автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Разработка и исследование материала, конструкции и технологии изготовления твердосплавного ударника

На правах рукописи

Довгаль Олег Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛА, КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНОГО УДАРНИКА

05.16.09 - материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005542978

Комсомольск-на-Амуре - 2013

005542978

Работа выполнена в филиале Общества с ограниченной ответственностью «ТехКомплект» г. Комсомольск-на-Амуре

Евстигнеев Алексей Иванович, д.т.н., профессор, проректор по научной работе ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», Заслуженный деятель науки РФ

Башков Олег Викторович, д.т.н., профессор кафедры «Материаловедение и технология новых материалов» ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», г. Комсомольск-на-Амуре

Физулаков Роман Анатольевич, к.т.н., начальник лаборатории Научно-производственного отдела ОАО « Комсомольский-на-Амуре авиационный завод» им. Ю.А.Гагарина, г. Комсомольск-на-Амуре

Ведущая организация: Институт машиноведения и металлургии ДВО

РАН, г. Комсомольск-на-Амуре

Защита состоится «20» декабря 2013 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.01 в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27. Факс: 8(4217)53-61-50. E-mail: mdsov@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан: «20» ноября 2013 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Пронин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Со второй половины 20-го века в связи с широким распространением средств индивидуальной защиты, в первую очередь бронежилетов, наиболее остро встает вопрос поражения защищенных целей. В этой связи повышается актуальность разработки бронебойных пуль, позволяющих поражать противника, защищенного бронежилетом и другими индивидуальными средствами защиты. Пробитие индивидуальных средств защиты, как правило, производится сердечником пули, при этом сердечник должен иметь достаточную энергию для поражения и не деформироваться при попадании в защитные элементы бронежилета. Для этого наиболее оптимальным материалом сердечника пули (далее ударник) с точки зрения благоприятного сочетания свойств, таких как прочность, твердость, удельный вес, является вольфрамосодержащий твердый сплав с содержанием кобальта 6.. .8 % по массе.

Для повышения бронебойного действия пуль требуется оптимизация геометрии твердосплавного ударника и улучшение физико-механических характеристик его материала, достичь которые можно созданием соответствующей геометрии ударника, новых материалов и совершенствованием технологии их изготовления.

Связь работы с научными программами

Работа выполнялась в рамках НИОКР «Разработка твердосплавного ударника повышенного бронебойного действия, шифр 7Н39» и в соответствии с план-графиком совместных работ ООО «ТехКомплекг» (г. Комсомольск-на-Амуре) и ФГУП «ЦНИИТОЧМАШ» (г. Климовск).

Целью работы является повышение тактико-технических характеристик ударника за счет оптимизации его конструкции, структуры и свойств материала, а также технологии его изготовления.

В рамках поставленной цели были определены следующие задачи:

- разработка материала твердосплавного ударника с высокими физико-механическими свойствами",

- разработка технологии получения материала твердосплавного ударника и отработка оптимальных технологических параметров;

- исследование химического и фазового состава твердосплавного ударника до и после пропикновения в броневую сталь, а также взаимосвязь микромеханизмов их деформирования и разрушения;

- исследование механизмов пробития брони с целью совершенствования конструкции твердосплавного ударника, способного реализовать менее энергоемкий механизм разрушения;

— разработка и оптимизация технологических режимов и параметров изготовления самого ударника;

- внедрение результатов исследований в производство.

Для решения поставленных задач применены современные методы исследования: сканирующая электронная микроскопия, метод низкотемпературной адсорбции газа, термогравиметрический анализ и стандартизированные механические испытания.

Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций, представленных в данной работе, обеспечиваетсяприменением современных методов исследования структуры и свойств материалов, использованием методик и оборудования, аттестованных государственной и международной службами стандартизации и метрологии. Научные положения, сформулированные в настоящей работе, подтверждаются результатами экспериментальных работ, а также полигонными испытаниями ударников с высокими функциональными свойствами.

Научная новизна работы:

1. Создана методология формирования оптимальной структуры твердого сплава в зависимости от требуемых физико-механических свойств ударника, заключающаяся во введении дополнительной технологической операции обеспечивающей механоактивацию смеси для создания однородной, мелкозернистой и трещиностойкой структуры.

2. Установлено влияние режимов механоактивации на структуру и физико-механические свойства твердосплавного материала ударника, что позволило выявить оптимальные режимы механоактивации, обеспечивающие повышенные функциональные свойства ударника.

3. Установлены микромеханизмы разрушения контактных поверхностей твердосплавного ударника в зависимости от химического и фазового состава брони.

4. Сформированы новые представления о механизмах взаимодействия твердосплавных ударников с броневыми сталями.

Практическая значимость работы:

1. Определены оптимальные режимы механоактивации, обеспечивающие высокую ударную вязкость материала.

2. Создан материал для твердосплавного ударника с высокими техническими характеристиками, разработана технология его изготовления.

3. Разработан программный комплекс, позволяющий моделировать и прогнозировать поведение различных твердосплавных материалов при высокоскоростном взаимодействии ударника с броней.

4. Разработан материал, конструкция и технология получения материала ударника для проникновения в броню при высоких скоростях соударения, а также усовершенствована технология изготовления ударника.

5. Разработаны основные конструктивные и эксплуатационные показатели эффективного ударника.

6. Разработан новый бронебойный патрон калибра 5,45-мм, индекс 7Н39. В нем использован ударник, изготовленный по разработанной технологии с усовершенствованным материалом. Патрон по тактико-техническим характеристикам превосходит аналоги, имеющиеся в РФ и за рубежом. Результаты работы внедрены в действующее производство.

Положения, выносимые на защиту:

- структура, химический и фазовый состав твердосплавного материала марки ВК8, полученного при различных режимах механоактивации;

- результаты оптимизации физико-механических свойств твердосплавного материала и геометрии (формы) ударника в зависимости от требуемых условий пробития высокопрочных стальных преград (брони);

- технология изготовления ударника с повышенными функциональными свойствами;

- конструкция твердосплавного ударника.

Апробация работы

Апробация результатов работы положительно оценена в ходе выполненного комплекса полных государственных испытаний бронебойного патрона, имеющего в своем составе ударник из твердосплавного материала.

