二戰期間，納粹德國的「虎（Tiger）」式、「黑豹（Panther）」式和「虎王（King Tiger）」坦克是坦克製造史上最著名的一些車輛，也一直是廣大坦克愛好者的心頭之好。特別是在德粉或者德吹眼裡，它們巨大的體積，厚實的裝甲和強大武器就是其所向披靡、堅不可摧的象徵。如果說這些坦克的外形尺寸和武器裝備讓人一目了然很容易搞清楚的化，那麼要確認裝甲的防護性能就要困難得多。稀星天外希望通過一系列文章來扒下「虎」式坦克，「虎王」坦克，以及所有型號的「黑豹」式坦克至少在裝甲防護上的光環。這些事實和數據都來自蘇聯、美國和英國對這些坦克裝甲進行的試驗。今天是第一篇文章。
稀星天外註：本文涉及專業知識較多，非一般科普文。能堅持看完的，才是真軍迷，請務必留帖為證。
德國的裝甲生產
「虎」式坦克和「黑豹」坦克的車體和炮塔幾乎完全由軋制裝甲組成。德國工業生產兩種類型的軋制裝甲：中等硬度的均質裝甲和表面硬化裝甲。在獲得生產合同之前，裝甲生產公司需要向有關部門提供樣品以確認其具有生產一定質量的裝甲的技術能力。
而德國坦克裝甲的質量標準要求由德國陸軍最高司令部（Oberkommando des Heeres，OKH）下屬的武器局第六分部（Waffen Prüfen 6，簡稱Wa Prüf 6，本文後統一使用「武器六部」指代）制訂。
對於均質裝甲，這些要求包括化學成分、硬度和彈道試驗條件，在某些情況下還包括熱處理要求。德國武器的裝甲根據厚度被分為七個級別：5-14.5毫米，16-30毫米，35-50毫米，50-80毫米，85-120毫米，125-160毫米，165-200毫米。每個級別都有自己的要求。其中，最薄的5-14.5毫米級別有特殊要求，但由於在我們討論的坦克中沒有使用該級別的裝甲，因此不在這裡敘述。
表面硬化裝甲的使用範圍被限制在16-30毫米，35-50毫米和50-80毫米這三個級別上。但是這類裝甲的大多數厚度都在30-50毫米。隨著戰局的惡化，為了簡化生產，1944年7月發布的要求不再包括表面硬化裝甲，其生產也慢慢地停止了。
有趣的是，在對被俘獲的「黑豹」D型坦克和費迪南（Ferdinand）坦克殲擊車進行檢查時，特別關注了表面硬化裝甲。蘇聯專門研究外國裝甲車體生產的中央科學研究院第48所（下簡稱TsNII-48）在1945年發表的報告中指出：
「當前工作中的新發現是德國人在「黑豹」坦克和費迪南坦克殲擊車最易受攻擊的部位（前部和側面）使用了表面硬化的軋制裝甲。這可能是因為德國人在其裝甲鋼中添加了大量碳的原因。眾所周知，表面硬化裝甲對於直徑小於或接近裝甲厚度的尖頭炮彈和子彈的抵抗力更強。考慮到現代軍隊廣泛使用尖頭炮彈和反坦克穿甲彈，德國人使用表面硬化裝甲的情況值得關注。鑒於上述情況，在我國（蘇聯）通過使用高頻電流來生產表面硬化重型坦克裝甲是合理的。
表面硬化裝甲是通過對均質裝甲進行火焰表面淬火產生的。除了對均質裝甲的所有要求外。表面硬化裝甲還有表面硬度和硬化深度的要求。彈道試驗主要是在未硬化之前做的，表面硬化後的裝甲不用進行彈道試驗。
硬化厚度的公差為5％。允許在裝甲表面上點蝕，其深度不得超過板厚度的3％，並且不得影響表面積的10％以上。
每個裝甲生產廠都應進行試驗並為每一批裝甲獲得認證。認證持續兩年。如果某一批次中的一塊鋼板沒有通過試驗，則該公司需要免費更換整個批次的裝甲鋼。製造商使用自己的設備，來測量軋制均質裝甲的厚度，並檢查表面是否有裂紋、氣孔和其他缺陷。
