آشنایی با فولادی زرهی | فولاد ساخت تجهیزات نظامی
فولاد زرهی نوعی فولاد با سختی بالاست که از آن برای ساخت تجیهزات و خودورهای زرهی با کاربری نظامی استفاده می شود. فولادهای زرهی در گریدهای مختلف و با سختی های متفاوتی تولید می شوند. از مهمترین ویژگی های این دسته از فولادها این است که باید قابلیت خم شدن، جوشکاری و تحمل نیروهای حاصل از ضربات شدید را داشته باشند. در یک تقسیم بندی بر اساس شاخص سختی برینل می توان فولادهای زرهی را به چهار گروه فولاد زرهی با سختی بالا (HHA)، فولاد رزهی با سختی بسیار بالا (VHHA)، فولاد زرهی فوق سخت (UHA) و فولاد زرهی بی نهایت سخت (XHH) تقسیم بندی کرد. رنج سختی این فولادها از ۵۰۰ تا ۶۵۰ برینل متغیر است.
مقدمه کاربرد فولاد در صنایع نظامی
فولاد به عنوان یک آلیاژ بسیار مستحکم در صنایع مختلف کاربرد دارد. هر چند بیشترین کاربردی که ما در زندگی روزمره از فولاد دیده ایم در ساختمان سازی و یا ساخت اتومبیل و وسایل منزل بوده است اما بخش مهمی از کاربرد فولاد در صنایع نظامی ست. از فولاد در صنایع نظامی برای ساخت تجهیزات و ماشین آلات مختلف استفاده می شود. اما قطعا با توجه به نوع کاربرد نمی توان از همان فولادی که برای ساخت یک خودروی شهری استفاد می شود برای ساخت یک خودروی زرهی استفاده کرد. به همین دلیل گروه خاصی از فولادها که به نام فولاد زرهی شناخته می شوند برای استفاده در این صنعت به کار می روند. فولادهای زرهی می بایست ترکیب قابل قبولی از سختی، چقرمگی و انعطاف پذیری را داشتند باشند و بتوانند شرایط سخت کاری را بدون شکست تحمل کنند.فولاد زرهی یکی از مهمترین مواد مورد استفاده در صنایع نظامی است که به دلیل استحکام، سختی و مقاومت بالا در برابر ضربه و نفوذ، در ساخت تجهیزات و وسایل نقلیه نظامی به کار می‌رود. این نوع فولاد در برابر تهدیدات مکانیکی و بالستیک مقاوم بوده و نقش اساسی در حفاظت از سربازان و تجهیزات نظامی ایفا می‌کند
فولاد زرهی چیست؟
فولاد زرهی (Armour Steel)، فولاد محافظ یا حفاظ بالستیک همانطور که از نامش مشخص است نوعی فولاد است که برای محافظت از تجهیزات و افراد در برابر تهدیدهای خارجی مانند اجسام پرتابی و گلوله و ... مورد استفاده قرار می گیرد.
فولادهای مختلفی هستند که کاربردهای زرهی دارند مانند فولادهای ضد زنگ یا استنلس استیل، فولادهای منگنزی، فولاد هادفیلد و ... اما بیشترین استفاده در این حوزه را فولادهای مارتنزیتی سخت شده به خود اختصاص داده اند. ترکیبات شیمیایی اصلی در این نوع از فولاد آهن و کربن است. در کنار این دو عنصر اصلی درصدی از عناصر دیگر مانند کروم، نیکل، مولیبدن در ساختار این گروه از فولادها به کار می رود ضمن آنکه فرایندهای عملیات حرارتی تخصصی نیز بر روی آن ها به اجرا در می آید. این فرایندها شامل سخت شدن (Hardening) است که در آن فولاد تا دمایی در محدوده ی 700 تا 900 درجه سانتیگراد حرارت داده می شود و ساختار کریستالی آن از یک ساختار فریتی به یک ساختار آستنیتی تغییر شکل می دهد.
زمانی که فولاد وارد فاز آستنیتی شد، به وسیله عملیات کوئنچینگ به سرعت تا دمای اتاق سرد می شود. سرد شدن سریع باعث می شود تشکیل کریستال های مکعبی فریتی می شود. کریستال های فریتی از استحکام بسیار بالایی برخوردار هستند و نام مارتنزیت شناخته می شوند. به همین دلیل است که به این نوع از فولاد زرهی، فولاد زرهی مارتنزیتی گفته می شود.
اما فرایند عملیاتی حرارتی دیگری به منظور افزایش انعطاف پذیری فولاد، شکل پذیری در حالت سرد و کاهش حساسیت به ترک خوردگی ناشی از خستگی نیز روی فولاد انجام می شود و آن تمپرینگ است. البته در طول دو دهه ی گذشته با پیشترفت تکنولوژی امکان ساخت فولادهایی با ناخالصی های کمتر ممکن شده است و همین مساله نیاز به انجام عملیات تمپرینگ برای بهبود خواص مکانیکی فولاد را کم کرده است.