Материалы диссертационной работы представлены на следующих научных мероприятиях: VII всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2011); Международная научно-техническая конференция «Инновационные материалы и технологии: достижения, проблемы, решения» (Комсомольск-на-Амуре, 2013).

Публикации. Материалы исследований опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 3 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 3 материалах конференций и 8 патентах РФ.

Личный вклад автора состоит в анализе литературных данных по теме исследования, проведении экспериментов, обсуждении полученных результатов, написании статей, докладов и заявок на патенты. Часть экспериментальных данных получены при участии сотрудников ФГБОУ ВПО Комсомольского на Амуре государственного технического университета, ФГБОУ ВПО Ростовского государственного университета путей сообщения, НИИ ПММ Томского государственного университета, ФГУП «ЦНИИТОЧМАШ» и ООО «ТехКомилект».

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников (103 наименования) и 2 приложений. Объем диссертации составляет 128 страниц, включая 11 таблиц и 50 рисунков.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснован выбор темы исследования, сформированы цель и задачи работы. Показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава Выполнен анализ состояния проблемы, отражены требования к функциональным материалам для бронебойного ударника.

Показаны действительные механизмы разрушения, которые зависят от таких переменных, как свойства материала, скорость соударения, форма ударника, способ крепления преграды и относительные размеры ударника и преграды. Описаны процессы деформации и разрушения тела при нагружении, основанные как па дискретном строении тела, так и на основе макроскопического подхода. Подробно освещены фазовые превращения в твердых телах при ударно-волновом нагружении.

Проведен анализ основных методов механоактивации твердосплавных материалов. Выбраны наиболее оптимальные методы измельчения твердосплавной смеси.

Подробно освещены вопросы по влиянию размеров и формы зерен карбидов на прочность и вязкость твердых сплавов.

На основании литературного обзора установлено, что функциональные свойства ударника не в полной мере отвечают предъявляемым требованиям. В первую очередь это связано со свойствами материала ударника. Исходя из этого сформулирована необходимость разработки и получения материала ударника на базе вольфрамокобальтового сплава с высокими физико-механическими свойствами, обеспечивающими повышенные функциональные свойства ударника.

Во второй главе описаны методы и средства экспериментальных исследований и аналитического контроля структуры, состава, физико-механических и эксплуатационных свойств твердосплавных ударников и брони.

Приведены материалы и оборудование, используемые при изготовлении твердосплавных ударников.

Исследование удельной поверхности исходных и измельченных твердосплавных порошков проводились на приборе 8огЫ № 4.1 по адсорбции азота 4-х точечным методом БЭТ.

Исследование кинетики спекания твердосплавных образцов выполнено в дилатометре Б1Ь-402С, включая построение кривых с-ОТА.

Экспериментальные исследования физико-механических свойств материала ударника проводились в соответствии с известными стандартными методиками.

Исследование структуры и микромеханических свойств твердосплавных материалов проводилось на оптическом микроскопе МЕТАМ РВ-21-2 и растровом электронном микроскопе HITACHJ S3400N.

Исследование микротвёрдости (HV), модуля упругости (Е), индекса пластичности (Н/Е) зоны пробития стальной брони марки 44С проводилось в научно-исследовательской лаборатории «Нанотехнологии и новые материалы» Ростовского государственного университета путей сообщения. Исследование выполнялось методом наноиндентирования с помощью комплекса «NanoTest 600». Индентирование производилось алмазным индентором Берковича (в форме треугольной пирамиды) в двух направлениях: вглубь от кромки пробоя на глубину 300 мкм (через каждые 20 мкм), а также вдоль кромки пробоя от входа к выходу ударника на расстоянии 6000 мкм (через каждые 250 мкм).

Третья глава посвящена созданию (проектированию) физической модели ударопрочного твердосплавного материала с высокими прочностными свойствами.

Анализ экспериментальных данных и теоретические исследования позволили установить, что для ударопрочных твердосплавных материалов, работающих в условиях высоких ударных нагрузок, оптимальной исходной твердосплавной композицией по комплексу свойств (циклическая прочность; прочность на изгиб и сжатие; достаточная трешиностойкость) обладают сплавы группы WC-Co (с содержанием кобальта 6,5 - 8,5 % по массе) со средне- и мелкозернистой а -фазой (1.6 -2.2 мкм; 1.0 - 1.6 мкм соответственно), адекватно связанной с толщиной прослойки кобальтовой фазы (рс0)-

Как видно из рисунка 1, с уменьшением доли связки в сплаве эффективная толщина кобальтовой прослойки также снижается.

Рис. 1. Предел прочности при изгибе сгвшг композиции WC-Co в зависимости

от рсо (по Гурланду).

2800

Изначально известно*, что твердые сплавы относятся к группе дисперсно-упрочненных композиционных материалов. В структуре твердых сплавов слабые звенья по возрастанию энергии разрушения располагаются в следующей последовательности:

транскристаллитное разрушение а-фазы (dWc > 2.5 мкм) —> —> интеркристаллитиое (WC/WC) —» межфазное (WC/Co) —» —> разрушение связки (Со).

Таким образом, наиболее слабыми звеньями в структуре твердосплавного материала являются крупные зерна а - фазы и межзеренные границы, в связи с чем вопрос упрочнения слабых звеньев в композиционных материалах является актуальным.

Электронно-микроскопический анализ шлифов и изломов различных марок твердых сплавов, работающих в условиях пробивания преграды, во взаимосвязи с их физико-механическими и триботехническими свойствами и параметрами структуры позволили разработать состав, структуру твердого сплава с высокой ударной вязкостью и низкой реакционной способностью.

Для оценки влияния конструкции твердосплавного ударника на пробитие стальной брони марки 44С и 2ГТ, толщиной 6 и 10 мм проведены натурные испытания. Отдельные результаты испытаний приведены в таблице 1.

Табл. 1- Форма твердосплавного ударника и фрагменты пробития брони ударником

* Б. Финдайзен, Э. Фридрих и др. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы. Под ред. В. Шахта Пер. с нем. М., «Металлургия», 1983. 520 с. с ил.

Фрагменты мест пробития твердосплавными ударниками подверглись микроструктурному исследованию. На образцах на всем протяжении отверстия, образованного проникновением твердосплавным ударником, наблюдаются трещины напряжения и заварившиеся трещины.

