Wh und Ww-hat jemand was?

[Thorsten Wahl]

scaling effekte
Einfluß der Geschoßgröße auf die Geschwindigkeit die zum Durchschlagen eines Bleches bei gleichem Kaliber/Plattendickenverhältniss
notwendig ist
http://forum-marinearchiv.de/coppermine/albums/userpics/11899/scaleeffect.pdf

phys Eigenschaften von STS unter Einfluß verschiedener Wärmebehandlung
http://forum-marinearchiv.de/coppermine/albums/userpics/11899/STS%20prpoerties.pdf

zugfestigkeit umrechnungsfaktor nach kg/mm² 0,00069
138000 psi = 95,2 kg/mm²----------->hat 20 % Bruchdehnung
127000 psi = 87,6 kg/mm² ---------->hat 22% Bruchdehnung
109000 psi = 75,2 kg/mm² ---------->hat 26% Bruchdehnung

zu beachten ist bei diesn Bruchdehungen ist das Verhältnis Probenlange zu Probendurchmesser beim US Messverfahren(4 Fache Probenlänge) von dem Standardverfahren nach DIN (5 Fache Probenlänge) abweicht.

Das US Verfahren(und britische Verfahren) zu der Zeit ergeben somit (nur scheinbar) größere Bruchdehnungen.

Direkte Vergleiche der Materialien über die reinen Zahlenwerte sind damit nicht aussagefähig sofern mit verschiedenen Verfahren gearbeitet wurde.

[Thorsten Wahl]

ich habe jetzt auch noch einen Kreuzvergleich der deutschen Unterlagen gemacht um mögliche Fehlerquellen aufzudecken.
Für die
Panzersprengranaten
20,3 L4,4
28,3 L4,4
38  L4,4
40,6 L4,4
die durchschlaggrafen für Wh halbe  Kaliberstärke gedruck
und es sieht so aus als ob hier was unplausibel sein könnte.

Die Geschosse sind eigentlich (nahezu) identisch uns sollten eine sehr ähnliche Performance haben wenn man von Scalingeffekten absieht
generell sollte es so sein daß das Geschoß mit dem größten Kaliber die geringste Geschwindigkeit benötigt um eine (mehr oder weniger identische)Panzerplatte zu durchschlagen im kompletten Winkelbereich

mir bekannte unterschiede
20,3 hat eine relativ schwerere Kappe und die Kappe der 38 ger ist deutlich breiter als die der kleineren Kaliber

is hier aber offensichtlich nicht so

[t-geronimo]

Das ist ja wunderbar, was für Arbeit ihr (ich glaube, delcyros ist auch mit beteiligt?) euch damit macht und was ihr alles an Unterlagen hervor gezaubert habt!!

Ich glaube nur, mir geht es wie vielen anderen Lesern, die nicht so tief in der Materie sind, auch: Für Laien sind Details sehr schwer verständlich.
Die Krönung eurer Arbeit wäre es (zumindest für mich persönlich) nun, mal eine leicht verdauliche Zusammenfassung zu schreiben, wenn ihr mit Euren Untersuchungen fertig seid.
Das wäre der Hit! 

[delcyros]

bitte bitte, die Credits gehen an Thorsten, nicht an mich.

[Neil Robertson]

Interesting in the scale effect (my thanks to Thoddy for posting this) is that it is corrected to 115000 lb/in2 tensile strength. However, armor quality varied with thickness (Dave Saxton spoke some time ago about this on the BS site  (he mentioned Dr Ritchey of the US Army in 1945 who saw the 50 + 80 mm BS deck system as arising from this consideration rather than yaw), thinner plates being higher quality. Gercke gives IIRC about 115 kg/cm2 for 50 mm thick homogeneous plate and at most 80 kg/cm2 for 15 cm thick plate. Because of this 'correction for constant tensile strength" the scale effect is a bit theoretical, and one would probably need to correct the results for the actual tensile strength values of the plates of different thickness involved.

Sorry, but it's a bit late in the day for one of my poor German translations!

[Neil Robertson]

Correction. This diagram does show the uncorrected data as well (I was going by the figure caption at the ). The line is for corrected data. The uncorrected data seem to show a stronger scaling effect, possibly because of the variation in elongation.

Does anyone know what sigma is? And why does the horizontal axis seem to be in degrees?

