyt 118, nr 2, 41-49, 2011.
• 13. Garcia-Mateo C., Caballero F.G. and Bhadeshia H.K.D.H., Development of Hard Bainite, ISIJ International, V. 43, No. 8, 1238-1243, 2003.
• 14. Garcia-Mateo C. and Caballero F.G., Ultra-high-strength Bainitic Steels, ISIJ International, V. 45, No. 11, 17361-1740, 2005.
• 15. Marcisz J., Walnik B., Gazdowicz J., Burian W., Wybrane właściwości mechaniczne i technologiczne wysokowytrzymałych nanostrukturalnych stali bainitycznych, Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, t. 70, nr 1, 12-19, 2018.
• 16. Marcisz J., Garbarz B., Burian W., Stępień J. and Starczewski L., Ballistic Testing of Nano-precipitation Hardened and Dano-duplex Steels, 27th International Symposium on Ballistics, Freiburg, Germany, 1834-1845, 2013.
• 17. Marcisz J., Burian W., Stępień J. and Starczewski L., Wnuk M., Janiszewski J., Static, Dynamic and Ballistic Properties of Bainite-austenite Steel for Armours, 28th International Symposium on Ballistics, Atlanta, USA, 1348-1361, 2014.
• 18. Marcisz J., Janiszewski J., Burian W., Garbarz B., Stępień J., Starczewski L., Badania właściwości dynamicznych wysokowytrzymałej stali nanostrukturalnej, Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, t. 67, nr 2, 96-105, 2015.
• 19. Marcisz J., Burian W., Janiszewski J., Rozmus R., Microstructural Changes of the Nanostructured Bainitic Steel Induced by Quasi-static and Dynamic Deformation, Archives of Metallurgy and Materials, V. 62, no 4, 2317-2329, 2017.
• 20. NATO Standarization Agreement STANAG 4569
• 21. Wenyan L., Jingxin Q., Hersheng S., Fatigue Crack Growth Behaviour of a Si–Mn Steel with Carbide-free Lathy Bainite, Journal of Materials Science, V. 32, 427- 430, 1997.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).