Из анализа таблицы I следует, что характер образования трещин заостренным конусообразным ударником (образец 13, 18) имеет магистральный тип (рис. 2), в отличие от ударников с оживалыюй конфигурацией головной части (образец 7Н24 и 26), где наблюдается разветвленная и развитая система трещин (рис.3).

а) б)

Рис. 2. Открытые трещины (а) и заварившиеся трещины (б) вблизи отверстия на образцах №13 и 18 брони.

а) б)

Рис. 3. Открытые трещины (а) и заварившиеся трещины (б) вблизи отверстия на образцах №7Н24, 26 и 27 брони.

Указанное свидетельствует о наличии различных механизмов разрушения преграды: от локального до глобального развития полос адиабатического сдвига (ПАС). Очевидно, что энергия, выделяемая при пластической деформации, концентрируется в окрестности полос сдвига, что приводит к локальному нагреву и катастрофическому разрушению.

Исследование спеченных образцов ударников показало, что трещиностойкость материала определяется (взаимосвязана) условиями механоактивации товарной смеси. Соответственно, установлено (рис. 4), что максимальные значения трещиносгойкости материала ударника достигаются при продолжительности механоактивации от 180 до 360 мин. С увеличением продолжительности размола интенсивно уменьшается размер зерен WC и уменьшается толщина кобальтовой прослойки. Это приводит к повышению

трещиностойкости материала за счёт реализации эффекта стопорения трещин в связующем металле (Со).

№ образца

Рис. 4. Зависимость трещиностойкости материала образцов от времени размола смеси: 1-0 мин; 2—180 мин; 3-360 мин; 4 - 480 мин и 5 - 540 мин.

В таблице 2 приведены результаты испытаний влияния физико-механических свойств материала твердосплавного ударника (головная часть: конус 40°) на пробивное действие по стальной бронеплите (марка материала 2П, толщина 10 мм).

Табл. 2- Значения предела прочности при изгибе, трещиностойкость образцов и результаты (%) пробития стальной преграды

№ п/п № образца Пробития преграды ударником процент - дальность, %-м Предел прочности при поперечном изгибе, МПа Трещиностойкость, МПахм1й

1 1 80% - 85 м 1860 13,54

2 2 80% - 80 м 1920 14,33

3 j 90% - 90 м 2020 14,27

4 4 90% - 95 м 2170 13,78

5 5 90%- 100 м 2280 13,74

Данные исследования позволили выявить область необходимого предела прочности материала ударника. Установлено, что предел прочности должен превышать 2000 МПа, в этих условиях обеспечивается необходимая трещиностойкость материала (13,74 до 14, 27 МПахм1,2), приводящая к достаточной эффективности (более 90% не менее 90 м) пробития преграды.

Отмечено, что после проникновения через преграду заостренная головная часть твердосплавных ударников № 3, 4 и 5 не разрушилась. У образцов №1 и 2 имелись сколы и выкрашивания на головной части ударника.

Из данных, приведённых в табл.1 следует, что вид оживальной части головки ударника влияет на пробиваемость преграды. Наиболее эффективна заострённая форма. При этом даже некоторое снижение коэффициента трещиностойкости материала не является решающим, влияние формы превалирует. Для оптимизации геометрии (и материала) ударника, а также прогнозирования пробивного действия пули разработан программный комплекс.

Программный комплекс позволяет изучить напряженно - деформированное и термодинамическое состояния элементов конструкции в любой момент времени взаимодействия ударника с преградой, а также получить по времени всю картину внедрения, пробития и образования осколков материала ударника и брони. Адекватность программного обеспечения оценена и подтверждена экспериментально.

С помощью программного комплекса моделирован процесс проникновения твердосплавного ударника. Это выполнено для ударника с оживальной и конусной головной частью (рис. 5 и 6). Характеры проникновения и пробития стальной брони ударниками с оживальной 7Н24 и конусной головной частью 7Н39 существенно отличаются.

В ходе испытаний отмечено, что наличие площадки (диаметром менее 1/2 диаметра ударника) у вершины ударника влечёт за собой образование осколков и пробки, рис.5, что не желательно.

Рис. 5. Этапы взаимодействия ударника оживальной головной частью с броней толщиной 6 мм (а); сила (б) сопротивления внедрению ударника.

Отмечено также, что осколки у ударника с остроконечной вершиной образуются в значительно меньшей мере, рис.6. Конфигурация головной части ударника в виде конуса при прохождении преграды раздвигает и деформирует с изгибом материал в силу низкого лобового сопротивления (рис. 66).

Рис. 6. Этапы взаимодействия ударника с конусной головной частью с броней толщиной 6 мм (а); сила (б) сопротивления внедрению ударника.

Выполненное исследование позволило оптимизировать геометрию ударника и сформулировало требования к материалу ударника.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния времени измельчения твердосплавной смеси марки ВК8 на характер и эффективность пробития стальной брони (рис. 7). При этом учтено изменение активации смеси за счет увеличения свободной энергии поверхностности зёрен твёрдой фазы, число которых увеличилось в результате измельчения, а их размер уменьшился. Полученные данные испытаний показывают, что прочность материала при поперечном изгибе увеличивается при росте продолжительности механоактивации, но при некотором значении времени размола интенсивность роста удельной поверхности карбидной фазы замедляется, рис.7. При этом снижается дефектность зерен WC и улучшается распределение связующего материала (Со).

Т = 20мкс

= 26мкс

О 100 200 300 400 500 600

Рис. 7. Зависимость времени механоакгивации на удельную поверхность зерен и предел прочности при поперечном изгибе

Дилатометрический и фракционный анализ твердосплавной смеси ВК8 (рис.8) позволили установить, что в результате измельчения смеси происходит изменение температуры фазового превращения (табл. 3).

Из полученных данных можно сделать следующий вывод о том, что после размола и усреднения твердосплавной смеси во время спекания происходит активация жидкофазного процесса и снижение точки начала образования жидкой фазы. Установлено оптимальное время измельчения твердосплавной смеси. Оно составляет от 360 до 540 мин. Это определено путём исследования размера зерен \\'С в твердосплавных образцах. Так, на рис. 8 и 9 показано, что максимальный объём фракции оптимального размера (до 2 мкм) достигнут на тех образцах (№ 3, 4 и 5), которые обеспечили повышенную прочность материала.

