防護鋼研究現狀

李文平 李軍 王吉洋 高東宏

（1.中國第一汽車股份有限公司 材料與輕量化研究院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：防護鋼 高動態響應 焊接性能 防護性能

0 前言

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

國內外有專家學者從不同角度對防護鋼及其發展狀況進行了研究，如防護鋼的抗裂性、抗侵徹能力、防彈能力以及結構優化、輕量化等［2］。由于防護鋼強度、硬度高，其成形工藝主要以簡單的折彎為主，本文主要從防護鋼的材料技術、焊接技術和防護技術3個方面，論述防護鋼的研究進展。

1 防護鋼材料技術

1.1 高氮奧氏體鋼逐步成為防護鋼材料發展的新方向

防護鋼的設計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，防護鋼的組織一般為馬氏體，以達到一定的強度，提高抗沖擊性能。

對高氮鋼的研究，最早始于20 世紀60 年代。近年來，對高氮奧氏體鋼的深入研究[3]，特別在裝甲防護鋼方面進行了大量的探索性研究使防護鋼的發展增加了一個新的技術方向。高氮奧氏體鋼相比較馬氏體鋼有如下優勢。

（1）在高應變速率的沖擊下，高氮鋼的強度提升幅度明顯高于馬氏體鋼，在彈體侵徹時，彈著點表面及次表層產生較強沖擊硬化，從而具備優良的抗彈性能。因此，高氮奧氏體鋼在強度低于馬氏體鋼30%的條件下，可以達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于馬氏體鋼，成形性能好。此外，高氮奧氏體鋼無需熱成形，對模具的要求低于馬氏體鋼，制造成本相對減少。

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理等方面。陳巍等[4]人對高氮鋼的組織及性能進行了研究，圖1為某高氮鋼中氮化物的形貌，奧氏體鋼中加入氮，強度、韌性得到明顯提高。氮原子占據面心立方的八面體位置，這個間隙位置上導致變形，但不改變立方結構對稱。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存在于晶內或晶間，固溶氮和氮化物起到固溶強化的作用。

圖1 氮化物形貌[4]

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

盡管高氮奧氏體鋼具備優良的性能，仍需在未來的研究中針對冷成形回彈控制等關鍵技術做深入探索。

1.2 材料動態力學性能的研究不斷深入

防護鋼承受子彈侵徹過程中受動態載荷作用，與準靜態時的力學性能有較大的差別，材料的失效和破壞機制也不同。研究材料在動態沖擊下的響應，可更加準確地評價材料性能的優劣，能夠更精確的、有針對性地提高材料的性能并有助于防護仿真設計。

材料的動態力學行為主要受應變率的影響。胡鄧平[2]等通過霍普金森桿試驗，獲得了某防彈鋼在高應變率下的動態力學性能，圖2 為沖擊溫度為200 ℃時某防護鋼的應力-應變曲線，當應變率為1 500 s-1時其動態屈服強度約為1.23 GPa，當應變率為3 500 s-1材料的動態屈服強度明顯提高，表明該材料在200 ℃時屬于應變率敏感材料。

圖2 不同應變率的應力-應變曲線[5]

為分析控制應變率的材料因素，學者們進一步研究了如何利用改善組織以避免材料出現高應變率變形。在彈體侵徹時，材料發生的破壞都與高應變率有關，如高應變率下材料產生的高溫剪切破壞，因此研究如何避免材料出現高應變率變形具有一定的意義。楊超等[6]人研究了合金成分、熱處理溫度對材料動態力學性能的影響，部分結果見圖3。從圖中可以看出，回火溫度升高，材料的應變率相應提高。但由于合金成分不同，它們的上升趨勢不完全相同。說明材料的成分對應變率有一定的影響。同時，低溫回火時材料的應變率較低，表明了組織狀態對應變率的影響。尋找合適的合金元素并制定合理的熱處理工藝規范可以有效控制材料的應變率,也是改善材料動態性能的一種思路。現有研究表明，加入Ni 有助于提高防護鋼的動態性能。另外，鋼中加入V可生成的彌散和不易分解的碳化物，也起到提高動態屈服強度的作用。

圖3 回火溫度與應變率的關系[6]