然後，檢查員將根據武器六部的要求對裝甲進行認證。使用布氏硬度法進行硬度測試，通常在一塊裝甲板上選取五個位置進行硬度檢查。
驗收試驗的最後階段是彈道測試。在測試中，如果板的背面因炮彈撞擊形成凸起，即使有時候凸起帶有短裂紋也是可以通過的。但是如果裝甲板被穿透，即使炮彈被卡在裝甲板上沒有穿出，也是不可接受的。對於某些厚度級別的裝甲，穿透但不開裂是可以接受的。
化學成分
德國軋制裝甲含碳和碳化鉻的水平很高，分別高達0.26-0.53％和3.2％。在85-120毫米，125-160毫米和165-200毫米範圍內，其含量隨厚度的增加而減小。英國科學家認為這樣做是為了減少淬火過程中的開裂。
很高的碳含量和大量碳化物使得鋼板在高回火下可以獲得中等硬度的裝甲。這確保了其在淬火過程中沒有震動，並在焊接過程中能夠減少開裂。
軋制均質裝甲的化學成分要求，按照厚度級別如下圖所示：
德國人首先遇到的是鉬的短缺。到1942年底，它已從中小型厚度的裝甲成分中移除；到1944年6月，它已在所有厚度的裝甲中消失。從1943年開始，鎳開始被大量用於裝甲鋼的生產。即使沒有要求，鎳仍出現在「虎」式坦克和「黑豹」坦克的裝甲中。TsNII-48報告中這樣寫道：
鉻和鉬的減少以及鎳的添加可能不僅僅是因為合金中各元素的成本問題，而且是增加延展性的一種嘗試。TsNII-48報告所進行的實驗中發現，「虎」式坦克含鉻鉬鋼甲在被炮彈擊中時顯得比較脆，容易開裂。
到1944年中，鎳被從除125-160毫米和165-200毫米以外的其他所有厚度裝甲中移除。到1944年秋天，釩的使用也幾乎停止了。在整個戰爭中使用的主要合金元素是鉻。
將德國對於坦克裝甲的要求與從被俘獲的德國坦克上實際獲得的值進行比較很有趣。1945年10月，位於烏克蘭的馬里烏波爾（Mariupol）工廠和TsNII-48莫斯科分部對德國坦克裝甲進行了研究，以確定其防穿甲能力與蘇聯國產的坦克裝甲相比的優缺點。
整個測試使用了兩輛「黑豹」A型和兩輛「虎」式坦克。裝甲板被從坦克上切下來，並通過坦克裝甲所經過的常規質量控制。然後從切下的裝甲板上取樣以測定其斷裂性能、硬度和化學組成。取樣後，按照特殊程序對裝甲板進行射擊試驗。稀天外向大家重點介紹一下測試結果中這些裝甲板的化學成分。
- 35-50毫米級別：「黑豹」坦克後部裝甲
- 50-80毫米級別：「黑豹」坦克首上和首下裝甲
- 85-120毫米級別：「虎」式坦克首下裝甲
- 125-160毫米級別：1944年7月生產的「虎王」坦克150毫米車體裝甲
- 165-200毫米級別：1944年7月生產的「虎王」坦克180毫米厚的炮塔正面裝甲
顯然，除了最後兩個級別之外，沒有一塊裝甲板的化學成分滿足德國武器六部的要求，尤其是鉻金屬的含量。在大多數情況下，裝甲中的鎳金屬含量太多。
TsNII-48專家在其1945年的報告中得出以下結論：
- 四輛被俘獲的德國坦克具有多種化學成分和類型的裝甲鋼。
- 從兩輛相同類型的坦克中獲得的相同厚度的裝甲可以具有不同的化學成分。德國裝甲鋼中的碳含量範圍為0.32至0.57％。100毫米厚的裝甲通常碳含量較低。在中等厚度（40-82 毫米）中等硬度的裝甲中可以看到碳含量的增加（0.40-0.57％）。
- 眾所周知，蘇聯中等硬度軋制裝甲的碳含量不超過0.34％，這與德國裝甲鋼明顯不同。
