金屬裝甲是最成熟的一類裝甲材料，現(xiàn)今仍廣泛用于防彈。目前，金屬裝甲材料已有很大程度的發(fā)展，新型金屬裝甲系統(tǒng)正在被用于提高各種武器系統(tǒng)的抗彈性能，同時減輕其重量。歷史上，大多數(shù)裝甲是從設(shè)計材料使其滿足結(jié)構(gòu)和其它要求演變而來，而非從為防彈而專門設(shè)計的材料演變而來。這種設(shè)計方式正在發(fā)生改變，以便滿足陸軍轉(zhuǎn)型成更輕、更具生存力的部隊的發(fā)展要求。金屬裝甲系統(tǒng)現(xiàn)在正在被設(shè)計成具有最佳的質(zhì)量防護(hù)系數(shù)、空間防護(hù)系數(shù)和效費比。本文簡要地回顧了現(xiàn)代被動金屬裝甲材料的發(fā)展歷史、測試和類型，重點闡述了滿足未來裝甲要求的復(fù)合金屬技術(shù)，并論述了現(xiàn)代金屬裝甲材料系統(tǒng)的設(shè)計方法。

一、歷史與材料
利用金屬作裝甲可追溯到公元前3000~2000 年青銅的發(fā)明。金屬裝甲與皮革和木材這樣的較軟材料相比，優(yōu)點顯而易見。機(jī)動性與生存防護(hù)性能之間的平衡，早在大衛(wèi)(David)與歌利亞(Goliath)之間的戰(zhàn)斗時已有記錄，在那場戰(zhàn)斗中，靈活性、準(zhǔn)確性與機(jī)動性戰(zhàn)勝了重型裝甲。本文涉及一些傳統(tǒng)和現(xiàn)今的整體金屬裝甲材料，還論述了金屬復(fù)合材料裝甲與復(fù)合裝甲系統(tǒng)。

二、鋼裝甲的發(fā)展
裝甲鋼是過去與現(xiàn)在的裝甲材料、還可能是未來裝甲材料的主體。這是因為，裝甲鋼具有許多不應(yīng)被忽視的所需屬性。鋼材本身由于原材料與制造成本低以及巨大的工業(yè)生產(chǎn)能力并不昂貴。裝甲鋼對各種威脅具有良好的抗彈性能以及優(yōu)良的抗多發(fā)彈丸打擊能力。裝甲鋼易于進(jìn)行切割、機(jī)械加工、成形、焊接、戰(zhàn)場維修，對周圍環(huán)境具有良好的抗降解能力。
第二次世界大戰(zhàn)末期以及隨后的十年，是陸軍水城兵工廠實驗室研究高強(qiáng)度鋼的物理冶金與機(jī)械性能的強(qiáng)盛時期。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，鋼在最大硬度時還具有在各種情況下抗裂紋的足夠韌性，提供最佳的抗彈性能。利用具有III 階段回火馬氏體顯微結(jié)構(gòu)的中低碳低合金鋼，獲得了最佳的強(qiáng)度與韌性綜合性能。目前，軋制均質(zhì)裝甲(RHA，MIL-DTL-12560)與鑄造均質(zhì)裝甲(CHA，MIL-DTL-11356)是兩種主要類型的鋼裝甲。這兩種鋼裝甲自世界大戰(zhàn)期間被采用以來，其技術(shù)規(guī)格發(fā)生了明顯變化。因為工業(yè)用鋼提高了質(zhì)量與產(chǎn)量方面的生產(chǎn)能力，所以，裝甲鋼的技術(shù)規(guī)格被修改，反映出上述鋼生產(chǎn)能力的變化。裝甲鋼中的夾雜物、硫、磷以及雜質(zhì)元素的含量已大幅度減少，而強(qiáng)度，特別是韌性獲得了提高。水城兵工廠普及了專用于控制裝甲鋼質(zhì)量的夏比V 形缺口韌性測定試驗。裝甲鋼的抗絕熱剪切性能隨著鋼的潔凈度和顯微結(jié)構(gòu)的改善而得到提高。
越南戰(zhàn)爭時期，發(fā)展了用于抵御實心槍彈的高硬度鋼裝甲(HHA，MIL-DTL- 46100)。該裝甲鋼的成分類似于軋制均質(zhì)裝甲鋼，但是，具有0.32%(重量)的最大碳含量，被回火成Ⅰ階段回火組織。這種鋼抗實心槍彈具有特別高的質(zhì)量防護(hù)系數(shù)，尤其是在大傾斜沖擊角時更是如此。該鋼最初被研制成附加(非結(jié)構(gòu)) 裝甲，但是，由于改進(jìn)了焊接技術(shù)，可利用該合金鋼作結(jié)構(gòu)材料制造車輛，在使用中不會產(chǎn)生裂紋。輕型裝甲車輛的吃水線以上部分用這種鋼制成，而軋制均質(zhì)裝甲鋼用于吃水線以下部分。