The diagram for normalized performance of shells from 20.3 cm to 40.6 cm is very interesting. the 28 cm seems to be the best at oblique angles while the 40.6 cm was best at close to 90 deg. Perhaps cap and head form and even explosive charge were co-factors. Apart from this, the 20.3 cm was probably the most powerful relative to its size of all German heavy guns (122 kg shell at 925 m/s) and the 38 cm the weakest. Congratulations on producing this diagram.

[Thorsten Wahl]

horizontal axis is within inches -"-

vertical axis is logarithmic normalised at 3 inches as 1
Sigma is the value of scale effect

the theoretical values let us expect a roughly 6% lower limitvelocity for a 16 inch upscaled projectile compared with the 3 inch M79 projectile if thickness/diameter ratio is constant

test was made only at normal impact on plate (0° obliquity)
from this limited data it is impossible to conclude on identical values of the scale effect at all obliquties in my opinion

armor quality varied with thickness (Dave Saxton spoke some time ago about this on the BS site  (he mentioned Dr Ritchey of the US Army in 1945 who saw the 50 + 80 mm BS deck system as arising from this consideration rather than yaw), thinner plates being higher quality

There is also a remarkable difference to the "normal" practise of using different tensile strenght for different thicknesses.
as you can see from the Gercke informations:
normal use - tensile strength of armor plate drops as  plate thickness increases. This is because to prevent thicker plates from being broken as they were expected to be normally attacked by larger projectiles.

In the special case of the horizontal protection of german WW2 battleships,
the first(50mm) plate has considerable less tensile strength  with around 80 kg/mm² as the "normal" 50mm plate and
the second (80mmplate, also the 110/120mm plates from the scarp) had somwhat (~90kg/mm²) increased tensile strenght compared to the 50mm plate.

Nathan Okun also uses a single quality (tensile strenght and elongation being constant) model. So It has its own model-limitations, but its better than nothing.

[delcyros]

Nocheinmal zurück zu den Grundlagen.

Ich will versuchen, die Probleme dem Leser zu erläutern. Der Durchschlag von homogenen Panzermaterial ist abhängig von einer Anzahl von Variablen, von denen ich nur aus der Sicht der Panzerplatte deren wichtigste erwähnen will (kein Anspruch auf Vollständigkeit):

[1] die Bruchdehnung, die in % angegeben wird (engl. %-elongation). Die Bruchdehnung gibt die Vergrößerung der Fläche gegenüber der Ursprungsprobe an, bevor die Platte auseinanderspringt. Viele machen den Fehler, der Bruchdehnung überwiegend bestimmende Bedeutung beim homogenen Panzerdurchschlag beizumessen. In englischen und amerikanischen Tests zur Bestimmung der Bruchdehnung nimmt man etwa 25% längere Schlagproben als nach deutscher DIN Norm, so dass die Werte für Bruchdehnung nicht direkt vergleichbar sind.
Ein hohe Dehnung erzeugt eine große Zähigkeit des Panzermaterials und infolge dessen geringere SKALIERUNG-Faktoren durch ein größeres Maß der plastischer Verformung bevor die Platte auseinanderreißt (SKALIERUNG siehe unten).


[2] Zugfestigkeit, sie wird (im englischen tensile strength) im deutschen in kg/mm^2, und im englischen in P.S.I. (pounds per square inch) angegeben und ist daher nach Umrechnung direkt vergleichbar. Selten wird sie auch in der Brinell Härteskala oder in ts/in^2 angegeben.
Die Zugfestigkeit gibt die notwendige Krafteinwirkung an um eine Probe in zwei Teile zu "zerziehen".
Eine größere Zugfestigkeit erzeugt eine größere Härtung und Wiederstandskraft der Platte gegenüber direkter Krafteinwirkung. Durch die gewählte Wärmebehandlung kann eine gegebene Metallegierung innerhalb gewisser (...von der Legierung abhängiger...) Grenzen zu jeder gewünschten Zugfestigkeit gebracht werden. Allerdings muß mit zunehmender Zugfestigkeit eine Reduzierung der Bruchdehnung und Querschnittsverringerung in Kauf genommen werden.
D.h. mit zunehmender "Härte" wird die Platte spröder.
Im Allgemeinen wird zwischen Zugfestigkeit und max. Zugfestigkeit unterschieden, erste gibt die notwendige Krafteinwirkung an, mit der sich das Material zu verformen beginnt -letztere gibt die notwendige Krafteinwirkung an, mit der die Probe auseinanderspringend nachgibt (engl, yield und ultimate tensile strength). Das Verhältnis beider zueinander kann Rückschlüsse auf die Elastitizät bzw. Sprödigkeit erlauben.

