Сердечник бронебойной пули

Изобретение относится к боеприпасам, в частности к пулям автоматным и винтовочным, имеющим сердечник из твердого сплава с высоким пробивным действием.

Известно решение, в котором головная часть стального сердечника выполнена в виде конуса с углом при вершине 50-90° и имеет длину (0,2-0,8) калибра пули (Патент RU №2133441).

Недостатком решения является низкое пробивное действие.

Известно решение, в котором твердосплавный сердечник состоит из хвостовой части и головной части, имеющей оживальную форму, выполнен из материала, обладающего пределом прочности на сжатие более 4000 МПа, и имеющий угол при вершине от 90° до 120°, при этом указанный угол скругляют радиусом (0,2-0,6) мм (Патент RU №2254551). Далее вариант 2.

Недостатком известного решения также является недостаточная пробивная способность сердечника металлической брони. Не смотря на то, что в данном решении прочность материала на сжатие должна быть не менее 4000 МПа, основным видом разрушения сердечника является скол хвостовика и головной части. В случае, когда сердечник не пробивает бронеплиту, он в ней застревает, но у него разрушается хвостовик, который в принципе не входил в контакт с материалом бронеплиты. Недостаток обусловлен большим углом конуса при вершине головной части.

Известно решение, в котором твердосплавный сердечник бронебойной пули выполнен из твердого сплава с пределом прочности на сжатие более 4000 МПа и состоит из хвостовой части и головной части, имеющей оживальную форму с углом при вершине головной части от 90° до 120° и вершину головной части, округленной радиусом 0,2-0,6 мм, при этом хвостовик сердечника выполнен в виде усеченного конуса, меньший диаметр конуса равен 0,90-0,97 диаметра основания головной части сердечника, а больший диаметр конуса равен диаметру основания головной части сердечника, а материал твердого сплава имеет твердость HRA не ниже 88,5 единиц и коэффициент интенсивности напряжений K_1C не ниже 8 МПа·м^1/2 (патент РФ на полезную модель №88793).

Недостатком известного решения также является недостаточная пробивная способность сердечника металлической брони. Она на 10% выше, чем у предыдущего решения, но основным видом разрушения сердечника является скол хвостовика. Повышение бронебойной способности в данном случае достигнуто за счет улучшения свойств твердого сплава, а недостаток обусловлен также большим углом конуса при вершине головной части.

Известно решение, принятое в качестве прототипа, в котором сердечник бронебойной пули выполнен из твердого сплава с пределом прочности на сжатие более 4000 МПа в виде тела вращения, состоящего из хвостовой части и головной части, имеющей оживальную форму с углом при вершине головной части от 90° до 120° и вершину головной части, округленной радиусом 0,2-0,6 мм, вершина головной части имеет размер менее 1,0 мм, головная часть вместе с вершиной равна 0,25-0,60 длины сердечника, имеет форму объемного тела, возникающего при вращении прямолинейных и (или) плоских криволинейных отрезков относительно оси сердечника, лежащих в одной плоскости с осью сердечника, при вращении прямолинейных отрезков первый отрезок формирует тыльный объем головной части в виде усеченного конуса высотой, равной 0,2-0,8 высоты головной части, образует угол 10-40° с осью сердечника, а второй отрезок формирует фронтовой объем головной части в виде конуса, отходит от первого отрезка и образует угол 25-60° с осью сердечника, хвостовик сердечника имеет форму соединенных между собой цилиндра и (или) усеченного конуса, меньший диаметр конуса равен 0,80-0,98 диаметра большего диаметра конуса хвостовика, который равен диаметру цилиндра и головной части сердечника, а длина цилиндрической части составляет 0,01-100 длины усеченного конуса хвостовика, материал твердого сплава имеет твердость HRA не ниже 88,5 единиц, коэффициент интенсивности напряжений K_1C не ниже 8 МПа·м^1/2, при этом поверхность сердечника полностью или частично имеет шероховатость не выше Ra 0,8 (патент РФ на полезную модель №90189).

Недостатком данного решения также является недостаточная пробивная способность сердечника металлической брони. Однако она выше, чем у аналогов, но при этом основным видом разрушения сердечника является также скол хвостовика. Повышение бронебойной способности в данном случае достигнуто за счет улучшения свойств поверхности, уменьшению ее шероховатости. Недостаток обусловлен также большим углом конуса при вершине головной части.

