表面硬化装甲的问题

gurkha

近来拜读了Nathan F.Okun的《硬面装甲》一文，产生一些疑问，望各位大大能不吝赐教。

1. 根据此文理解，表面硬化装甲表现最好的时候是在来袭弹的角度在20度到55度之间（指来袭弹入射方向与装甲板垂直线之间的夹角），而在垂直命中角度(normal obliquity)时， 硬面装甲反而不如均质装甲表现为好。提供的原因是此时的硬面装甲实际是在减少装甲板的内在抗力（inherent resistance), 请问为什么这么说？不过这也解释了大部份主装甲带要内倾角安装，是为了避开低角度入射。

2. 表面硬化装甲有种叫Scaling effect的现象，按文中提供的解释，是指非比例（或非线性）的放大（或缩小）现象，并且硬化层越厚越明显。请问这是为什么？

3. 非渗碳硬面装甲与渗碳硬面装甲在生产工艺上区别大吗？

gurkha

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谢谢答复。

1. 那是否可以认为表面硬化装甲的作用是为了挡住穿孔，如挡不住的话，在贯穿的过程中，是不会过分消耗来弹的动能的？

2. 原文如下：

Scaling effects, common in physics and engineering, refer to disproportionate and sometimes non-linear effects that result from changing the size of an object or group of objects. Assume for example that a slim column is just capable of holding up a cube of dense material. If the cube were one meter on a side, and the material weighed 1000kg per cube meter, then the weight of the cube would be 1000kg. If the column were 0.1m on a side, it's area would be 0.1 x  0.1 = 0.01m2, and the loading on the column would be equal to 1000/0.01 = 100,000kg/m2. One might assume that if everything were merely doubled in size, nothing would change, but this is not the case. The new column would be 0.2 meters on a side and would have an area of 0.2 x 0.2 =0.04m2, but the new cube would be 2 meters on a side with a volumn of 8 cubic meters, and a weight of 8000kg. The new loading on the column woudl be equal to 8000/0.04 = 200,000kg/m2, and the column would promptly collapse.The inability to scale water correctly is one of the reasons ship models sometimes look unconvincing in the movies.

99aa2

gurkha 发表于 2011-10-9 11:50
近来拜读了Nathan F.Okun的《硬面装甲》一文，产生一些疑问，望各位大大能不吝赐教。

1. 根据此文理解，表 ...

第三条：区别很大。

克虏伯火炮

我是学机械设计的，稍懂金属材料，简单说一下第3点。
直接结论就是二者工艺差别是很大的。

想稍详细的了解，请向下看。
先说淬火。钢材的淬火就是吧钢材加热到淬火温度以上，保持一定时间，再急剧冷却。这时钢的微观结构就变成了碳元素（形成的渗碳体）α铁中的过饱和固溶体，也就是高硬度的马氏体。

现在再来说低碳钢、高碳钢。低碳钢不能淬火，因为它里面的碳含量太低，不能形成足够的渗碳体，所以硬度再怎么也“弄”不高——请允许我用“弄”这个字。但低碳钢塑性大，通俗地讲就是粘，变形过程中会消耗较多能量；高碳钢能够淬火并且淬火后硬度高，而且碳含量越高，淬火后就可以得到越高的硬度。但高碳钢塑性差，即使是退火状态（通俗理解就是想方设法让它最软），其塑性也不高。

再说表面硬化装甲。它是采用中低碳钢，让其外表面渗入碳元素，得到外侧含碳量高、越向里含碳量越低的钢板。渗碳之后进行淬火，此时外表面的硬度就很高，是高碳钢淬火后的硬度，而内表面则仍然是中低碳钢，淬不上火，而保持了良好的塑性。

非渗碳硬化钢，应该就是仅通过热处理得到的（也许还有其他方法，但主要就是这种方法），主要手段是采用表面淬火。表面淬火就是用火焰或者其它方法，快速地加热钢板的一面，在另一面还来不及达到淬火温度之前就急剧冷却（淬火）。这样，它也能够仅让外表面硬而另一面保持非淬火状态。

很显然非渗碳硬化钢的硬面仅仅是基材的淬火硬度，而软面则是基材的塑性。
如果用含碳量较低的钢来做非渗碳硬化钢，那么它的软面塑性倒是够用了可以吸收较多能量，但其硬面则肯定硬度不足；如果用含碳量较高的钢来做，那么它的硬面将能够达到较好的硬度（那也不如充分渗碳淬火之后的硬，即使直接用高碳钢也不行，因为快速加热不保持足够的时间，淬火效果稍差），但其基材却塑性不足。

99aa2

克虏伯火炮 发表于 2011-10-9 19:19
我是学机械设计的，稍懂金属材料，简单说一下第3点。
直接结论就是二者工艺差别是很大的。

学习了。

99aa2

其实在大厚度下，非渗碳硬化钢可能要比表面渗碳硬化钢有着更好的抗弹能力。这可能是前者有着更高的韧性。日本技术人员说过，410mm的VH要好于420mm的KC。美军战后的关于大和舷侧装甲的质量的评估报告中也提到410mm的VH要好于同等厚度的ClassA.

gurkha

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1. 恩，两条曲线的交点也是两种装甲防护能力的分界线，交点的右边，均质装甲的防护能力开始增强。如果说均质装甲很少用于垂直装甲，那硬面装甲同样也很少用于水平装甲。因为面对高入射角的弹丸，硬面装甲的背面很容易产生崩落块，造成内部人员的伤亡。

2. 能否用这个定义来解释为什么美快速战列舰主炮塔的前面板用的是均质装甲，而巡洋舰的主炮塔前面板却仍然用硬面装甲？

御用文人

苏大哥是在克虏伯公司干过的。

gurkha

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呵呵，终于引出个专业人士。

钢加热到淬火温度后，如果慢慢冷却的话（annealing)，是否就会形成你所说的低碳钢？
高硬度的马氏体是奥氏体和碳化铁（cementite)的混合物，能否介绍下碳化铁的来源？

99aa2

gurkha 发表于 2011-10-9 21:22
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1. 恩，两条曲线的交点也是两种装甲防护能力的分界线，交点的右边，均质装甲的防护能力开 ...