- 鉻含量在1.67％至2.30％的範圍內。在60-100毫米厚的裝甲中觀察到鉻含量增加（超過2.0％）。所有檢查的樣品都沒有同時出現鎳和鉬。40毫米厚的裝甲板沒有鎳或鉬中的任何一種，其他所有60到100毫米厚裝甲板要麼含有0.77-1.73%的鎳金屬或者0.20-0.30％的鉬金屬。在所有80毫米的鋼板中都沒有檢測到鉬。
- 眾所周知，厚度不超過80mm的蘇聯中等硬度軋制49s型裝甲具有諸如鎳和鉬之類的必要硬化金屬材料。而在德國中低硬度100毫米厚裝甲中觀察到的晶體斷裂是由於鎳和鉬的含量不足或完全不存在所致。樣品中也未發現釩和鎢的存在。
- 如此多種類型的裝甲鋼可以用德國冶金工業在生產裝甲鋼的合金材料獲取能力上的波動來解釋。德國裝甲生產企業的最大目標似乎是在每種厚度下以最小的合金含量進行適當的回火來增強硬度和延展性。
硬度要求
與化學成分相似，武器六部也為每個厚度級別定義了其所需的硬度。對於每個級別，以下硬度是可以接受的：
所需的硬度隨厚度增加而降低。1941年，武器六部下達命令，減少用於水平裝甲板的5-14.5毫米厚度級別的硬度。1944年7月，對16-30毫米級別也下了類似的命令。
表面硬化裝甲要求布氏硬度值達到555。硬化深度取決於總厚度：16-30毫米級別為2.5-4毫米，35-50毫米和55-80毫米級別為4-6毫米。通過切開並測量裝甲板的每一側的硬度來檢測硬化深度。對上述坦克進行的硬度測量結果如下：
「黑豹」坦克A型
- 1號首上裝甲板，80毫米厚：302-211
- 2號首上裝甲板，84毫米厚：241-255
- 1號首下裝甲板，60毫米厚：311-320
- 2號首下裝甲板，64毫米厚：320
- 1號後裝甲板，40毫米厚：311-320
- 2號後裝甲板，40毫米厚：302-320
「虎」式坦克
- 1號首下裝甲板，100毫米厚：285-302
- 2號首下裝甲板，102毫米厚：255-269
1944年7月生產的「虎王」坦克：
- 首上裝甲板，150毫米厚：269-241
- 首下裝甲板，100毫米厚：269-241
- 炮塔正面裝甲板，180毫米厚：255-241
這些檢查得出的結論與化學分析的結論相同：同一類型的裝甲板可具有多種硬度，並且未滿足技術要求。TsNII-48報告顯示：
40和60毫米厚的裝甲板始終是中等硬度。100毫米厚的裝甲板可以具有中等或較低的硬度。在從80毫米厚的裝甲中抽取的六個樣本中，有三塊裝甲屬於中等硬度，另外三塊則是低硬度。在從100毫米厚的裝甲中抽取的兩個樣本中，一塊裝甲為中等硬度，另一塊為低硬度。這種差異不僅發生在兩輛相同類型的坦克上，而且發生在名稱和功能相同的組件上。
表面硬化裝甲的外表面硬度為477-555（布氏硬度），內表面為269-341（布氏硬度）。硬化層具有明顯的邊界，深度為5毫米。
根據上述檢測結果，稀星天外認為德國產裝甲鋼的機械性能和蘇聯產裝甲鋼的機械性能相當。
熱處理
熱處理要求僅針對5-14.5毫米厚的裝甲，其餘級別則經過常規的淬火和熱處理過程。下表列出了克虜伯工廠的淬火和熱處理過程溫度：
直到1944年6月，除了5-14.5毫米和55-80毫米兩個級別，其他的淬火都在油中進行。在1942年6月，首先對55-80毫米級別鋼板在水中進行了淬火。這一轉變的原因是由於德國的石油化工廠在當年6月遭到了轟炸。10月份又有一些工廠向用水淬火過渡。由於沒有遵循規範的製造工藝，導致裝甲板在生產過程中經常破裂。為了最大程度地降低破裂風險，一些製造商在裝甲板完全冷卻之前就將其從淬火槽中取出，這會降低熱處理效果。