1.3 材料不斷向高純凈度、高均勻性發展

李曉源等[7]研究了材料對裝甲鋼抗彈性能的影響，鋼液在凝固過程中形成的組織偏析將導致材料性能不均勻，進而影響抗彈性能。控制非金屬夾雜物的數量及形態、提高潔凈度可以提升材料的韌性，對防護鋼的抗彈性能產生有利影響，其主要表現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定性[7]。為了使裝甲鋼板具備最佳的綜合性能,當代防護鋼中雜質元素含量均已降至較低水平。

2 防護鋼焊接技術

2.1 焊絲選材及焊接工藝對焊接性能及防彈性能的影響

隨著防護級別的提高，防護鋼的強度和硬度不斷提升。然而由于高強度、高硬度和高碳當量，在焊接過程中熱影響區晶粒粗化、因熱循環導致的第二相粒子變化、從而引起熱影響區的局部軟化，這種軟化現象，隨焊接熱輸入的增加逐漸嚴重。硬度降低，防護裝甲的抗彈性能隨之降低，使其成為防護車輛最為薄弱的環節[8]。

合理的選擇焊接材料、焊接工藝及參數對焊接質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 防護鋼的焊接性能。焊接工藝性能試驗共采用3 種焊絲：低合金藥芯焊絲、低合金高強度藥芯焊絲以及奧氏體不銹鋼焊絲。結果表明，PRO500S 防護鋼采用低合金藥芯焊絲和低合金高強度藥芯焊絲時，微觀檢查試樣中出現裂紋，且超過小鐵研試驗20%裂紋率的界限。采用不銹鋼焊絲，表面未發現裂紋、橫截面出現個別裂紋，裂紋率小于20%，表明奧氏體不銹鋼焊絲適用于該類防護鋼。該研究還發現，經過高溫加熱后，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行變形矯正，對焊接變形的控制要求貫穿于防護鋼制造全過程；并應采取焊前預熱和焊后保溫措施；此外，為減少熱影響區的軟化，應盡可能采用小的焊接能量。

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

李洪濤[11]通過研究不同熱源下溫度場的模型得出，激光焊具有加熱集中、熱輸入低、熱影響區窄、熔深大、穩定性高、焊接變形小的優點，適合精密焊接和微細焊接。董現春等[12]針對PRO500S 防護鋼，進行了激光焊試驗，測試了焊后樣品的防彈性能、力學性能，分析了金相組織和相組分。試驗得出如下結論。

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

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

圖4 母材第二相強化粒子DEX分析結果[12]

（3）焊縫金屬及粗晶區析出強化作用降低。淬火細晶區、不完全淬火區、回火區析出強化作用基本不變。回火區位錯強化效果的缺失，造成軟化，晶間析出的網狀滲碳體造成該區脆化。

隨著防護鋼強度逐漸提升，開發高強度焊絲及合理的焊接工藝方案是未來工作研究的重點。

2.2 焊接質量評價技術

防護鋼的焊接質量評價，主要通過3 種冷裂紋傾向拘束焊接試驗及1種熱裂紋傾向焊接試驗進行。相比較熱裂紋，冷裂紋對焊接性能的危害更大[13]。4 種評價試驗如下。

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

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

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

（4）T 型接頭焊接試驗[14]。該試驗為熱裂紋傾向評價試驗，屬于搭接試驗的一種。T 型接頭是2 個構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比較困難，整個接頭承受載荷的能力，特別是承受震動載荷的能力比較差。一般需對構件進行包角焊，主要目的就是為了焊道與母材過渡更圓滑。避免2端開裂等焊接缺陷的產生。另外一個考慮就是基于對疲勞強度方面的影響，包角焊時疲勞壽命明顯提升。裂紋長度之和/取樣長度＜20%即為合格，焊接性良好。

一汽集團與國內某科研單位合作，利用某奧氏體不銹鋼焊絲，結合上述4項試驗評價了PRO500S系列防護鋼與某國產裝甲鋼的焊縫質量，結果表明國內外材料在焊縫表面及截面均未有裂紋產生。

3 防護鋼防護技術

3.1 防護機理研究

關于防護鋼的防護機理研究已有多年歷史，但仍未形成完整的理論[15]，這與侵徹過程中高應變速率所造成的過程復雜性和分析手段局限性有關。除了從力學角度研究宏觀本構規律外，微觀組織、元素含量對防護性能的影響也非常重要。

表1為某2種防護鋼進行抗彈試驗后穿深及基體力學性能部分檢驗結果。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。硬度測試結果表明，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防護鋼檢驗結果