Табл. 3 - Влияние времени измельчения на прочность, удельную поверхность смеси и температуру образования жидкой фазы

№ Продолжите Удельная Т'ем-ра Предел Микротвер

образца льность поверхность образован прочности при дость,

размола, зерен XVС, ия жидкой поперечном Н/мм2

мин м2/г фазы, °С изгибе, МПа

1 0 1,135 1358 1860 1643

2 180 1,294 1356,7 1920 1670

3 360 1,369 1353,7 2020 1818

4 480 1,355 1351,4 2170 1847

5 540 1,370 1351,6 2280 1862

_

ч: о и

50 45 40 35 30

10

s 1.4 ^

12

§ Образец 1

¿Г лГ -у

V г t

Размер зерна, .viкм

!>2 Образец 2 Образец 3

<оу

tT

w Образоц4

й: Образец 5

Рис. 8. Зависимость фракционного состава от времени размола сплава ВК8.

Металлографический анализ деформационного изменения структуры материала и элементного состава контактных поверхностей образцов после проникновения сквозь стальную броню показал, что имеет место адгезионный износ, дробление и уплотнение структуры материала на поверхности ударника.

3 - •

> , 1 1Ж

Рис. 9. Микроструктура поверхности твердого сплава ВК8: а - до размола б - после размола 540 мин.

Следует отметить, что при скоростях соударения до 400 м/с на поверхности (на глубине 10-К20 мкм) материала ударника наблюдается разрыхление карбидной матрицы (рис. 10), а при скорости до 800 м/с имеет место интенсивный адгезионной износ (рис. 11). Температура в зоне контакта ударника с преградой достигает более 1000 °С и давление до 10 ПТа, что в несколько раз превышает предел прочности материала брони.

Рис. 10. Микрофрактограммы разработанного ударника повышенной пробиваемости после проникновения через броню при скорости Упрон =400 м/с.

Данные подтверждаются проведенным анализом структуры элементов стальной преграды после проникновения ударника и расчетами пробивного действия на программном комплексе.

Рис. 11. Микрофрактограммы разработанного ударника повышенной пробиваемости после проникновения через броню при скорости Упрон=800 м/с.

Исследования микротвердости НУ конусной головной части твердосплавного ударника после проникновения через стальную преграду от поверхности в центр (рис. 12) указывает на снижение микротвердости на 10 : 15 % у поверхности за счет разрыхления карбидной матрицы материала и за счет проявления эффекта Ребиндера (адсорбционное понижение прочности).

1900 1350 1800 1750 1700 1650 1600 1550

зона 2-2 зола 2 зона 1-2 Зона измерения

Рис. 12. Распределение микротвердости по зонам ударника после проникновения сквозь стальную преграду

Таким образом, исследования показали, что разработанный материал удовлетворяет сформулированным выше требованиям, а именно более формоустойчив к воздействию высоких температур, имеет повышенную прочность, износостойкость и твёрдость. Это может быть в наиболее простом виде обеспечено путём оптимизации структуры материала ударника за счёт правильного назначения режимов механоактивации.

Пятая глава посвящена технологии производства материала твердосплавных ударников, оптимизации их геометрии и физико-механических свойств.

Установлено, что наиболее оптимальным вариантом для производства материала бронебойного твердосплавного ударника можно считать использование твердосплавных смесей ВК. Но товарная смесь должна быть приготовлена по особой технологии, а именно порошок вольфрама необходимо получить восстановлением в 2 стадии: 1 стадия - 900 °С, 2 стадия - 1200 °С, а карбидизацию необходимо проводить при температуре 2200°С. Применение этих режимов технологии позволяет до 3 раз повысить пластичность карбида вольфрама. В совокупности с оптимизацией размера зерна это позволяет выйти на следующий уровень свойств материала: предел прочности при изгибе 2200-2500 МПа, вязкость разрушения (трещиностойкость) свыше 12 МЛа^м1'-. Именно эти значения были сформулированы выше в качестве требований к разрабатываемому материалу, этими значениями указанных параметров обеспечиваются требуемые функциональные свойства ударника.

Однако эффективность применения ударника обеспечивается не только геометрией ударника и его материалом. Имеется возможность и необходимость усовершенствовать и саму технологию изготовления ударника. В общем виде технология производства ударника представляет собой комплекс работ (рис. 13), начиная от анализа товарной твердосплавной смеси группы ВК (Л¥С-Со) с

содержанием кобальта 8 % мае. и заканчивая контролем готового ударника. Нами в неё привнесены операции механоактивации смеси и механической обработки заготовки ударника, а именно алмазная шлифовка головной части ударника.

Рис. 13. Блок-схема (и используемое оборудование) технологии производства твердосплавного ударника.

Твердосплавная смесь, прошедшая приемку, подвергают механоактивании. В вибрационной мельнице с размольными телами цилиндрической формы происходит гомогенизация состава смеси и механическая активация поверхности зерен ^/С. Смесь после активации поступает на операцию пластифицирование, где она смешивается с раствором синтетического каучука в бензине в количестве 0,7 : 1,3 %, сушится, гранулируется, просеивается и поступает на операцию прессования. Спрессованные изделия подвергают двухстадийному спеканию: предварительное спекание заготовок ударника в вакууме и окончательное жидкофазное спекание иод давлением в нейтральной атмосфере.

Данный подход к спеканию ударника, в ходе которого формируются окончательные свойства сплава, позволяет максимально реализовать возможности твердосплавного материала по физико-механическим показателям (плотность, прочность, твердость). Алмазное шлифование твердосплавного ударника, помимо дополнительного повышения прочностных показателей (до 20...30%) материала, снижает дефектность наиболее нагруженной головной части ударника.

Конусную головную часть ударника шлифуют на специализированном оборудовании соблюдая размеры и шероховатость. При этом соблюдая требование достижения максимально острой кромки носовой части ударника и не допуская перегрева во время шлифовки. Вся операция по переходам (загрузка, ориентирование, штучная подача-позиционирование, шлифование и выгрузка) полностью автоматизирована. Для этой цели спроектировано и изготовлено устройство для шлифовки головной части ударника (рис. 14).