三、鋁裝甲的發(fā)展
5083-H131 鋁合金(MIL-DTL-46027)是一種非熱處理應(yīng)變硬化鋁-鎂合金。該鋁合金對裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋具有非常高的抗力，易于焊接，耐腐蝕，具有優(yōu)良的抗破片能力。M113 裝甲人員運輸車、M109 帕拉丁自行榴彈炮以及布雷德利戰(zhàn)車的下半部分由5083 鋁合金制成。
7039-T64 鋁合金(MIL-DTL-46063)是鋁-鎂-鋅合金，可熱處理到高于5083 鋁合金硬度的硬度值。該鋁合金抗實心槍彈與穿甲彈的性能優(yōu)于5083 鋁合金，抗破片的性能有一些降低。該鋁合金對應(yīng)力腐蝕裂紋敏感，特別是在短橫縱向更是如此，因此，該鋁合金不被推薦用于未來車輛。布雷德利戰(zhàn)車的上半部分由7039 鋁合金制成。
2519-T87 鋁合金(MIL-DTL-46192)是一種鋁-銅-錳合金，可熱處理到5083 與7039 鋁合金硬度之間的某一硬度值。該鋁合金抗破片的性能優(yōu)于5083 鋁合金，抗實心槍彈與穿甲彈的性能幾乎與7039 鋁合金相同。該鋁合金具有良好的抗應(yīng)力腐蝕裂紋能力，但是，抗一般腐蝕的能力差。焊縫附近材料(熱影響區(qū)中的金屬強(qiáng)度低得多)的抗彈性能會顯著降低，因此打算把這種鋁合金的焊縫設(shè)計成對抗彈性能影響最小。采用2519 鋁合金生產(chǎn)的第一輛裝甲車輛將是美國海軍陸戰(zhàn)隊的遠(yuǎn)征戰(zhàn)斗車輛(前身被稱作先進(jìn)兩棲突擊車，即AAAV)。
未來鋁合金裝甲的發(fā)展集中在獲得更高的強(qiáng)度而不犧牲動態(tài)延性，同時保持 5083 鋁合金的所有耐腐蝕性能和可焊接性能。5059 鋁合金很象 5083 鋁合金，但是達(dá)到了更高的強(qiáng)度水平，現(xiàn)正在鑒定用作鋁合金裝甲的候選材料。

四、鈦合金裝甲的發(fā)展
與鋼相比，鈦合金在重量效率比方面的成本高，因而過去限用于重量關(guān)系重大的飛機(jī)裝甲。然而，最近在低成本鈦合金方面的投入，已經(jīng)能夠使鈦合金應(yīng)用于先進(jìn)地面輕型裝甲車輛。水城兵工廠研制出裝甲用途的Ti-6Al-4V 鈦合金(MIL-DTL-46077)，其成分是6%(重量)鋁，4%釩，其余為鈦。該鈦合金在退火狀態(tài)下使用，而不是在硬得多的固溶處理與時效狀態(tài)使用。當(dāng)該合金盡可能軟時，通常獲得最佳的性能。