下面就讓我們檢查在研究俘獲坦克時經常發現的德國裝甲斷裂類型的範圍。這顯然是由於熱處理質量問題造成的。TsNII-48報告中詳細說明了對第一輛俘獲的「虎」式坦克進行調查：
從100毫米厚的車首裝甲板（晶體斷裂）和100毫米厚的炮塔正面裝甲板（纖維斷裂）中取樣，在顯微鏡下檢查，以發現62-100毫米厚的裝甲的不同特徵。顯微鏡檢查表明，產生纖維狀斷裂的樣品的微觀結構由沿馬氏體排列的薄索氏體組成。產生晶體斷裂的樣品的微觀結構則由排列不齊，粗糙得多的山梨岩甚至珠光體和大量鐵素體組成。不同斷裂類型的原因之一是熱處理質量。基於板狀和層狀結構分析，德國「虎」式坦克所用的裝甲鋼質量不高。
對1943-1944年間生產的「黑豹」坦克進行的檢查得出了相同的結論，它被發表在1945年出版的《坦克行業先驅》雜誌第1期上：
「黑豹」坦克的裝甲具有從纖維到純晶體的各種斷裂特性。化學成分和斷裂類型之間沒有聯繫。對德國裝甲鋼進行的許多研究表明，在具有相同厚度和類型的鋼板之間，斷裂缺乏一致性。這使我們可以自信地說德國人沒有進行熱處理質量控制的斷裂試驗。如果有一個很好掌握和嚴格遵循的熱處理工藝，則該質量控制試驗可以不要。但是，各種不同的斷裂表明這樣的熱處理工藝流程即使有，也沒有被完全遵循。裝甲硬度的巨大差異也證實了這一點。
彈道試驗
德國人通常從為25輛坦克生產的一組裝甲板中抽取兩塊進行質量控制測試。但是，每個厚度級別的測試和驗收條件都不同。
這種方法引起了蘇聯專家以及西方盟國的興趣，因為該過程設計用來避免修改彈藥並重新確定其速度，從而簡化了過程。武器六部提供了炮彈，在發射前都被保持在一定溫度下。每個厚度級別都有不同的測試安裝傾角，具體取決於所選炮彈的穿透力。
測試過程如下：首先，將裝甲板以一定角度安裝，並向其發射3-5發炮彈。如果未實現穿透，則將裝甲板的安裝傾角減小10度，並進行下一輪射擊試驗。角度將持續減小，直到裝甲板被穿透為止。如果裝甲板在垂直位置仍然無法穿透，則換用更大口徑的炮彈。
當時德國人使用了以下彈藥進行測試：
- 用Flak 30高射炮發射20毫米穿甲彈射擊16-30毫米厚度的裝甲。
- 用反坦克炮在100米外發射37毫米穿甲彈射擊35-50毫米厚的裝甲。
- 用Pak 38 L/60反坦克炮在100米外發射PzGr 39型50毫米穿甲彈射擊55-80毫米厚的裝甲。
- 使用Pak 40反坦克炮在100米外發射PzGr 39型75毫米穿甲彈射擊85-120毫米厚的裝甲。
- 使用Pak 40反坦克炮在100米外發射PzGr 39型75毫米穿甲彈射擊165-200毫米厚的裝甲。
由於資料缺失，稀星天外沒有找到125-160毫米級別的測試數據。對於180毫米厚的鋼板，德國陸軍總司令部有一個特殊要求：正常情況下，可接受PzGr 39一次穿透，但不能有裂紋或背面剝落。 稀星天外認為實際中不太可能使用Pak 40反坦克炮，同樣75毫米的Pak 42 L/70反坦克炮更有可能。
根據現有數據，在1944年第二季度，超過30％批次的裝甲板在第一輪測試中失敗，15％在第二輪測試中失敗，大約8％的在第三輪測試中失敗。失敗的最大原因是裝甲背面剝落。這一結果迫使德國開發了在生產更早期就檢查裝甲鋼質量的方法，並在幾家工廠進行了嘗試。
