Technologie wytwarzania supertwardych materiałów nanostrukturalnych ze stopów żelaza oraz ich zastosowanie w pancerzach

• Autorzy: Garbarz B. , Burian W. , Marcisz J. , Żak A. , Wiśniewski A. , Żochowski P.

Warianty tytułu

EN

Technology of production of superhard nanostructured Fe–based alloys and their application in armours

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł zawiera najważniejsze rezultaty projektu pt. „Technologie wytwarzania supertwardych materiałów nanostrukturalnych ze stopów żelaza oraz ich zastosowanie w pancerzach pasywnych i pasywno-reaktywnych” UDAPOIG.01.03.01-00-042/08-05, zrealizowanego w okresie w okresie 1.02.2009 – 31.08.2013 przez Instytut Metalurgii Żelaza (lider konsorcjum) oraz Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia (członek konsorcjum). Celem projektu było opracowanie gatunków stali o strukturze nanokrystalicznej przeznaczonych do zastosowania w konstrukcji pancerzy chroniących przed przebiciem pociskami przeciwpancernymi oraz opracowanie modeli pancerzy zawierających warstwy z opracowanych gatunków stali. Do badań wytypowano trzy rodzaje materiałów: superczyste wysokowytrzymałe stale maraging, wysokowęglowe stale bainityczne o strukturze nanokrystalicznej oraz dwufazowe nanokrystaliczno – amorficzne stopy żelaza. Zaprojektowano nowy gatunek stali ultrawytrzymałej (oznaczony NANOS-BA) o składzie chemicznym 0,6%C-1,8%Si-2,0%Mn + dodatki Cr, Co, Mo, V, zapewniającym wytworzenie nanostruktury składającej się z nanolistew bezwęglikowego bainitu i austenitu resztkowego. Opracowano wytyczne do przemysłowej technologii wytwarzania blach ze stali NANOS-BA o grubości z zakresu 4÷20 mm i ich obróbki cieplnej. Po fi nalnej obróbce cieplnej właściwości mechaniczne blach NANOS-BA są następujące: Rm >1,9 GPa, R 0,2 >1,3 GPa, A5 > 14%, HV10 > 600. Zaprojektowano zmodyfikowane gatunki ultrawytrzymałych stali maraging w klasach od MS350 do MS550 i parametry niestandardowej obróbki cieplnej zwiększającej ciągliwość oraz nową stal umacnianą wydzieleniowo o obniżonej w stosunku do stali typu maraging zawartości pierwiastków stopowych, oznaczoną NANOS-3D. Opracowano skład chemiczny stopu na bazie żelaza Fe-10%Mo-3%Cr-3,2%C-1,2%B charakteryzujący się zdolnością do morfizacji przy stosunkowo małej szybkości chłodzenia ze stanu ciekłego (rzędu 102 ºC/s). Zbudowano i uruchomiono stanowisko laboratoryjne do topienia i odlewania stopów na bazie Fe w formie elementów o grubości do 5 mm wykazujących strukturę nanokrystaliczno-amorficzną. Osiągnięcie poziomu pozwalającego na uzyskanie wyrobów amorficznych o wymaganym zespole właściwości do zastosowań przemysłowych wymaga dalszych badań. Opracowano modele numeryczne do symulacji oddziaływania pocisków z pancerzem z blachy stalowej na bazie programów LS-DYNA i AUTODYN. Na podstawie wyników badań ostrzałem stwierdzono, że zdolność ochronna płytek ze stali NANOS-BA i ze stali maraging o zoptymalizowanych właściwościach jest wyższa od zdolności ochronnej płyt stalowych o najwyższych parametrach dostępnych obecnie na rynku. Oceniając właściwości mechaniczne, poziom ochrony balistycznej, koszty wytwarzania i możliwość uruchomienia produkcji w kraju, do przemysłowego wytwarzania elementów pancerzy wytypowano stal nanobainityczną NANOS-BA. Zaprojektowano konstrukcję oraz opracowano dokumentację konstrukcyjną i wykonawczą modułu pasywnego pancerza warstwowego w wersji produkcyjnej, zawierającego warstwę z opracowanej w projekcie stali NANOS-BA.