Nathan F.Okun提到过。这个定义可以解释。
1933年，美国海军对330mmClassA与330mmSTS钢的抗弹能力进行了测试，发现在炮弹近乎垂直的打击下，STS要比ClassA好。也就是说ClassB在这种情况下也要比ClassA好。而战列舰的交战距离一般为20000~30000米，在这个距离上炮弹的落角一般在20°左右，而美式炮塔的正面内倾45°，所以说炮弹轨迹与炮塔防盾的夹角已经超过了55°。故此，美国二战新式战列舰的炮塔防盾一律采用了ClassB。
这还有一个很重要的原因，美国的大口径穿甲弹的抗硬化层的破化能力很强，就算是ClassA也无能为力，而ClassA的整体韧性又难以同ClassB相比，因此ClassA在这方面更不如ClassB。
而ClassA对8英寸及8英寸以下的炮弹还是有很强的破化能力的，因此，巡洋舰上保留了ClassA。

克虏伯火炮

gurkha 发表于 2011-10-9 21:56
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呵呵，终于引出个专业人士。

超过那个温度并保持一定时间，缓慢冷却，就是退火了。但是淬火退火只是热处理方法，不能改变钢的化学组成，也就是说不能把中高碳钢变成低碳钢。

碳化铁，也就是Fe3C，就是碳与铁组成的类似于化合物的东西。但其实这只是个表示方法，实际上并不是结构式。这东西在冶金学上成为渗碳体。

99aa2

克虏伯火炮 发表于 2011-10-9 22:13
超过那个温度并保持一定时间，缓慢冷却，就是退火了。但是淬火退火只是热处理方法，不能改变钢的化学组成 ...

之前我一直以为装甲钢是混合物。
学习了。

99aa2

我在维基百科上找到这么一句话：尽管有些情况下化合物的实际情况会与上述定义背离，如组成元素随制备方法而改变，内部结构并不均一，不同核素的分布并不固定等等。大概可以用这句话来解释吧。

gurkha

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谢谢解答， 受教了。
版主所讲的硬面装甲的生产工艺， 无论是渗碳还是非渗碳，都可以叫做“递减硬化”（decremental hardening）。如果精确计算加热时间，就可以控制硬化层的厚度。渗碳是利用铁的奥氏体晶体（austenite）立方体内心为空，能够吸入碳原子，在温度急剧下降后，碳原子来不及逃出晶体， 从而实现含碳硬化的目的。那非渗碳是通过何种方式硬化的，还请版主继续指教。

御用文人

非渗碳硬化装甲，最常见的就是表面淬火了吧，就是前边苏哥所说的那种，对装甲板一面进行淬火，使淬火的部分硬度更高。除此之外是化学热处理，是对装甲板的一面利用化学反应来加强硬度的，渗碳硬化就属于化学热处理，除了渗碳外，化学热处理还有表面渗氮、渗金属等，这些也属于非渗碳硬化。文科生胡诌，有错误请指出。

另想请教一下，表面热处理硬化在当今生活中很常见，但二战时期的所谓的“非渗碳硬化装甲”，难道仅仅是是表面淬火热处理得到的吗？感觉上有点太不上档次了啊。

P.S.很久没看东西了，没记错的话本子的VH是渗氮的。

克虏伯火炮

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文人说的很对。
非渗碳钢自身就含有碳元素，只是不再额外加入了而已。所以非渗碳钢的硬化其实也是通过淬火产生高硬度的马氏体结构。

钢的其它表面硬化原理包括渗氮、碳氮共渗（氰化）、气相沉积、喷丸等，其他的所知不多。但按我所有的这一点知识，没有适用于大厚度装甲钢的。

沼泽

99aa2 发表于 2011-10-9 20:44
其实在大厚度下，非渗碳硬化钢可能要比表面渗碳硬化钢有着更好的抗弹能力。这可能是前者有着更高的韧性。日 ...

这个不对，渗碳装甲在大厚度下不会比均值装甲抗弹性能差。渗碳装甲的渗碳深度也是有限的到了一定深度后也就恢复到了基材性能，就是说随着据渗碳表面的厚度增加含碳量降低（硬度降低）会提高。
而且VH也不是均值装甲而是渗氮装甲，渗氮也是表面硬化方法之一。
MD装甲废柴原因还自己一直使用哈维装甲ClassA也应该是哈维装甲系列的。而其他国家都用克虏伯装甲，英国最先购买了哈维的专利后来又买了克虏伯的专利，法，俄，意，日一直用克虏伯专利，到大和级日本开始使用渗氮工艺取代渗碳工艺生产了VH装甲。

99aa2

RRS 发表于 2011-10-10 23:05
钢整体上不是单一一种化合物，而且也含单质。

我明白了。

STG44突击步枪

神啊，钢是一种碳铁XXX合金，合金都是混合物……

曾经的未来

44突击步枪 发表于 2011-10-12 21:17
神啊，钢是一种碳铁XXX合金，合金都是混合物……

99aa2的意思是他现在知道了渗碳过程会有化合物吧，于是就给理解成化合物了...晕。