[3] Querschnittverringerung, sie wird (im englischen reduction of area) ebenfalls in % angegeben und bezieht sich auf die Querschnittsveränderung an der Bruchkante gegenüber der Ausgangsprobe. Je größer diese Verringerung, desto elastischer ist die Probe.

SKALIERUNG (englisch scaling) ist ein Phänomen, wonach mit zunehmender Größe der Proben und gleichen Relativverhältnissen eine Veränderung der Resistenz der Platte erfolgt. Um ein Beispiel dafür aus den GKdos-100 zu nennen, nehmen wir ein 20.3cm L4.4 APC Geschoß und feuern es gegen zwei 100mm Platten (etwa halbe Kaliberstärke) bei 90 Grad Einschlagwinkel (direkter Einschlag), die sich nur im Wert der Bruchdehnung unterscheiden.
Nun messen wir die für den Durchschlag notwendige Geschwindigkeit und erkennen, dass das 20.3cm APC Geschoß etwa 266 m/s für den Durschschlag von Platte 1 und 253 m/s für den Durchschlag durch Platte 2 benötigt. Das könnte auch ein Hinweis auf Fertigungsprobleme sein aber nehmen wir für den Moment an, dass dieses Ergebnis repräsentativ sei.
Dann nehmen wir ein 38.0cm L4.4 APC Geschoß, welches im wesentlichen mit dem 20,3cmL4.4 APC ident aber größer skaliert ist und verwenden ebenfalls zwei halb-kaliberstarke Platten (=190mm für das 38cm) mit den selben Festigkeitseigenschaften wie zuvor, wobei Platte 1 eine ebenso geringere Bruchdehnung aufweist.
Die Messung ergibt nun für den Durchschlag von Platte 1 nur 244m/s, während Platte 2 254m/s erforderte.

Ich habe das GKdos-100 Beispiel zitiert um eine hochqualitative Platte mit starker Zugfestigkeit als Beispiel heranzuziehen, welches nur 18% Bruchdehnung nach DIN Norm aufweist (im englischen wären das zwischen 21,6% und 22,5%). Im Vergleich dazu wäre Platte 2 eine ebenso zugfeste Platte mit 25% Bruchdehnung.

D.h. die SKALIERUNG infolge geringerer Bruchdehnung der Platte 1 bedeutet in diesem Fall auch eine Reduzierung der Wiederstandskraft der Platte wenn man die Werte von 20,3cm (=266m/s) und 38cm (=244m/s) vergleicht. Das größere Geschoß benötigt weniger Energie für den Durchschlag und es ist zu erwarten, dass ein Geschoß, welches kalibermäßig zwischen 20,3cm und 38cm liegt auch in der Leistung dazwischen läge.
Tatsächlich geben die GKDos-100 140mm Kurven (=0.5 cal) für das 28,3cm L4.4 Geschoß exakt 255m/s für Wh n.A. an und bestätigen diesen Fall.
Daraus müßte man die Regel ableiten, dass elastischerer Homogenpanzer dann vorzuziehen sei, wenn man mit großen Geschosseinschlägen rechnet, aber weniger elastischer Homogenpanzer dann überlegen wird, wenn man mit geringeren Kalibern rechnet.


Soweit die Theorie...

[delcyros]

Nocheinmal eine Grafik für den Einfluß der Wärmebehandlung auf zwei Chromnickelstähle.
Abgebildet sind Bruchdehnung und maximale Zugfestigeit für verschiedene Anlaßtemperaturen. Weichgeglühtes Material
hat generell eine bessere Elastizität (Dehnung) als weniger erwärmter Stahl, der dafür eine größere Zugfestigkeit aufweist.



Die gestrichelten Linien ergeben die Einschnürung (Grad der Querschnittsverringerung) deren Verlauf in Abhängigkeit zur Bruchdehnung steht und die Streckgrenze, also die Zugfestigkeit, bei deren Überschreitung die plastische Verformung des Materials beginnt und die dem Verlauf der maimalen Zugfestigkeit folgt.