Рис. 14. Устройство для шлифования головной части ударника.

Совокупность мероприятий по совершенствованию технологии позволили повысить пробивную способность ударника на 50 - 80 %, улучшить в 1,5 ^ 2 раза кучность стрельбы и стабильность полета пули.

Результаты работы (конструкция ударника, материал, технология получения материала и технология изготовления ударника) внедрены во ФКП «АПЗ «Вымпел» (г. Амурск), а конструкторская документация и разработанный программный комплекс внедрены на ООО «ТехКомплект» (г. Комсомольск-на-Амуре).

Разработанный материал ударника внедрен в производство бронебойного патрона повышенной пробиваемости, индекс 7Н39. Патрон 7Н39 успешно прошел Государственные испытания и принят на вооружение в МО РФ (приказ МО РФ № 293 от 17.04.2013 г.).

Заключение. Общие выводы

1. В диссертационпой работе за счет создания научно обоснованных технических, технологических решений и разработок выполнено решение задачи повышения тактико-технических характеристик твердосплавного ударника, имеющей основополагающее значение для оборонной отрасли, внедрение которых имеет существенное значение для развития и обороноспособности страны.

2. Установлено влияние технологических параметров процесса изготовления материала ВК8 (режимов механоактивации) на физико-механические свойства ударников. Выявлены оптимальные параметры, в частности продолжительность механоактивации твердосплавной смеси должна составлять от 360 до 540 мин, что приводит к достижению максимального содержания в смеси зерна WC со средним размером до 2 мкм. При этом предел прочности составляет от 2000 до 2280 МПа и вязкость разрушения (трещиностойкость) составляет от 13,74 до 14, 27 МПахм1/2.

3. Установлено изменение структуры материала ударника в результате взаимодействия с броней, в частности показано, что твердосплавной ударник до проникновения в броню имеет однородную по объему структуру (и микротвердость HV до 1840 Н/мм"), а после пробития поверхностные слои материала ударника имеют вырывы и деформировации (со снижением на этих участках микротвёрдости до 1660 Н/мм2).

4. Оптимизированы геометрия ударника и физико-механические свойства его материала. Это выполнено за счет установления механизмов пробития брони. Последнее осуществлено путем применения разработанного программного комплекса, способного моделировать кинетику процесса взаимодействия ударника с препятствием. Этот комплекс работ позволил рекомендовать остроконечную конструкцию головной части ударника, применить механоактивацию смеси и механическую обработку заготовки ударника.

5. Разработана новая технология получения материала, обеспечивающего высокие функциональные свойства твердосплавного ударника.

6. Разработан программный комплекс для моделирования кинетики и расчёта параметров высокоскоростного взаимодействия ударника с броней.

7. Разработанный материал ударника внедрен в производство бронебойного патрона повышенной пробиваемости, индекс 7Н39. Патрон 7Н39 успешно прошёл Государственные испытания и принят на вооружение в МО РФ (приказ МО РФ № 293 от 17.04.2013 г.). Технология изготовления материала ударника и технология изготовления ударника в целом внедрена в производство, серия изделий поставлена на квалификационные испытания.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Довгаль О.В. Анализ пробивного действия комбинированных ударников. Глазырин В.П., Довгаль О.В., Орлов Ю.Н., Орлов М.Ю., Чигрин Ю.Л. // Известия вузов. Физика. - 2010. - Т. 53, № 12/2. - С. 86 - 89.

2. Довгаль О.В. Анализ процесса пробития керамических преград удлиненными ударниками. Глазырин В.П., Фадеев B.C., Довгаль О.В., Орлов Ю.Н., Чигрин Ю.Л., Штанов О.В. // Известия вузов. Физика. - 2011. - № ю/2. - С. 48 - 52.

3. Довгаль О.В. Технологические аспекты создания и изготовления твердосплавного материала на основе ВК8 для высокоскоростного пробойника. // Ученые записки КнАГТУ. Выпуск IV-1. Науки в природе и технике / гл. ред. A.M. Шпилев. -Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2013. - С. 101-106.

4. Довгаль О.В. Моделирование пробивного действия 5,6-мм ударников с сердечниками из ВК8. Глазырин В.П., Фадеев B.C., Довгаль О.В., Орлов Ю.Н., Чигрин Ю.Л., Штанов О.В // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Материалы VII Всероссийской научной конференции. -Томск: Изд-во ТГУ, 2011, - С. 229 - 230.

5. Довгаль О.В. Исследование процесса пробития заостренным ударником. Довгаль О.В., Ким В.А., Фадеев B.C., Чигрин Ю.Л., Штанов О.В. // Инновационные материалы и технологии: достижения, проблемы, решения. Школа-семинар по фундаментальным основам создания инновационных материалов и технологий: материалы Междунар. научн.-техн. конф., Комсомольск-на-Амуре, 21-22 июня 2013 г. В 2 ч. Ч. 1 / редкол.: A.M. Шпилёв (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2013. - С. 285-288.

6. Довгаль О.В. Формирование оптимальной структуры высокопрочных ударников. Довгаль О.В., Ким В.А., Фадеев B.C., Чигрин Ю.Л. // Инновационные

материалы и технологии: достижения, проблемы, решения. Школа-семинар по фундаментальным основам создания инновационных материалов и технологий: материалы Междунар. научн.-техн. конф., Комсомольск-на-Амуре, 21-22 июня 2013 г. В 2 ч. Ч. 1 / редкол.: A.M. Шгшлёв (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2013. - С. 293-297.

Патенты РФ:

7. Патент РФ № 2438096, МПК F42B 12/06, F42B 30/02 на изобретения «Бронебойная пуля»/ Авторы. Фадеев B.C., Конаков A.B., Чигрин Ю.Л., Штанов О.В., Ободовский Ю.В., Паладин Н.М., Довгаль О.В., Михеев В.Г., Иванов В.Н., Щитов В.Н., Зубачев В.И., Дворянинов В.Н., Николаев В.А., Тагунов В.Ф., Пугачев В.А., Шпаченко Э.В./ Патентообладатель ООО «ТехКомплект», заявка № 2010128438/11 от 09.07.2010, опубл. 27.12.2011, Бюл. №36.