В основу изобретения поставлена задача повышения пробивной способности твердосплавным сердечником металлической брони.

В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в отсутствии разрушения хвостовой части сердечника, при пробитии им металлической брони.

Указанный технический результат достигается заявляемым сердечником бронебойной пули, выполненным из твердого сплава с пределом прочности на сжатие более 4000 МПа, твердостью HRA не ниже 88,5 единиц, коэффициентом интенсивности напряжений K_1C не ниже 8 МПа·м^1/2, в виде тела вращения, состоящего из головной части, имеющей оживальную форму в виде конуса, и хвостовой части, имеющей форму соединенных между собой цилиндра и усеченного конуса, меньший диаметр конуса равен 0,80-0,98 диаметра большего конуса хвостовика, который равен диаметру цилиндра и диаметру головной части сердечника, а длина цилиндрической части составляет 0,01-100 длины усеченного конуса хвостовика, поверхность сердечника полностью или частично имеет шероховатость не выше Ra 0,8, отличающийся тем, что конус головной части сердечника выполнен остроконечным с углом при вершине от 10° до 38°.

Решение повышения пробивной способности твердосплавным сердечником металлической брони оказалось простым, но далеко не очевидным. Все приведенные выше технические решения и многие другие решения при заострении головной части сердечника доходили до угла в 60° и останавливались, полагая, что дальнейшее заострение конуса твердосплавного сердечника при соударении со стальной броней приведет к его хрупкому разрушению. Оно так и происходит при низких скоростях соударения или при статическом нагружении.

Известно (Физика разрушения при высокоскоростном ударе. С.И.Анисимов и др. Письма в ЖТФ, т. 39, вып.1, с.6-12, и Разрушение материалов при воздействии интенсивных ударных нагрузок. С.А.Новиков. Соросовский образовательный журнал, №8, 1999 г., с.116-121), что при высокоскоростном ударе в момент контакта в ударнике и преграде возникают сильные ударные волны. Ударные волны имеют зоны разрежения, следующие за зонами сжатия. В момент соприкосновения сердечника пули с преградой в сердечнике возникают затухающие ударные волны, которые при их наложении друг на друга, в определенный момент времени, могут привести к механическому дроблению сердечника. Такой эффект может усиливаться при наличии концентраторов на поверхности сердечника пули, например ступенек или острых углов, т.к. в этих зонах происходит взаимодействие зон напряжений. Это может объяснить характер разрушения сердечника, когда у него разрушается хвостовик. Необходимо отметить, что хвостовик в момент соударения не подвергался какому-либо воздействию со стороны бронеплиты, т.к. не находится с ней в соприкосновении. Ударные волны в нем присутствуют.

Подробный анализ физического механизма и основных закономерностей кинетики разрушения металлических поверхностей при ударном нагружении, что соответствует соударению сердечника и брони, позволили прийти к выводу о необходимости заострения сердечника. Заострение головной части сердечника позволяет создать в месте контакта адиабатическое сжатие. Тепловая энергия такого процесса идет на повышение температуры места контакта. В результате скачкообразного повышения температуры реализуются процессы пластического разрушения с локальным перегревом отдельных зон контакта.

Чтобы понять причину повышения пробивной способности сердечника необходимо рассмотреть с позиций механики разрушения процессы, происходящие в стольной броне в месте контакта.

Важную роль в пробивной способности сердечника, имеющего острый угол при вершине конуса без закругления острия, при высокоскоростном соударении, играет начальный период. Данный период характеризуется очень высокой контактной нагрузкой и кратковременным действием этой нагрузки (точке контакта) с локализацией температур и деформаций в малом объеме. Температура в зоне контакта зависит как от гидростатического давления, так и от сдвиговых напряжений, хотя механизмы у них различны. Экспериментально установлено, что в месте контакта появляются области, сильно локализованной пластической деформации, называемые плоскостями адиабатического сдвига (ПАС), в окрестностях которых концентрируется тепло. Быстрое деформирование металла приводит к локализованному нагреву контакта и катастрофическому разрушению. Увеличивая угол конуса и радиуса закругления, мы увеличиваем зону локализации и снижаем тем самым температуру в ней за счет теплопроводности, что в итоге не приводит к образованию ПАС (Зельдович Я.Б. «Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений». М., Наука, 1966, 686 с.).

