Microstructural changes of high-strength steel Fe-26Mn-10Al-1.2Si-2.2Cr-1.8Ni-0.15V-1C after ballistic damage

М. М. Ворон; A. M. Тимошенко; А. Ю. Семенко; O. M. Смірнов; С. Л. Шваб; Ю. П. Скоробагатько

doi:10.15407/mom2025.03.003

Автор(и)

М. М. Ворон Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-0804-9496
A. M. Тимошенко Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0003-4038-1744
А. Ю. Семенко Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-0448-1636
O. M. Смірнов Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0001-5247-3908
С. Л. Шваб Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН Україна, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-4627-9786
Ю. П. Скоробагатько Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-1724-9895

DOI:

https://doi.org/10.15407/mom2025.03.003

Ключові слова:

Fe-Mn-Al-C, броньова пластина, балістичне ураження, зміни мікроструктури, мікродефекти, розподіл навантаження

Анотація

Роботу присвячено дослідженню структурних змін у зоні пробиття сталі Fe-26Mn-10Al-1.2Si-2.2Cr-1.8Ni-0.15V-1C, яку розробляли для захисту від балістичного ураження. Одержання для такого застосування тонких пластин з легких надміцних сталей на основі системи Fe-Mn-Al-C є надзвичайно перспективною та невивченою задачею. В роботі проведено аналіз впливу механічних властивостей та механізмів мікроструктурних змін, за якими броньові металеві матеріали та сталі досліджуваного типу чинять опір кульовому балістичному ураженню найбільш ефективно. Дя проведення досліджень, в умовах відкритої індукційнної плавки, було одержану литу сталеву заготовку, яку надалі піддавали гарячій пластичній деформації і нормалізації. Одержану пластину випробовували на простріл та досліджували будову отвору балістичного пробиття. Дослідження механічних властивостей виявили надзвичайно високу міцність сталі, потрібний рівень пластичності та посередню твердість: σ_в=2240 MPa, σ_т=1784 MPa, δ= 6.2%, ψ=16.8%, HRC = 42-46. Дослідження поперечного профілю отвору прострілу пластини показали формування двох зон. Перша зона повторювала контур кулі та демонструвала значні ознаки локальної пластичної деформації сталі біля поверхні ураження. В приповерхневій області спостерігається локальна рекристалізація і зниження твердості через термічний вплив. При віддаленні від поверхні, ближче до центральної зони отвору спостерігається поверхневе наклепування, яке виражається у помітному зростанні мікротвердості.

Друга зона проявляє ознаки крихкого руйнування. В її мікроструктурі спостерігаються смуги адіабатичного зсуву та місця накопичення напружень, які утворюють мікротріщини. В зоні остаточного руйнування пластини виявлено формування областей коалесценції мікродефектів, форма яких повторює розподіл навантаження всередині матеріалу.

Отримані дані свідчать про те, що запропонована сталь придатна для захисту від балістичних пошкоджень, але при більшій товщині. Вона здатна протистояти балістичним навантаженням завдяки ефективному поглинанню енергії удару, що виражається в реалізації кількох механізмів одночасно - локальному зміцненні, утворенні адіабатичних смуг зсуву, накопиченні дефектів і напружень та послідовному утворенні мікротріщин, а також в їх коалесценції під час деформації матеріалу.

Посилання

Børvik T., Dey S. and Clausen A.H. Perforation resistance of five different high-strength steel plates subjected to small-arms projectiles. Intern. J. of Impact Engineering. 2009, vol. 36, no. 7, pp. 948–964. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2008.12.0032

Manganello S. J., Abbott K. H. Metallurgical Factors Affecting the Ballistic Behaviour of Steel Targets. J. Mat. 1972. Vol. 7. рp. 231–239.

V. I. Veis, A. Yu. Semenko. M. M. Voron, A. M. Tymoshenko R. F. Likhatskyi I. F. Likhatskyi, Zh.V.Parkhomchuk.(2025). Lightweight Fe-Mn-Al-C steels: current state, manufacturing and implementation prospects. Steel Res Int. 2025. 202400904. https://doi.org/10.1002/srin.202400904

Field, D. M., Limmer, K. R., Hornbuckle, B. C., Pierce, D. T., Moore, K. E., & Sebeck, K. M. (2022). Alloy Partitioning Effect on Strength and Toughness of κ-Carbide Strengthened Steels. Materials, 15(5), 1670. https://doi.org/10.3390/ma15051670

Smirnov O.M., Voron M.M., Tymoshenko A. M., Semenko A. Yu., Skorobagatko Yu. P., Schwab S.L. Effect of heat treatment on the structure of the Fe-28Mn-12Al-0.9Si-1.35C alloy, additionally dopped by Ni 3.3, Cr 1, V 0.15 (wt. %). VII international conference “Welding and related technologies”, 7-10 October, 2024, Yaremche, Ukraine. рр. 176-179. https://doi.org/10.1201/9781003518518-35

Chen, P., Li, X., & Yi, H. (2020). The κ-Carbides in Low-Density Fe-Mn-Al-C Steels: A Review on Their Structure, Precipitation and Deformation Mechanism. Metals, 10(8), 1021. https://doi.org/10.3390/met10081021

Królicka, A., & Caballero, F. G. (2025). B2-strengthened Fe-Mn-Al-C-Ni steels as a promising environmentally friendly structural material: review and perspectives. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 1–30. https://doi.org/10.1080/10408436.2025.2542362

Castañeda, J. A., Zambrano, O. A., Alcázar, G. A., Rodríguez, S. A., & Coronado, J. J. (2021). Stacking Fault Energy Determination in Fe-Mn-Al-C Austenitic Steels by X-ray Diffraction. Metals, 11(11), 1701. https://doi.org/10.3390/met11111701

Guan, X., Qu, S., Wang, H., Cao, G., Feng, A., & Chen, D. (2024). Adiabatic Shear Localization in Metallic Materials: Review. Materials, 17(21), 5365. https://doi.org/10.3390/ma17215365

Chen, S., Rana, R. (2021). Low-Density Steels. In: Rana, R. (eds) High-Performance Ferrous Alloys. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-53825-5_6

Bai, R., Du, Y., He, X., & Zhang, Y. (2024). The Influence of Cr Addition on the Microstructure and Mechanical Properties of Fe-25Mn-10Al-1.2C Lightweight Steel. Metals, 14(6), 687. https://doi.org/10.3390/met14060687

Jia, X., Gao, G., Gui, X., Feng, C., Misra, K., & Bai, B. (2024). Uncovering Microstructure–Property Relationship in Ni-Alloyed Fe–Mn–Al–C Low-Density Steel Treated by Hot-Rolling and Air-Cooling Process. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 37(4), 713–725. https://doi.org/10.1007/s40195-024-01666-4

Karantza, K. D., & Manolakos, D. E. (2023). A Review on the Adiabatic Shear Banding Mechanism in Metals and Alloys Considering Microstructural Characteristics, Morphology and Fracture. Metals, 13(12), 1988. https://doi.org/10.3390/met13121988