EN

The most important results of the project ”Technology of production of superhard nanostructured Fe–based alloys and their application in passive and passive-reactive armours” UDA-POIG.01.03.01-00-042/08-05, carried out in the period of 1.02.2009 – 31.08.2013 by Instytut Metalurgii Żelaza (lider of the consortium) and Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia (member of the consortium) are reported in the paper. The main goal of the project was to develop new nanostructured steel grades intended for application in armour constructions protecting against anti-tank ammunition as well as to develop armour models containing layers made of the developed steel grades. Three types of materials were chosen for investigation: ultra-clean high-strength maraging steels, high-carbon bainitic steels with nanocrystalline structure and dual-phase nanocrystalline – amorphous iron alloys. A new grade of medium alloy ultra-strength steel (named NANOS-BA) containing 0.6%C-1.8%Si-2.0%Mn + additions of Cr, Co, Mo, V allowing to form the nanostructure comprising nano-laths of carbideless bainite and retained austenite was developed. The guidelines and preliminary parameters of industrial technology for manufacturing of 4-20 mm thick plates from NANOS-BA steel were worked out. After the final heat treatment the plates characterised with the following properties: Rm >1.9 GPa, R 0.2 >1.3 GPa, A5 > 14%, HV10 > 600. Modified grades of ultra-strength maraging steels of classes from MS350 to MS550 were designed and parameters of non-standard heat treatment increasing the toughness were proposed and a new precipitation strengthened steel grade named NANOS-3D, containing lower amount of alloying elements in comparison with maraging steels was designed. A composition of iron – based alloy Fe-10%Mo-3%Cr-3.2% C-1.2%B characterised with amorphisation ability at relatively low cooling rate of about 102 ºC/s was developed. Experimental facilities for melting and casting of Fe – based alloys with nanograined – amorphous structure in the form of up to 5 mm thick components was designed and commissioned. Manufacturing of several millimetre thick metallic alloys with amorphous structure is a new method in the world and achieving the level allowing to get the products of required set of properties for industrial applications needs further research to be undertaken. Numerical models based on LS-DYNA and AUTODYN programmes to simulate the interaction between projectiles and the armour made of steel plate were developed. From analysis of the fi ring tests results it was found that the protection ability of specimens made of NANOS-BA steel and maraging steels with the optimised properties was higher than the protection ability of the steel plates with the highest currently available parameters. Based on assessment of mechanical properties, level of protection ability, manufacturing costs and possibility of starting domestic production, nanobainitic steel NANOS-BA was selected for industrial production of armour components. The construction design and technical specifications enabling industrialproduction of a module of the passive layered armour containing a NANOS-BA layer were worked out.

Słowa kluczowe

PL

stal ultrawytrzymała; stal nanostrukturalna; nanobainit; pancerz kompozytowy; pancerz warstwowy

EN

ultra-strength steel; nanostructured steel; nanobainite; composite armour; layered armour

• Wydawca: Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica
• Czasopismo: Prace Instytutu Metalurgii Żelaza
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 67, nr 3
• Strony: 2--33
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 poz., rys., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Garbarz B.

• Instytut Metalurgii Żelaza

autor

Burian W.

• Instytut Metalurgii Żelaza

autor

Marcisz J.

• Instytut Metalurgii Żelaza

autor

Żak A.

• Instytut Metalurgii Żelaza

autor

Wiśniewski A.

• Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia

autor

Żochowski P.

• Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia

Bibliografia

• 1. Garbarz B., Burian W.: Sprawozdanie z pracy badawczej IMŻ nr S0-0666 pt. „Opracowanie podstaw półprzemysłowej technologii wytwarzania blach z supertwardej stali bainitycznej nowej generacji”. Sierpień 2008, niepublikowane
• 2. Garbarz B., Marcisz J., Burian W., Wiśniewski A.: Mechanizmy odkształcenia dynamicznego w ultrawytrzymałych stalach nanostrukturalnych przeznaczonych na pancerze. Problemy Techniki Uzbrojenia, WITU, Zeszyt 118, 2, 2011, s. 41-50
• 3. Wiśniewski A., Żochowski P.: The infl uence of the bainitic transformation temperature on protective properties of passive armours made from the high-carbon nanostructural bainitic steel. Problemy Techniki Uzbrojenia, WITU, Zeszyt 117, 1, 2011, s. 177-186
• 4. Marcisz J., Garbarz B., Burian W., Adamczyk M., Wiśniewski A.: New generation maraging steel and high-carbon bainitic steel for armours. Proceedings of 26th International Symposium on Ballistics, 12-16 September 2011, Miami-Florida, USA, p. 1595-1606
• 5. Żak A., Burian W.: Metal Fe-based amorphous and amorphous-nanocrystalline materials for armours construction.Problems of Mechatronics, WAT, no. 4(10), 2012, p. 23-37
• 6. Marcisz J., Garbarz B., Adamczyk M., Wiśniewski A.: New Nano-Precipitates Hardened Steels of Wide Range of Strength and Toughness and High Resistance to Piercing with Projectiles.Problems of Mechatronics, WAT, no. 4(10), 2012, p. 39-54
• 7. Garbarz B., Burian W., Adamczyk M., Wiśniewski A.: The Nano-Duplex NANOS–BA Steel for Application in Construction of Armours. Problems of Mechatronics, WAT, no. 4(10), 2012, p. 7-22
• 8. Wiśniewski A., Żochowski P.: Building and validation of the numerical models of the B-32 type armour piercing projectile. Problems of Mechatronics, WAT, no. 2(12), 2013, p. 19-30
• 9. Wiśniewski A., Żochowski P.: Constitutive Model for the Nanocomposite NANOS-BA Steel Used for Light Armored Vehicles Protection. Proceedings of 27th International Symposium on Ballistics, 22-26 April 2013, Freiburg, Germany, p. 1134-1145
• 10. Marcisz J., Garbarz B., Burian W., Stępień J., Starczewski L.: Ballistic testing of nano-precipitates hardened and nanoduplex bainitic-austenitic steels. Proceedings of 27th International Symposium on Ballistics, 22-26 April 2013, Freiburg, Germany, p. 1834-1845
• 11. Burian W., Garbarz B., Marcisz J., Adamczyk M., Wiśniewski A.: Nano-Duplex Bainitic-Austenitic and Nano-Precipitates Hardened Steels for Application in Armors Constructions. Proceedings of 27th International Symposium on Ballistics,22-26 April 2013, Freiburg, Germany, p. 1825-1832
• 12. Garbarz B., Burian W.: Microstructure and Propertis of Nanoduplex Bainite-Austenite Steel for Ultra-High-Strength Plates. Steel Research International, vol. 85, 2014, no 12, p. 1620-1628; article fi rst published online: 9 APR 2014 |DOI: 10.1002/srin.201300453
• 13. Garbarz B., Niżnik-Harańczyk B.: Modification of microstructure to increase impact toughness of nanostructured bainiteaustenite steel. Materials Science and Technology, vol. 31, 2015, no 7, p. 773-780; article fi rst published online: 6/10/2014, http://dx.doi.org/10.1179/1743284714Y.0000000675
• 14. Garbarz B., Marcisz J., Burian W.: Technological peculiarities of manufacturing nanobainitic steel plates. Proceedings of 9th METEC Congress, 15-19 June 2015, Düsseldorf, Germany
• 15. Wiśniewski A.: Tworzywa ceramiczne w warstwach ochronnych. Problemy Techniki Uzbrojenia i Radiolokacji, t. XXVII, 1998, zeszyt 67
• 16. Janiszewski J.: Badania materiałów inżynierskich w warunkach obciążenia dynamicznego. Wyd. Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, 2012
• 17. Nahme H., Lach E.: Dynamic Behaviour of High Strength Armor Steel. J. Phys. IV France 7, 1997, C3, p. 373-378
• 18. Maweja K., Stumpf W.: The design of advanced performance high strength low – carbon martensitic armour steels. Microstructural considerations. Materials Science and Engineering A, vol. 280, 2008, p. 160-166