圖5 為材料A、B 表層SEM 形貌，從圖中可看出，材料B 表層被一層物質附著，經能譜分析為彈頭材料，材料A表層未見明顯材料附著。

圖5 防護鋼迎彈面表面SEM形貌

基于上述分析，材料B的抗侵徹形式主要以動態吸能為主，材料A 將子彈能量從彈著點向周邊輻射。力學性能的影響因素中硬度對材料的抗彈性能影響最為顯著，沖擊韌性和屈服強度也會對防護鋼的抗彈性能產生影響。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，因為殘余奧氏體以層片狀分布于晶間或晶內，可以有效阻止微裂紋擴展，但過多的殘余奧氏體有可能割裂基體，因此，需謹慎控制殘奧的含量。

材料的性能和組織由元素及熱處理工藝決定，一般來說，防護鋼中會添加較高含量的合金元素，以增強固溶強化、細晶強化及位錯強化的效果。

3.2 防護性能數值模擬研究

陳功等采用塑性隨動強化模型和Johnson-Cook材料模型進行建模分析，描述材料在高速沖擊下的物理特性。圖6 為子彈以500 m/s 的速度侵徹3 mm 厚度的鋼板過程圖，通過數值模擬可知，鋼板由于子彈的撞擊產生背突，背突深度與槍擊試驗得到的實測值高度相似。

圖6 分別為t=3 μs，20 μs，33 μs，42 μs，72 μs 時，3 mm鋼板侵徹過程[16]

李建鵬等[17]采用ANS 用Johnson-Cook 模型和塑性隨動強化模型兩者結合，更準確地模擬了子彈對金屬材料的侵徹能力，并結合實驗數據進行對比，采用數值分析方法分析了彈型、彈速及彈的長徑比對鋼板侵徹能力的影響。圖7 是黃銅圓頭彈以500 m/s 的速度撞擊防護鋼的侵徹過程。通過數值模擬分析可知，尖頭彈的穿透能力最強，圓頭彈次之，平頭彈的穿透能力最差。

圖7 黃銅圓頭彈侵徹過程的數值模擬結果［17］

現代戰爭對防護車輛不僅要求穩定的防護性能，同時要求車輛具備良好的機動性，因此，防護鋼在具備一定防護性能的前提下應盡可能實現輕量化。劉占芳等[18]采用ANSYS對子彈抗侵徹能力數值模擬，分析了抗侵徹能力與板厚的關系，獲得了在不同強度下滿足防彈要求的防護鋼的極限設計厚度。試驗結果和模擬結果具有很好的對應性，模擬結果有效地減少了試驗的工作量，為防彈鋼板的厚度設計提供了有力的依據。

3.3 均質化及結構優化

經過軋制后的防護鋼，在二次成形中，必然會在板材內部產生擇優取向即織構，導致板材在不同的方向產生力學性能的差異，影響防彈效果。采用電子背散射衍射技術（EBSD）[19-20]可以分析出織構產生的原因。因此，控制二次成形時板材受力方向和板材晶粒度的大小可以有效地防止織構產生。

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

防護鋼的前瞻性技術方向主要集中在“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，當裝甲受到射流擊穿時，2個間隔裝甲板之間會形成電流的短路，這會產生一個強大的電磁場。使射流發生旋轉、斷裂甚至是發散，而殘余射流則可由車輛的結構裝甲所吸收。

4 結束語

防護鋼在開發與應用過程中需突破材料、焊接及防護3項關鍵技術。現階段材料等核心技術均由國外壟斷，亟需自主開發并逐步掌握。本文論述了防護鋼研究的進展情況，結論如下。

（1）對于高動態響應材料技術，采用馬氏體鋼延續多元微合金化的設計理念，不斷提高強度與沖擊韌性。高氮奧氏體鋼的研究逐步成為熱點；

（2）防護鋼焊接關鍵技術為選擇合適的焊絲材料，并制定合理的焊接工藝，以此來保證零件的焊接質量和裝配精度；

（3）提高防護鋼防護性能的主要措施為：

①深入研究防護機理，利用數值模擬分析防護鋼的抗侵徹能力，并根據需求設計合理的厚度規格。

②控制織構的產生使防護性能均值化。

③采用復合材料結合間隙設計，在保證防護性能的同時，盡量減少零件質量。