8. Патент РФ № 2438092 МПК F42B 5/02, F42B 30/02 на изобретения «Патрон повышенной пробиваемости»/Авторы Фадеев B.C., Конаков A.B., Чигрин IO.JL, Штанов О.В., Ободовский Ю.В., Паладин Н.М., Довгаль О.В., Михеев В.Г., Иванов В.Н., Щитов В.Н., Зубачев В.И., Дворянинов В.Н., Николаев В.А., Тагунов В.Ф., Пугачев В.А., Шпаченко Э.В./ Патентообладатель ООО «ТехКомплект», заявка № 2010128439/11 от 09.07.2010, опубл. 27.12.2011, Бюл. №36.

9. Патент РФ № 99612 МПК F42B 12/06 на полезную модель «Бронебойная пуля»/Авторы Фадеев B.C., Конаков A.B., Чигрин Ю.Л., Штанов О.В., Ободовский Ю.В., Паладин Н.М., Довгаль О.В., Михеев В.Г., Иванов В.Н., Щитов В.Н., Зубачев В.И., Дворянинов В.Н., Николаев В.А., Тагунов В.Ф., Пугачев В.А., Шпаченко Э.В./ Патентообладатель ООО «ТехКомплект», заявка № 2010129980/11 от 20.07.2010, опубл. 20.11.2011, Бюл. №32.

10. Патент РФ № 99867 МПК F42B 5/02 на полезную модель «Патрон повышенной пробиваемости»/Авторы Фадеев B.C., Конаков A.B., Чигрин Ю.Л., Штанов О .В., Ободовский Ю.В., Паладин Н.М., Довгаль О.В., Михеев В.Г., Иванов В.Н., Щитов В.Н., Зубачев В.И., Дворянинов В.Н., Николаев В.А., Тагунов В.Ф., Пугачев В.А., Шпаченко Э.В./ Патентообладатель ООО «ТехКомплект», заявка № 2010129979/11 от 20.07.2010, опубл. 27.11.2011, Бюл. №33.

11. Патент РФ № 107342 МПК F42B 30/00 на полезную модель «Бронебойная пуля для стрелкового оружия»/Авторы Фадеев B.C., Конаков A.B., Чигрин Ю.Л., Штанов О.В., Ободовский Ю.В., Паладин Н.М., Михеев В.Г., Иванов В.Н., Щитов В.Н., Стародуб Н.В., Довгаль О.В./ Патентообладатель ООО «ТехКомплект», заявка № 2011115518/11 от 20.04.2011, опубл. 10.08.2011, Бюл. №22.

12. Патент РФ № 109843 МПК F42B 12/04 на полезную модель «Бронебойная пуля для стрелкового оружия»/ Авторы Фадеев B.C., Конаков A.B.,

Чигрин Ю.Л., Штанов О.В., Ободовскнй Ю.В., Паладин Н.М., Михеев В.Г., Иванов В.Н., Щитов В.Н., Стародуб Н.В., Довгаль О.В./ Патентообладатель ООО «ТехКомплект», заявка № 2011115519/11 от 20.04.2011, опубл. 27.10.2011, Бюл. №30.

13. Патент РФ № 112390 МПК F42B 30/02, F42B 12/06 на полезную модель «Сердечник бронебойной пули»/Авторы Фадеев B.C., Конаков A.B., Чигрин Ю.Л., Штанов О.В., Ободовский Ю.В., Паладин Н.М., Михеев В.Г., Иванов В.Н., Щитов В.Н., Стародуб Н.В., Довгаль О.В., Николаев В.А./ Патентообладатель ООО «ТехКомплект», заявка № 2011135011/11 от 22.08.2011, опубл. 10.01.2012, Бюл. №1.

14. Патент РФ № 124618 МПК В24В 5/14 на полезную модель «Приспособление для обработки конической головной части твердосплавных сердечников на шлифовальном станке»/Авторы Фадеев B.C., Конаков A.B., Чигрин Ю.Л., Штанов О.В., Ободовский Ю.В., Паладин Н.М., Михеев В.Г., Стародуб Н.В., Довгаль О.В./ Патентообладатель ООО «ТехКомплект», заявка № 2012116854/02 от 26.04.2012, опубл. 10.02.2013, Бюл. №4.

Олег Викторович Довгаль

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛА, КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНОГО УДАРНИКА

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 20.11.2013. Формат 60*84 1/16.бумага 65 г/м2. Ризограф Е/570е. Усл. печ. л. 1,40. Уч.- изд. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ 25909.

Полиграфическая лаборатория ФГБОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

Общество с ограниченной ответственностью «ТехКомплект»

На правах рукописи

04201450743

Довгаль Олег Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛА, КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНОГО УДАРНИКА

Специальность 05.16.09 - материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Евстигнеев Алексей Иванович

Комсомольск-на-Амуре - 2013

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 5

1. АНАЛИЗ СВОЙСТВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ, МЕХАНИЗМОВ ПОВЕДЕНИЯ БРОНИ И УДАРНИКА ПРИ УДАРНО-ВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ......................................................................................... 9

1.1. Требования к функциональным материалам для ударников......... 9

1.2. Свойства твердых сплавов, используемых при изготовлении ударников................................................................................................... 11

1.3. Анализ влияния структуры на прочность и вязкость твердых сплавов для высокоскоростных ударников............................................. 14

1.4. Основные методы механоактивации твердосплавных материалов.................................................................................................. 18

1.5. Анализ механизмов пробития ударниками металлической

брони........................................................................................................... 21

1.6. Выводы................................................................................................ 34

2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРЫ, СОСТАВОВ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УДАРНИКА И БРОНИ........................................................ 36

2.1. Материалы и оборудование, используемые при изготовлении твердосплавного ударника........................................................................ 37

2.2. Стандартизированные методики исследования технологических, физико-механических свойств и структур твердосплавного ударника

и элементов брони...................................................................................... 38

2.3. Методика микромеханических исследований ударника до и после их проникновения в броню............................................................ 42

2.4. Методика исследования трещиностойкости твердосплавного ударника..................................................................................................... 44

2.5. Выводы................................................................................................ 46

3. РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ, СОСТАВА И СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА УДАРНИКА НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА - КОБАЛЬТА ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ПРОНИКНОВЕНИЯ В БРОНЮ.................................. 47

3.1. Основные принципы конструирования структуры твердых сплавов................................................................................................... 47

3.2. Требования, предъявляемые к материалам ударников на металлической связке.............................................................. 48

3.3. Исследование химического и фазового состава поверхностных слоев броневой стали после пробития твердосплавным ударником.................................................................................... 53

3.3.1. Исследование влияния конфигурации твердосплавного ударника на микромеханизмы и кинетику разрушения в зоне пробития брони марки 44С........................................................... 53

3.3.2. Исследование влияния прочности твердосплавного ударника на пластическую деформацию в зоне пробития броневой стали марки 2П..................................................................................................... 63

3.4. Моделирование на ЭВМ пробивного действия ударников........... 69

3.4.1. Расчет пробития стальных преград ударником с оживальной головной частью......................................................................... 70

3.4.2. Расчет пробития стальных преград остроконечным ударником................................................................................................... 74

3.5. Выводы.......................................................................... 76

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УДАРНИКОВ........... 78

4.1. Исследование влияния удельной поверхности исходных порошков на кинетику их спекания............................................. 78

4.2. Исследование влияния времени измельчения на фракционный состав и степень однородности твердосплавной смеси.................... 84

4.3. Исследование физико-механических свойств твердосплавных ударников............................................................................ 86

4.4. Исследование структуры, свойств и механизмов взаимодействия материала ударника с броней................................. 90

4.5. Выводы.......................................................................... 94

5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ОТРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................. 96

5.1. Оптимизация структуры, состава и свойств материала для реализации эффективной геометрии ударника................................. 96

5.2. Технология производства ударника с заданной геометрией.............................................................................. 100

5.3. Практическая реализация результатов исследования................ 108

5.4. Выводы............................................................................. 113

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ....................................................................... 114

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................. 116

ПРИЛОЖЕНИЕ А Акт внедрения программного комплекса..................... 127

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт внедрения конструкции, материала и

технологии изготовления твердосплавного ударника................................. 128

ВВЕДЕНИЕ

Широкое внедрение высоких технологий в военной технике, направлено на повышение ее огневой мощи и мобильности. Часто исход боевых действий во многом решают боевые подразделения, использующие огонь стрелкового оружия как самого массового и наиболее эффективного в ближнем бою.

Использование средств индивидуальной защиты, в первую очередь бронежилетов, значительно сокращает поражающее действие стрелкового оружия. В связи с чем, повышается актуальность разработки бронебойных пуль, позволяющих поражать противника, защищенного бронежилетом и другими индивидуальными средствами защиты или находящихся под защитой бронетехники. Пробитие индивидуальных средств защиты, производится сердечником пули в случае, если сердечник имеет достаточную кинетическую энергию и при соударении не разрушается.

Таким образом, главными задачами, решаемыми при создании бронебойного ударника, является: пробитие преграды, наличие запреградной скорости у сердечника при сохранении им формы.

Решение поставленных задач возможно за счет увеличения скорости, реализации менее энергоемкого механизма пробития преграды, создание материала сердечника с точки зрения благоприятного сочетания свойств, таких как прочность, твердость и удельный вес. Наиболее оптимальным является вольфрамосодержащий твердый сплав группы ВК с содержанием кобальта 6...8 % по массе.

Для повышения бронебойного действия пуль требуется как оптимизация геометрии основного элемента - твердосплавного сердечника (далее ударник), так и улучшение его физико-механических характеристик, достичь которых можно лишь с изменением технологии изготовления и применения современного оборудования.

Проведенные в данной работе исследования позволили сформировать и определить пути совершенствования структуры, свойств материала и конструкции ударника.

Целью работы является повышение тактико-технических характеристик ударника за счет оптимизации его конструкции, структуры и свойств материала, а также технологии его изготовления.

В рамках поставленной цели были определены следующие задачи:

- разработка материала твердосплавного ударника с высокими физико-механическими свойствами;

- разработка технологии получения материала твердосплавного ударника и отработка оптимальных технологических параметров;

- исследование химического и фазового состава твердосплавного ударника до и после проникновения в броневую сталь, а также взаимосвязь микромеханизмов их деформирования и разрушения;

- исследование механизмов пробития брони с целью совершенствования конструкции твердосплавного ударника, способного реализовать менее энергоемкий механизм разрушения;

- разработка и оптимизация технологических режимов и параметров изготовления самого ударника;

- внедрение результатов исследований в производство.

Научная новизна работы:

1. Создана методология формирования оптимальной структуры твердого сплава в зависимости от требуемых физико-механических свойств ударника, заключающаяся во введении дополнительной технологической операции обеспечивающей механоактивацию смеси для создания однородной, мелкозернистой и трещиностойкой структуры.

2. Установлено влияние режимов механоактивации на структуру и физико-механические свойства твердосплавного материала ударника, что

позволило выявить оптимальные режимы механоактивации, обеспечивающие повышенные функциональные свойства ударника.

3. Установлены микромеханизмы разрушения контактных поверхностей твердосплавного ударника в зависимости от химического и фазового состава брони.

4. Сформированы новые представления о механизмах взаимодействия твердосплавных ударников с броневыми сталями.

Практическая значимость работы:

1. Определены оптимальные режимы механоактивации, обеспечивающие высокую ударную вязкость материала.

2. Создан материал для твердосплавного ударника с высокими техническими характеристиками, разработана технология его изготовления.

3. Разработан программный комплекс, позволяющий моделировать и прогнозировать поведение различных твердосплавных материалов при высокоскоростном взаимодействии ударника с броней.

4. Разработан материал, конструкция и технология получения материала ударника для проникновения в броню при высоких скоростях соударения, а также усовершенствована технология изготовления ударника.

5. Разработаны основные конструктивные и эксплуатационные показатели эффективного ударника.

6. Разработан новый бронебойный патрон калибра 5,45-мм, индекс 7Н39. В нем использован ударник, изготовленный по разработанной технологии с усовершенствованным материалом. Патрон по тактико-техническим характеристикам превосходит аналоги, имеющиеся в РФ и за рубежом. Результаты работы внедрены в действующее производство.