Aus der Abildung kann erkannt werden, welch großen Einfluß die Legierung am Verlauf der Kurven haben.

Zähigkeit und Festigkeit sind Eigenschaften, die die generelle Qualität der Platte umschreiben können, wobei beide Eigenschaften abhängig vom Typ des Plattenversagens unterschiedlich in den Vordergrund treten.
Eine hohe Zähigkeit unter Aufgabe an Festigkeit ist immer da gewollt, wo man ein schweres Kaliber bei verhältnismäßig schwacher Panzerung (Kaliber Geschoß / Dicke Platte) abweisen will oder Trümmerbildung der Platte verhindern will.
Bei kleineren Kalibern mit hohen Auftreffgeschwindigkeiten (z.B. PAK) und beim Beschuß großer Geschosse unter bestimmten Winkeln tritt dagegen die Festigkeit in den Vordergrund.
Bei der Wärmebehandlung vermeidete man zumeist den Anlaßbereich zwischen 300 und 500 Grad (rot markiert), da in diesem Bereich eine merkbare Verschlechterung der Zugfestigkeit eintritt, ohne daß die Dehnung verbessert wird (als Ursache wird zunehmende Ferritrestbildung und Martensitausscheidung angenommen). Der Hauptanwendungsbereich der Wärmevergütung von wärmebehandelten Panzerplatten liegt daher im Bereich zwischen 65 und 130 kg/mm^2 (grün markierter Bereich rechts). Höhere Festigkeiten finden ebenfalls Anwendung, wobei diese nur im Falle von Panzerplatten mit gehärteter Oberfläche und dort nur auf einer Seite diese Wärmebehandlung genießen (grün markierter Bereich links).

[Thorsten Wahl]

obiges produkt ist ein vergüteter Wolframstahl der wohl nicht für Panzerungen Verwendet wurde

aber diverse Anlassschaubilder kann man auch Thyssen-Krupps Dokumentation für Vergütungsstähle entnehmen
http://www.thyssenkrupp.ch/xml_1/internet/de/application/d3/d11/f18.cfm

zb 25 Cr Mo 4
http://www.thyssen.ch/uploadfiles/File/Produkte_Dienstleistungen/edelbau_7218.pdf

oder 34 Cr ni mo 6
http://www.thyssenkrupp.ch/documents/edelbau_6582.pdf

[Thorsten Wahl]

Vergleich durchschlagkurven gegen auftreffgeschwindigkeit
homogenes panzermaterial
für 0,7 kaliber
Heilbleiben

8,8cm PaK 39/43 aus Durchschlagwerten gemäß Schußtafeln (veröffentlicht wiki) Kurve per Formel nachermittelt (1944)
28cm gemäß Gkdos 100 (1940)
38cm gemäß gkdos 100 (1940)

M79 rekonstruierte Kurve - weitergerechnet sofern es nicht  ab ca 60 Grad (90 ° ist senkrecht zur platte)zerbrechen würde (1943/44)
-zum Vergleich für die 8,8 cm 39/43 Panzergranate existierte die Standardanforderung gemäß Prüfungsbedingungen Waffenamt  180mm homogenes Material bei 45° Auftreffwinkel zu durchschlagen ohne zu zerbrechen ab mitte 1944, vorher 140 mm bei 45Grad

die Durchschlaggrafen kippen offensichtlich je größer das Kaliber wird viel früher nach oben

damit scheint sich zu bestätigen, daß die mit M79APCLC von N. Okun auf Basis des M79 Pentrationsgrafen für alle anderen Geschosse hochgerechneten Werte leicht daneben liegen könnten
Durchschlag im Bereich großer projektile/panzerdicken/Winkeltreffer nicht ganz optimal ist.

nachteilig für eine Beurteilung ist, dass sich aus den ausländischen Quellen kaum Durchschlagkurven ermitteln lassen, zum einen ist die Datenbasis sehr dünn(so daß man Ausreißer nicht ausschließen kann), bzw sehr stark verunreinigt (verschieden Materialqualitäten) und keine durchgehenden Daten für einzelne Platten und verschiedene Auftreffwinkel.

ich konnte aber jetzt einen britischen Test auftreiben, der recht ordentlich mit der deutschen Durchschlagformel rekonstruierbar ist. leider für nur eine Blechstärke

[delcyros]

Vielen Dank Thorsten!