• 19. SSAB Oxelosund AB Data Sheet: Protection plates ARMOX 20.
• 20. www.ruukki.pl
• 21. Kaiser H. J., Kern A., Scharf S., Gooch W.A.: Ballistic testing of Thyssenkrupp Steel Europe armor steel in accordance with U.S. military armor specifications. Proceedings of 26th International Symposium on Ballistics, Miami, USA, 12-16.09.2011, p. 1167
• 22. Informacje producentów stalowych blach wysokowytrzymałych w Polsce: ISD Huta Częstochowa Sp. z o.o. oraz HSW Huta stali Jakościowych Sp. z o.o.
• 23. Caballero F. G., Bhadeshia H.K.D.H., Mawella K.J.A., Jones D. G., Brown P.: Design of novel high strength bainitic steel. Mater. Sci. Technol., vol. 17, 2001, p. 512-516
• 24. Garcia-Mateo C., Caballero F.G., Bhadeshia H.K.D.H.: Development of Hard Bainite. ISIJ Int., vol. 43, 2003, p. 1238-1243
• 25. Caballero F.G., Bhadeshia H.K.D.H.: Very strong bainite. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., vol. 8, 2004, p. 251-257
• 26. Bhadeshia H.K.D.H.: Bulk nanocrystalline steel. Ironmaking and Steelmaking, vol. 32, 2005, p. 405-410
• 27. Maweja K., Stumpf W.: The design of advanced performance high strength low-carbon martensitic armour steels Microstructural considerations. Materials Science and Engineering, vol. A 480, 2008, p. 160-166
• 28. Srivathsa B., Ramakrishnan N.: Ballistic performance maps for thick metallic armour. Journal of Materials Processing Technology, vol. 96, 1999, p. 81-91
• 29. http://www.imz.pl/pl/aktualnosci/BW Zaklad_Technologii_Wytwarzania_i_Aplikacji/Walcarka_do_walcowania_na_goraco
• 30. Magnee A., Viatour P., Drapier J.M., Coutsouradis D., Habraken L.: Microstructure, Strength and Toughness of 13Ni(400) Maraging Steel. COBALT, 1973, no. 1, p. 3
• 31. Yin Z., Kataura Y., Suto H.: Fatigue Strength of Cleaned 3.5 GPa Grade Maraging Steels. J. Japan Inst. Metals, vol.46,1982, no. 11, p. 1068
• 32. Fukamachi M., Kawabe Y., Nakazawa K., Muneki S.: Transmission Electron Microscopy Studies of Structural Changes in 13Ni-15Co-10Mo Maraging Steel as a result of aging. J. Japan Inst. Metals, vol.47,1983, no. 3, p. 237
• 33. Ogawa K., Fukumachi M., Kawabe Y.: Transmission Electron Microscopy Studies of 3.5 GPa grade 10Ni-18Co-14Mo Maraging Steel. J. Japan Inst. Metals, vol.47,1983, no. 10, p. 863
• 34. Muneki S., Kawabe Y., Takahashi J.: Strengthening of 10Ni-18Co-12Mo-1Ti Maraging Steel by Cold Working. ISIJ, vol. 69, 1983, no. 16, p. 2030
• 35. Hornbogen E., Rittner K.: Development of thermo-mechanical treatments of a maraging steel for yield strengths above 3 GPa. Steel Research, vol. 58, 1987, no. 4, p. 172
• 36. Stępień J., Burdek M., Garbarz B., Marcisz J.: Wykonanie badan w celu określenia możliwości zastosowania stali maraging na korpusy rakietowych silników startowych. Spr. z pracy bad. IMŻ Nr B0-1222, 2008 (niepublikowane)
• 37. Weiss B.Z.: Maraging Steels – Structure, Properties and Applications. Specialty Steels and Hard Materials, Pergamon Press Ltd, p. 35
• 38. Hays C., Stemmler R.P.: Banding of MAR-Aging Steel. Jour. Of Mater. Eng. and Performance, vol. 9(2), April 2000, p. 147
• 39. Rusanenko V.V., Edneral A.F.: Multifunctional maraging alloys. Phys. Met. Metallogr. vol. 96, 2003, p. 100
• 40. Inoue A.: Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys. Acta Materialia, vol. 48, 2000, p.279-306
• 41. Cheney J., Vecchio K.: Prediction of glass-forming compositions using liquidus temperature calculations. Materials Science and Engineering A, vol. 471, 2007, p. 135-143
• 42. Lu K.: Nanocrystalline metals crystallized from amorphous solids: nanocrystallization, structure, and properties. Mater. Sci. Eng., vol. R16, 1996, p. 161-221
• 43. Jach K.: Modelowanie komputerowe zjawisk kumulacyjnych. WAT, Warszawa 1990
• 44. Jach K., Świerczyński R. i inni: Modelowanie komputerowe dynamicznych oddziaływań ciał metodą punktów swobodnych. PWN, Warszawa 2001