五、金屬復(fù)合裝甲
金屬層壓復(fù)合裝甲研究人員研制出了雙硬度裝甲鋼(DHA，MIL-DTL-46099)，以獲得改善的高于高硬度裝甲鋼的性能。通常采用硬面板破碎穿甲彈，然后用較軟的背板捕捉碎片的方法，戰(zhàn)勝穿甲威脅。雙硬度裝甲鋼具有洛氏硬度值為 59~63HRC 的面板(通常是S-7 工具鋼)，以及采用軋制方法復(fù)合硬度值為 50~53HRC 的低合金鋼背板。謹(jǐn)慎選擇與馬氏體相變起始溫度相匹配的鋼成分，可避免鋼板在淬火時翹曲。這是抗實心槍彈和穿甲彈等輕武器彈藥性能最好的鋼裝甲，但是該裝甲也是最昂貴的裝甲。雙硬度鋼裝甲難于成形焊接，其大塊板常常具有沒有完全結(jié)合的區(qū)域。
硬度大約為55HRC 的非常硬鋼背襯2519 鋁合金被證明抗某些穿甲彈具有良好的質(zhì)量防護(hù)系數(shù)、空間防護(hù)系數(shù)和效費比。5083 鋁合金裝甲背襯高硬度鋼裝甲已經(jīng)用于防實心槍彈與破片。在前面板上裝備鋁合金改變了高硬度鋼背襯的侵徹方式，即從沖塞作用改變?yōu)檠有运毫?，因而提高了其質(zhì)量防護(hù)系數(shù)。
目前，在裝甲系統(tǒng)中，整體金屬裝甲常背襯聚合物基復(fù)合材料。復(fù)合材料用作防崩落防護(hù)內(nèi)襯，在金屬裝甲被侵徹時把車內(nèi)的損傷降低為最小。通常，用作增強(qiáng)聚合物基體的纖維材料是Doron 抗彈尼龍、S-2 玻璃或者Kevlar?芳族聚酰胺。幾乎所有的現(xiàn)代裝甲系統(tǒng)都采用了防崩落內(nèi)襯。UH-60 黑鷹直升機(jī)駕駛員與副駕駛員座椅用的昂貴的陶瓷作面板的裝甲已被硬度值為60HRC 的 AISI4350 鋼取代。陶瓷與鋼面板都背襯Kevlar?，以便容納裝甲被彈丸擊中時產(chǎn)生的裝甲崩落碎片。雖然鋼裝甲比陶瓷裝甲重，但是，由于廢除了一些現(xiàn)用的機(jī)頭配重材料而不會產(chǎn)生重量負(fù)擔(dān)。鋼取代陶瓷，在生產(chǎn)過程中使陸軍節(jié)省了數(shù)百萬美元。
業(yè)已證明，用Kevlar?薄層緊緊包裹高硬度鋼裝甲或者鈦裝甲提高了裝甲的抗彈性能。Pinnacle 裝甲公司制造的DragonSkin?柔性人體裝甲就采用了這項研究成果。DragonSkin?柔性人體裝甲背心可抵御11 發(fā)7.62mm 槍彈的射擊。單一"尺寸級別"鈦復(fù)合材料已經(jīng)組裝到柔性可呼吸的人體裝甲之中，達(dá)到III 級和IV 級防彈性能，成功抵御了***射擊。
金屬-陶瓷復(fù)合裝甲典型的金屬-陶瓷復(fù)合裝甲由陶瓷面板與金屬支撐背板組成。在用雙硬度鋼裝甲進(jìn)行證明的一個方案中，抗沖擊硬面板抵御破碎彈丸的威脅非常有效。陶瓷可能具有比最硬的鋼還硬的硬度，因此，它們是彈丸擊中背板前破壞、破碎、侵蝕、阻止或者制約彈丸的有效材料。而金屬背板還可捕捉陶瓷和彈丸的破片。
最近，陸軍研究實驗室的研究工作是發(fā)展金屬-封裝陶瓷復(fù)合裝甲。在這種裝甲方案中，裝甲陶瓷被嚴(yán)格地限定，以便增加駐留狀態(tài)。金屬-陶瓷復(fù)合增加了剪切強(qiáng)度，減少了界面的阻抗失配，經(jīng)證明對促進(jìn)駐留與延遲陶瓷破壞，從而提高抗彈性能具有顯著的影響。目前的一些項目是設(shè)計鈦合金和鋁合金裝甲，它們增強(qiáng)了與包封陶瓷的復(fù)合效果，提高了結(jié)構(gòu)背襯材料的性能。此外，剛性 金屬背襯通過抗彈過程中抗彎曲，進(jìn)一步提高了陶瓷的性能。因此，連續(xù)陶瓷纖維和陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料正在用作裝甲陶瓷與金屬背襯之間的剛性層。
金屬-陶瓷-復(fù)合材料復(fù)合裝甲雖然一些金屬-陶瓷-復(fù)合材料復(fù)合裝甲已經(jīng)投入戰(zhàn)場使用，但還有一些金屬-陶瓷-復(fù)合材料復(fù)合裝甲處于研究之中。這些復(fù)合裝甲系統(tǒng)采用硬陶瓷作抗沖擊面板，破壞彈丸，利用金屬作結(jié)構(gòu)支撐并捕捉陶瓷與彈丸產(chǎn)生的破片。聚合物基復(fù)合材料也被用于捕捉金屬背襯的崩落物。斯特賴克(Stryker)過渡裝甲車和遠(yuǎn)征戰(zhàn)斗車輛(EFV)就采用這種金屬-陶瓷-復(fù)合材料裝甲系統(tǒng)，具有優(yōu)良的防彈性能。 金
屬裝甲材料系統(tǒng)目前的設(shè)計方法歷史上，金屬裝甲的研究以"加熱與敲打、射擊與觀察"試探法為基礎(chǔ)。裝甲設(shè)計者依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及借助于分析模型的工程判斷，設(shè)計候選系統(tǒng)。然后，通過試驗候選的裝甲材料，改進(jìn)或放棄設(shè)計方案。然而今天，人們通過已知的基本合金研究(化學(xué)組成與化學(xué)性質(zhì)、熱機(jī)械處理)以及對彈芯與靶相互作用現(xiàn)象的了解來設(shè)計金屬裝甲。 最近的金屬裝甲研究針對復(fù)合材料設(shè)計中的金屬部件。復(fù)合裝甲系統(tǒng)所需的性能常常不同于整體裝甲系統(tǒng)所需的性能。