به طول کلی فولادهای زرهی به وسیله سختی و در اکثر موارد در مقیاس برینل (Brinell Hardness) معرفی می شوند.
ویژگی‌های فولاد زرهی
سختی بالا: فولاد زرهی به واسطه فرآیندهای خاصی مانند سخت‌کاری و کوئنچینگ (آب‌دهی) دارای سختی بسیار بالایی است که از نفوذ گلوله‌ها و ترکش‌ها جلوگیری می‌کند.
مقاومت در برابر ضربه و انفجار: این فولاد قادر است نیروی حاصل از انفجار و ضربه‌های شدید را جذب کرده و پراکنده کند تا آسیب‌های وارده کاهش یابد.
چقرمگی بالا: برخلاف فولادهای معمولی، فولاد زرهی علاوه بر سختی، چقرمگی مناسبی دارد که باعث کاهش شکنندگی آن می‌شود.
مقاومت در برابر خوردگی: برخی از آلیاژهای فولاد زرهی دارای ترکیباتی مانند کروم، نیکل و مولیبدن هستند که مقاومت در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی را افزایش می‌دهند.
سبکی نسبی: برخی از فولادهای زرهی جدیدتر نسبت به نمونه‌های قدیمی وزن کمتری دارند که به کاهش وزن تجهیزات نظامی کمک می‌کند
فولاد ضد انفجار
سختی فولادهای محافظ در برابر انفجار در محدوده ی 370 تا 460 برینل قرار دارد. این نوع فولاد به طور خاص برای محافظت در برابر ضربه های بسیار بالای ناشی از انفجار مین ها، بمب ها دست ساز و نارنجک ها طراحی و ساخته شده اند. امروزه بیشتر فولادهای ضد انفجار با سختی 440 برینل تولید می شوند که ترکیب خوبی از سختی و چقرمگی را ارائه می دهد.
از فولادهای محافظ انفجار اغلب برای کف یا بدنه ی خودروهای زرهی استفاده می شود. به مظور بالاتر بردن سطح حفاظت و همچنین یکپارچگی وسیله نقلیه، کف یا بدنه در این خودروها به صورت یک صفحه ی عریض ساخته می شوند. این صفحات در پرس های بسیار بزرگ خم می شوند و در برخی موارد طولی بیشتر از 6 متر دارند. رایجتری فرم این نوع خودروها V شکل است که اجازه می دهد کف خودرو نیروهای ناشی از انفجار را منحرف کند.
فولادهای محافظ در برابر انفجار باید بسیار چقرمه باشند تا بتوانند مقادیر زیادی انرژی ناشی از انفجار را جذب کنند. شبیه سازی یک انفجار واقعی معمولا دشوار است. رایجترین آزمایشی برای تایید چقرمگی ضربه مواد انجام می شود تست در دمای زیر 40- درجه سانتیگراد است. این فولادها در استاندارد STANAG 4569 ناتو به در کلاس انفجار قرار دارند. مقدار کربن آنها نیز بین 0.12 تا 24 درصد متغیر است.
فولادهای محافظ بالستیک
فولادهای ساختمانی
برای قسمت هایی از یک خودروی زرهی که برای حمل بار کاربرد دارد معمولا از فولاد ساختمانی استفاده می شود. ویژگی این نوع فولاد این است که قابل خم شدن است و می توانند تحت عملیات جوشکاری قرار بگیرند. همچنین از مقاومت بالایی در برابر سیکل های متعدد بارگذاری وخستگی برخور دارند. همه فولادهای انفجاری (Blast Steel) و همچنین گریدهایی با سختی برنیل 500 و 550 برای این کار مناسب هستند.
فولاد زرهی با سختی بالا (HHA)
سختی این گرید از فولاد 500 برینل است و متداول ترین نوع فولاد در کاربردهای زرهی به شمار می آید. ویژگی های این گرید از فولاد در استاندارد نظامی ایالات متحده MIL-DTL-45100 آورده شده است.
فولادهای HHA قابلیت خم شدن و جوشکاری دارند و به خستگی نیز حساس نیستند و از آنها معمولا به عنوان فولاد ساختمانی برای حمل بار استفاده می شود. مقدار کربن موجود در HHA ها در حدود 0.27 درصد است. یک فولاد HHA با ضخامت 6.5 میلیمتر می تواند از ورود گلوله استاندارد ناتو با کالیبر 5.56 میلیمتر جلوگیری کند.
فولاد زرهی با سختی بسیار بالا (VHHA)
فولاد با سختی 550 برینل در این رده قرار می گیرد. این فولادها در مقایسه با فولادی از نوع 500 حاوی کربنی بیشتری (حدود 0.31 درصد) هستند. برای متوقف کردن یک گلوله با کالیبر 5.56 میلیمتر معمولا فولادی با ضخامت 5.5 میلیمتر از گرید کفایت می کند.