Положения, выносимые на защиту:

- структура, химический и фазовый состав твердосплавного материала марки ВК8, полученного при различных режимах механоактивации;

результаты оптимизации физико-механических свойств твердосплавного материала и геометрии (формы) ударника в зависимости от требуемых условий пробития высокопрочных стальных преград (брони);

- технология изготовления ударника с повышенными функциональными свойствами; - - —

- конструкция твердосплавного ударника.

Благодарности. Выражаю искреннюю благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору, проректору по научной работе ФГБОУ ВПО «Комсомольского - на - Амуре государственного технического университета», заслуженному деятелю науки РФ Евстигнееву Алексею Ивановичу, а также консультантам доктору технических наук Фадееву Валерию Сергеевичу, кандидатам технических наук Чигрину Юрию Леонидовичу, Паладину Николаю Михайловичу, Штанову Олегу Викторовичу и Конакову Александру Викторовичу, сотрудникам НИИ ПММ Томского государственного университета, доктору физ.-мат. наук Глазырину Виктору Парфирьевичу, кандидатам физ.-мат. наук Орлову Юрию Николаевичу и Орлову Максиму Юрьевичу за содействие и помощь в организациии проведении экспериментальных работ и их обсуждении, выработку общих направлений, которые способствовали сформулировать основную цель и задачи исследований. Также выражаю признательность и благодарность сотрудникам ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт точного машиностроения» (ФГУП «ЦНИИТОЧМАШ»), особенно доктору технических наук Щитову Виктору Николаевичу, ведущим инженерам Николаеву Владимиру Александровичу и Куранову Евгению Сергеевичу, за полезные советы, общий обмен мнениями, способствовавшие выполнению работы в намеченные сроки.

ГЛАВА 1

Анализ свойств функциональных материалов, методов получения и упрочнения, механизмов поведения преграды и ударника при ударно-

волновом нагружении.

1.1. Требования к функциональным материалам для ударников

Известно, что при высокоскоростном ударе в момент контакта в ударнике и преграде возникают сильные ударные волны. Ударные волны имеют зоны разряжения, следующие за зонами давления. В момент соприкосновения ударника с преградой в нем возникают затухающие ударные волны, которые в определенный момент времени могут привести к механическому дроблению ударника [1, 2]. Такой эффект усиливается при наличии концентраторов на поверхности ударника, т.к. в этих зонах происходит взаимодействие зон напряжения.

Наличие высоких ударных нагрузок предъявляет и особые требования к свойствам материала ударника; кроме традиционных свойств: прочности на изгиб и на сжатие, твердости - сплав должен обладать высокой пластичностью. Это связано с тем, что в процессе внедрения ударника, например, в стальной лист, материал ударника, в начальный момент находясь в холодном состоянии, подвергается высоким ударным нагрузкам, и должен обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению, т.е. высокой ударной вязкостью, а при дальнейшем внедрении, при разогреве ударника до высоких температур, материал должен обладать высоким сопротивлением пластической деформации.

Формирование необходимой структуры материала ударника и выбор составляющих с целью получения комплекса требуемых свойств задача сложная и трудоемкая. Создание композиционных материалов и широкое их

внедрение связано не только с исследованиями в областях материаловедения и физики твердого тела, но и с разработкой новых подходов, таких как системный анализ и имитационное моделирование.

В последние годы в материаловедении сформировалось новое направление - конструирование материалов с заданными свойствами путем целенаправленного формирования структуры и свойств внутренних границ между зернами, частицами, кристаллитами, фазами и т.п., что позволяет создавать материалы способные релаксировать энергию, подводимую посредством различных микромеханизмов разрушения: хрупкого скола, вязкого среза, межзеренного и отрывом. При этом релаксация может совершаться самыми различными способами: движением вакансий (точечных дефектов) или дислокаций, двойникованием, локальным повышением температуры (термические флуктуации), разрывом отдельных межатомных связей, сколом, а также рассеиванием упругих волн в материале.

Анализ работ показывает, что исследования физико-механических свойств различных материалов [9, 10, 18, 19, 23] играют особую роль для твердых тел. Основными варьируемыми параметрами являются упругие характеристики. С одной стороны они связаны с энергией кристаллической решетки материала и являются мерой прочности межатомных связей, с другой стороны они входят в аппарат механики твердого тела и расчетов на прочность. Такие параметры, как дефектность, наличие примесей и условия нагружения влияют на величину упругих характеристик, то есть, варьируя как составом исходных веществ, так и режимами (параметрами) технологии получения материалов, можно достигать заданные градиенты упругих свойств.

Материалы, применяемые для изготовления бронебойных ударников для стрелковых патронов под конкретные условия применения должны обладать определенной совокупностью специфических, часто взаимоисключающих, свойств:

- высокой твердостью, которая в совокупности с кинетическим воздействием боеприпаса, обеспечивает его внедрение в броню;

- высокой прочностью, обеспечивающей сохранение заданной формы и целостности бронебойного элемента при встрече с препятствием;

высокой ударной вязкостью разрушения, достаточной для нивелирования отрицательного действия микродефектов структуры материала (пор, микротрещин, конструктивных концентраторов напряжений), неизбежно вносимых при его производстве;

- высокой плотностью, необходимой для обеспечения энергетических характеристик боеприпаса;

достаточной технологичностью, соответствующей для изделий массового производства.

1.2. Свойства твердых сплавов, используемых при изготовлении

ударников.

За последнюю четверть века создано значительное количество марок твердых сплавов, нашедших применение в металлургии, горнодобывающей и дорожностроительной отраслях, а также в металлообрабатывающей промышленности. Основная доля до 70 % [3] твердых сплавов идет на производство металлорежущего инструмента. Комплекс ценных свойств, присущих твердым сплавам, таких как: высокие значения твердости (НЯА 82 -92), модуль упругости (500 - 700 ГПа), предел прочности при сжатии (стсж) в сочетании с высокими параметрами сопротивления истиранию, электро- и теплопроводностью, стойкостью против окисления (до 1000° С) - являются важными преимуществами твердых сплавов перед другими материалами.

Состав, физико-механические характеристики среднезернистых твердых сплавов группы ВК приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Физико-механические свойства среднезернистых твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы

Сп