Anhand dieser Darstellung kann man ausgezeichnet erkennen, dass das winkelabhängige Verhalten für den Durchschlag bei kleinen Geschossen denen größerer bei Flacheinschüssen deutlich überlegen ist.

Diese Feststellung steht im diametralen Gegensatz zum "Scaling" wie oben beschrieben. Der Untershied ist aber nur scheinbar, denn in Thorsten´s Graphen sieht man immernoch dass aus den GKdos-100 bekannte "Scaling" bei direkten Winkeln (große Kaliber sind überlegen), welches dann zwischen 30 und 45 Grad beginnend invers verläuft (bei flachen Winkeln brauchen kleinere Geschosse weniger Energie für den Winkeldurchschuß als größere).

Nathan Okun ging von einem gleichbleibenden "Bonus" durch "scaling" für große Geschosse im gesamten Winkelbereich aus (aus den Werten für direkte 90 Grad Winkel in GKdos-100 abgeleitet, wo der Vorteil für große Geschosse auch am höchsten ausfällt). Die Versäumnis, diese Regel auch bei hohen Einschlagwinkeln (wie sie bei Deckstreffern wichtig sind, wo statt einem Vorteil ein echter Nachteil vorliegt) in den GKdos-100 Grafen zu überprüfen mußte deswegen auch zu völlig falschen Ergebnissen führen. Diese Fehler sind sichtbar wenn man die Kurven von M79APCLC und GKdos-100 vergleicht.

Aber den oben geposteten Graphen nach zu urteilen, spielt Scaling keine oder eine unwesentliche Rolle verglichen mit den methodischen Problemen der Extrapolation der Durchschlagsergebnisse von kleinen 3" Geschossen auf größere, die regelhaft ein schlechteres Flachwinkelverhalten zeigen, ohne die eigentlich notwendige Anpassung irgendwie miteinzukalkulieren.

Mehr belastbare Datengrundlagen wie sie auch Thorsten gefordert hat sind begrüßenswert aber ich glaube, dass Bild verdichtet sich. 

[Thorsten Wahl]

noch was
die durchschlagdaten M/9für entkappte Geschosse dürften ebenfalls falsch liegen

der einfachheit halber Naab 1.0
US 16 2700 APC Mark 8 mod 6-8
durchschlag durch 3,17 " wotan hart(mit 18%elongation)  60 Grad obliquity Ballistisches Limit 749 ft/s
selber panzer selbes geschoss selber Winkel aber entkappt Ballistisches Limit 803 ft/s

eine Erhöhung um rund 7% dies scheint mir viel zu gering zu sein - wahrscheinlich wurde nur mit der anderen Masse gerechnet

bei den britischen Versuchen war eine Erhöhung des ballistischen limits um ca 20 % (nur Cap effekt) festzustellen
interessanterweise konnten bei den britischen Versuchen zwar eine penetration (licht) festgestellt werden jedoch auch bei sehr deutlicher weiterer Steigerung der Auftreffgeschwindigkeit ging das Teil nicht durch die panzerplatte.

[Ulrich Rudofsky]

Unterlagen und Richtlinien ..... Hier ist Heft "a"   https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=explorer&chrome=true&srcid=0B9QzbT15PL_FMmYwMGUxM2EtMjBjOC00NzUzLTg1YzAtZDM1MjMxYmQ5Mjg4&hl=en_US
Die anderen Hefte bis "h" sind von mir per Email-Versandt als PDFerhältlich.......  Hefte a-h sind ca. 16 MB

[Thorsten Wahl]

Unterlagen und Richtlinien ..... Hier ist Heft "a"   https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=explorer&chrome=true&srcid=0B9QzbT15PL_FMmYwMGUxM2EtMjBjOC00NzUzLTg1YzAtZDM1MjMxYmQ5Mjg4&hl=en_US
Die anderen Hefte bis "h" sind von mir per Email-Versandt als PDFerhältlich.......  Hefte a-h sind ca. 16 MB

oder auch hier
http://forum-marinearchiv.de/coppermine/thumbnails.php?album=272