При дальнейшем внедрении сердечника в преграду реализуется известный механизм пластического расширения отверстия в преграде.

Уменьшение угла конуса и здесь благоприятно сказывается на повышении пробивной способности сердечника. В этом случае реализуются более высокотемпературные механизмы пластической деформации преграды. Поскольку конус с меньшим углом при вершине имеет большую высоту, он больше времени находится в контакте с броней, когда идет процесс пластического деформирования и значительно больше выделяется тепловой энергии. Часть тепла переходит в броню и часть передается хвостовику. В результате нагрева хвостовика вязкость разрушения его повышается, таким образом, не происходит его разрушения от действия ударных волн. Кроме этого, при остром наконечнике образование ударных волн снижается, а следовательно, и снижается их негативное воздействие. Не разрушенный сердечник обладает значительной энергией после прохождения преграды.

Предлагаемый диапазон углов конуса при вершине определен экспериментально. Предпочтительнее выполнять конус наконечника сердечника с углом в пределах 25-30°.

Важную роль в механизмах разрушения играют поверхностные дефекты, которые появляются в процессе изготовления сердечника. Устранение дефектного слоя сердечника, доведение его поверхности до шероховатости Ra 0,8 и ниже позволит значительно повысить его стойкость к зарождению и развитию поверхностных микротрещин.

На чертеже представлена конструкция заявляемого сердечника, угол при вершине конуса головной части сердечника выполняется от 10° до 38°.

Сердечник пули состоит из хвостовой части 1 и головной части 2, имеющей оживальную форму с углом при вершине головной части от 10° до 38°, хвостовик сердечника 1 выполнен в виде цилиндра 1.1 и/или усеченного конуса 1.2, меньший диаметр конуса равен 0,80-0,98 большего диаметра D конуса хвостовика, который равен диаметру цилиндра 1.1, и основанию головной части 2, а длина цилиндрической части составляет 0,01-100 длины усеченного конуса хвостовика 1. Материал твердого сплава имеет предел прочности на сжатие более 4000 МПа, твердость HRA не ниже 88,5 единиц, коэффициент интенсивности напряжений K_1C не ниже 8 МПа·м^1/2, поверхность сердечника имеет шероховатость не выше Ra 0,8.

Сердечник изготавливали из вольфрамокобальтовых порошков с содержанием кобальта 8 мас.%. Плотность после прессования заготовок равнялась 8,4+0,05 г/см². Спекание проводили в две стадии: предварительное - с целью удаления пластификатора в водородной атмосфере и окончательное вакуумно-компрессионное в печи VKPgr 50/90/50 фирмы Degussa. Предельные значения параметров HRA, K_1C, Ra были определены опытным путем.

Проводились сравнительные испытания с патронами 7Н24, имеющими пулю с твердосплавным сердечником. В качестве пробиваемого материала использовалась бронеплита 10 мм марки 2П ГОСТ В 21967-90 на удалении 70 м. Определялся процент пробития плиты.

В таблице представлены результаты экспериментов, подтверждающих повышение пробивной способности предлагаемого сердечника.

Таблица.

Как видно из результатов, наилучшее показатели по проценту пробития у пули с сердечником, выполненным из материала, имеющего предел прочности на сжатие 4200 МПа, твердость HRA 90, коэффициент интенсивности напряжений K_1C=11 МПа·м^1/2, Ra 0,63, угол при вершине конуса равен 28°.

Сердечник бронебойной пули, выполненный из твердого сплава с пределом прочности на сжатие более 4000 МПа, твердостью HRA не ниже 88,5 единиц, коэффициентом интенсивности напряжений K_1C не ниже 8 МПа·м^1/2, в виде тела вращения, состоящего из головной части, имеющей оживальную форму в виде конуса, и хвостовой части, имеющей форму соединенных между собой цилиндра и усеченного конуса, меньший диаметр конуса равен 0,80-0,98 диаметра большего диаметра конуса хвостовика, который равен диаметру цилиндра и диаметру головной части сердечника, а длина цилиндрической части составляет 0,01-100 длины усеченного конуса хвостовика, поверхность сердечника полностью или частично имеет шероховатость не выше Ra 0,8, отличающийся тем, что конус головной части сердечника выполнен остроконечным без закругления острия с углом при вершине от 10 до 38°.