فولادهای زرهی فوق سخت (UHH)
سختی در این نوع فولاد 600 برینل می رسد. از نظر سختی این فولاد در سطح بسیار بالایی قرار دارد به گونه ای که برای کاربرد به عنون مصالح ساختمانی توصیه نمی شود. حتی برای قسمت های باربر خودرو نیز مناسب نیست. برای خلاف انواع HHA و VHA ترکیب شیمیایی فولاد UHH یکتا نیست و تولید کنندگان مختلف با ترکیبات متفاوتی این فولاد را تولید می کنند. برای متوقف کردن یک گلوله کالیبر 5.56 میلیمتر فولادی با ضخامت 5 میلیمتر از این گرید لازم است.
فولاد زرهی با نهایت سختی (XHH)
فولاد زرهی XHH با سختی 650 برینل کم یاب و نادر است و توسط همه ی شرکت ها تولید نمی شود. جوشکاری و خمکاری در این نوع فولاد تا حدی ممکن است اما چندان توصیه نمی شود. فولادهای این گروه رفتار شکستی مانند سرامیک دارند.
انواع فولاد زرهی
فولاد ماراجینگ (Maraging Steel): دارای استحکام بسیار بالا و مقاومت عالی در برابر شکست است و در صنایع نظامی و هوافضا مورد استفاده قرار می‌گیرد.
فولاد AR500 و AR600: این نوع فولاد زرهی دارای سختی بالا بوده و در ساخت زره خودروهای نظامی و جلیقه‌های ضدگلوله به کار می‌رود.
فولاد بالستیک (Ballistic Steel): مخصوص تجهیزات ضدگلوله و مقاوم در برابر شلیک‌های مختلف طراحی شده است.
فولاد سخت‌کاری شده بور (Boron Steel): برای ساخت قطعات مقاوم در برابر سایش و ضربه مانند زره تانک‌ها و خودروهای زرهی استفاده می‌شود.
فولاد زرهی نیکل-کروم-مولیبدن: این نوع فولاد دارای چقرمگی بالا و مقاومت مناسب در برابر انفجار و گلوله‌های ضدزره است
فرآیند تولید فولاد زرهی
انتخاب ترکیب شیمیایی مناسب: شامل عناصر آلیاژی مانند کربن، کروم، نیکل، مولیبدن و وانادیوم برای بهبود خواص مکانیکی.
ذوب و ریخته‌گری: مواد اولیه در کوره‌های قوس الکتریکی یا القایی ذوب شده و در قالب‌های مخصوص ریخته‌گری می‌شوند.
نورد گرم و سرد: صفحات فولادی طی فرآیند نورد به ضخامت مورد نیاز رسیده و سپس سرد می‌شوند.
عملیات حرارتی (کوئنچ و تمپر): با استفاده از فرایندهای آب‌دهی و برگشت‌دهی، سختی و چقرمگی فولاد تنظیم می‌شود.
پرداخت سطحی و تست‌های نهایی: فولادهای تولید شده تحت آزمایش‌های بالستیکی و مکانیکی قرار گرفته و سطح آنها برای استفاده آماده می‌شود
کاربردهای فولاد زرهی در صنایع نظامی
ساخت زره خودروهای نظامی: فولاد زرهی در تولید تانک‌ها، خودروهای زرهی و نفربرهای جنگی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ساخت تجهیزات دفاعی: مانند جلیقه‌های ضدگلوله، سپرهای مقاوم در برابر انفجار و درب‌های امنیتی پناهگاه‌ها.
ساخت کشتی‌ها و زیردریایی‌های نظامی: در بدنه و اجزای مقاوم در برابر حملات بالستیک و مین‌های دریایی.
تجهیزات هوایی و فضایی: در جنگنده‌ها و هواپیماهای نظامی برای محافظت از خلبان و سیستم‌های حساس.
ساخت تسلیحات و مهمات: مانند گلوله‌های ضدزره، بدنه موشک‌ها و قطعات مقاوم در برابر حرارت بالا.
مزایا و محدودیت‌های فولاد زرهی
مزایا:
مقاومت فوق‌العاده در برابر ضربه و نفوذ
افزایش ایمنی و حفاظت از نیروهای نظامی
دوام بالا و کاهش هزینه‌های نگهداری
قابلیت سفارشی‌سازی بر اساس نیازهای خاص نظامی
محدودیت‌ها:
وزن بالا در مقایسه با مواد کامپوزیتی جدید
هزینه تولید نسبتاً زیاد به دلیل نیاز به تجهیزات خاص
سختی زیاد که می‌تواند چقرمگی را کاهش دهد و نیاز به بهینه‌سازی ترکیب شیمیایی دارد
نتیجه‌گیری
فولاد زرهی یکی از مهمترین مواد در صنعت نظامی است که به طور گسترده برای ساخت تجهیزات مقاوم در برابر تهدیدات بالستیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیشرفت‌های اخیر در مهندسی متالورژی منجر به تولید فولادهای زرهی سبک‌تر و مقاوم‌تر شده است که امنیت و کارایی تجهیزات نظامی را بهبود بخشیده‌اند. با توجه به اهمیت روزافزون فناوری‌های دفاعی، توسعه و بهبود فولادهای زرهی نقش مهمی در افزایش قابلیت‌های نظامی ایفا می‌کند.