整體裝甲系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗法則是:
(1)越硬越好，應(yīng)具有"足夠"的硬度，以便破碎彈丸;
?(2)越韌越好，應(yīng)具有"足夠"的韌性，以便抗裂紋;
(3)越厚越好;
(4)越重越好;
(5)一塊厚板優(yōu)于兩塊薄的層壓板; (6)傾斜度(沖擊角)越大越好。

而多種材料(復(fù)合)裝甲系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗法則是:
(1)不一定越硬越好，但通常采用硬面板;
(2)不一定越韌越好，但通常采用韌性背板;
(3)不一定越厚越好;
(4)不一定越重越好;
(5)兩塊薄的層壓板可能優(yōu)于一塊厚板;
(6)傾斜度越大不一定越好。

六、最近的裝甲研究
2000 年，應(yīng)特種作戰(zhàn)司令部(SOCOM)技術(shù)應(yīng)用項目辦公室(TAPO)對直升機(jī)裝甲的要求，防護(hù)材料公司在陸軍研究實驗室的協(xié)助下，研究了防彈系統(tǒng)(BPS)。關(guān)注的直升機(jī)是UH-60 黑鷹(Blackhawk)直升機(jī)和MH-47 切努克人(Chinook)直升機(jī)，防護(hù)區(qū)域是乘員區(qū)與載貨區(qū)。
設(shè)計的裝甲采用高質(zhì)量、高硬度鋼，包裹薄層凱芙拉(Kevlar)材料。涂覆多層漆，使裝甲表面獲得不打滑與耐磨損性能并耐壞境作用。該裝甲系統(tǒng)總厚度小于3/8 英寸，具有優(yōu)良的空間防護(hù)系數(shù)，易于安裝。因為鋼可進(jìn)行高精度激光切割而不必進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)械加工，所以顯著降低了成本。
該裝甲系統(tǒng)由每架飛機(jī)用的一套裝甲板組成，飛機(jī)能夠根據(jù)特殊的使命以模件方式定制裝甲系統(tǒng)。裝甲系統(tǒng)能夠被快速安裝和除去。因為主要材料是鋼，所以該裝甲系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗多發(fā)彈丸打擊能力、耐久性以及高效費比。由于上述原因，該裝甲系統(tǒng)獲得了適航準(zhǔn)備證書。最近，這種裝甲系統(tǒng)配置在了美國海軍陸戰(zhàn)隊的CH-53E 超級牡馬(SuperStallion)飛機(jī)上。
西北大學(xué)材料技術(shù)實驗室在海軍研究辦公室的資助下，正在進(jìn)行一項船體鋼研究項目，研究提高抗炸毀能力的合金。這個特殊的項目利用計算熱動力與強(qiáng)度設(shè)計方法，研究新型二次硬化馬氏體鋼用模型，這種新型鋼可達(dá)到過去從未獲得的極端的動態(tài)斷裂韌性和超高強(qiáng)度等級。這種二次硬化鋼依靠Cr、W、 Mo 和V 等合金元素在回火熱處理期間沉淀微細(xì)的彌散合金元素碳化物。這種穩(wěn)定相成核取代較粗的滲碳體(Fe3C)顆粒，獲得了提高強(qiáng)度和抗斷裂能力的顯微結(jié)構(gòu)?？色@得提高了的抗炸毀能力的這些新方案，通過使化學(xué)成分與工藝最佳化，滿足可焊接性與成本要求，將成為下一代海軍船體鋼的基礎(chǔ)。

七、結(jié)論
先進(jìn)的金屬裝甲材料仍然顯示出其它材料不可比擬的性能，其中包括成本、可制造性、耐久性、抗多發(fā)彈丸打擊能力以及抵御寬范圍威脅的能力。金屬裝甲演變到起結(jié)構(gòu)裝甲背襯的作用，從而激發(fā)研究金屬基復(fù)合材料、微-金屬間化合物層壓材料以及復(fù)合斷續(xù)心部材料。從而有可能使設(shè)計出多功能的金屬裝甲成為現(xiàn)實。