Zırh tasarımında farklı katman sayısı ve farklı birleştirme tekniklerinin balistik performansa etkisi = The effect of different number of layer and different joining techniques on ballistic performance in armor design

Abstract

Bu çalışmada, sertleştirilmiş AISI 4340 çeliğinden imal edilen yekpare, üç katmanlı ve dokuz katmanlı yapıların hasar mekanizmaları ve balistik performansları deneysel olarak ve sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. Katmanların kuru temaslı ve yapıştırıcı ile birleştirilmiş durumlarının balistik başarıma etkisi de değerlendirilmiştir. 4340 çeliği ile sabit kalınlıkta daha yüksek katmanlara çıkılması mümkün olmamıştır. Daha yüksek katmanlı yapılar Ck75 sulu yay çeliği ile imal edilmiş ve üç, 20 ve 40 katmanlı durumlar deneysel olarak araştırılmıştır. Deneyler, 7.62 mm x 51 (M61) zırh delici mermi ile gerçekleştirilmiştir. Kullanılan deney düzeneği ile hedef yüzeylerine dik atışlar yapılmıştır. Araştırma sonucunda elde edilen verilere göre, 4340 çeliğinden imal edilen yekpare yapıların balistik dayanımlarının üç ve dokuz katmanlı yapılardan daha üstün olduğu görülmüştür. Bunun sebebi, katman sayısının artışı ile eğilme direncinde meydana gelen azalmadır. Yekpare yapılarda sünek delik oluşumu ile hasarlanma olurken, katmanlı yapılarda eğilme sonucunda iç bükey hasarlanma ortaya çıkmıştır. Katmanların yapıştırıcı ile birleştirilmesinin yapının eğilme direncini arttırdığı ve deformasyon miktarını azalttığı gözlemlenmiştir. Sonlu elemanlar analizleri ile yapıların balistik olarak başarılı olma durumları doğru tahmin edilebilmiştir. Analizler sonucunda, yapılarda meydana gelen hasar mekanizmaları ve deformasyon şekilleri de deneysel verilerle uyum göstermiştir. Ck75 sulu yay çeliğinden imal edilen plakalar incelendiğinde, 4340 çeliğine benzer şekilde katman sayısının artışı ile balistik dayanımın azaldığı anlaşılmıştır. Kullanılan yapıştırıcının dayanımına bağlı olarak katmanlı yapılarda delaminasyon oluşmuştur.

In this study, the failure modes and ballistic performances of monolithic, triple-layered and nine-layered structures made of hardened AISI 4340 steel were investigated experimentally and by the finite element method. The effect of dry contact and adhesive bonding of the layers on ballistic success was also evaluated. It was not possible to reach more layers at constant thickness with 4340 steel. More layered structures were fabricated with Ck75 spring steel and three-, 20-, and 40-layered cases were experimentally investigated. Experiments were carried out with 7.62 mm x 51 (M61) armor-piercing projectile. Perpendicular shots were made to the target surfaces with the experimental set-up used. According to the data obtained as a result of the research, it has been seen that the ballistic resistance of monolithic structures made of 4340 steel is superior to that of triple- and nine-layered structures. The reason for this is the decrease in bending resistance with the increase in the number of layers. While there is failure by ductile hole formation in monolithic structures, dishing failure has occurred as a result of bending in layered structures. It has been observed that joining the layers with adhesive increases the bending resistance of the structure and reduces the amount of deformation. With the finite element analysis, the ballistic success of the structures was correctly predicted. As a result of the analysis, the failure mechanisms and deformation patterns in the structures were also compatible with the experimental data. When the plates made of CK75 spring steel were examined, it was understood that the ballistic strength decreases with the increase in the number of layers, similar to 4340 steel. Depending on the strength of the adhesive used, delamination has occurred in the layered structures.