蘇聯對德國坦克裝甲板進行了多次彈道測試。下面，稀星天外和大家一起研究一下由馬里烏波爾工廠和TsNII-48莫斯科分部共同完成的試驗結果。
蘇聯的測試將從俘獲坦克上切下的裝甲板分別以法線，30度，45度和60度傾角安裝。用45毫米火炮測試40毫米厚的裝甲，用76毫米師屬火炮測試60毫米和80毫米厚的裝甲，用85毫米火炮測試80毫米和100毫米厚的裝甲。
蘇聯總共測試了21塊裝甲板，分別測試了內側損傷極限（PTP）和完全穿透極限（PSP）。TsNII-48報告中列出的試驗結果證實了其他試驗中的類似結論。
- 40毫米
PTP和PSP的最大偏差發生在正常射擊過程中。PTP的偏差在82米/秒，PSP的偏差為55米/秒。所有三塊測試裝甲板的化學成分和硬度幾乎相同。不同的防護性能可以通過熱處理質量來解釋。抗彈效果最佳的裝甲板是2號「黑豹」坦克的後部裝甲板；抗彈效果中等的裝甲板是2號「虎」坦克車首上傾斜頂甲；抗彈效果最差的裝甲板是1號「黑豹」坦克的後部裝甲板。在正常射擊下，三塊測試裝甲板中的兩塊發生四起內側剝落，其中一例面積很大，超過了炮彈直徑的四倍。
- 60-64毫米
測試裝甲板的不同防護性能可以由它們不同的化學成分，厚度和斷裂質量解釋。與6號測試板（2號「黑豹」坦克首下裝甲）相比，具有更低PSP和PTP均值的2號測試板（1號「黑豹」坦克首下裝甲）厚度薄了4毫米，斷裂特性更差，並且碳含量更少，且其他金屬元素的含量也有些許差異。
第二次射擊時破裂的14號板（2號「虎」式坦克首上裝甲）與上述兩個板不同，它的碳含量高得多（0.57％），鉻和鎳的含量較低，不含鉬，並且斷裂特性呈小晶體狀。
產生裂紋的原因可歸因於化學成分的差異（碳含量高，合金元素含量低）並且斷裂處沒有纖維。
- 80-82毫米
正常射擊測試時，除了僅產生裂紋的20號測試板以外，其他所有七塊測試裝甲板均發生斷裂。化學成分和熱處理質量對這些板都有影響。15、16和17號測試板（2號「虎」式坦克的右上側裝甲）的合金成分中含有鉻，但不含任何鎳，在第一次和第二次射擊測試中破裂。
18和19號測試板（2號「虎」式坦克的左上側裝甲）中的鉻含量大致相同，但含有鎳金屬，在第三次或第四次射擊後破裂。
18號測試板（在30度傾角下進行測試）和20號測試板（2號「虎」式坦克後部裝甲）的碳含量和鉻含量比18和19號板低，但鎳含量更高。在擊中3次和4次後，生成了貫穿它們的裂紋。
3號測試板（1號「黑豹」坦克的首上裝甲）的化學成分與15-17號測試板相同，但在76毫米火炮的第一次射擊中破裂。
18和19號測試板包含鎳金屬，硬度為3.6-3.7，其斷裂中有小晶體，所有其他測試板無論具有或不具有鎳含量，硬度都在3.5到3.6之間，呈纖維斷裂，而且整個橫截面上都帶有結晶痕跡。15和16號測試版具有可接受的背面剝落。
稀星天外註：蘇聯報告使用壓痕直徑來表示硬度，假設測試球的直徑為10毫米，壓力為3000公斤。
100毫米厚度裝甲板的試驗沒有結果，因為第一塊裝甲板在第二次射擊後破裂，第二塊裝甲板在第一次射擊後產生了許多裂縫。蘇聯人測試的最後結論如下：
- 德國40毫米厚的裝甲鋼板的防護性能高於相同厚度的蘇聯國產裝甲。
- 德國60毫米厚的裝甲鋼板的防護性能與相同厚度的蘇聯國產裝甲的大致相同，但低於馬里烏波爾l工廠生產的裝甲。83-84毫米厚的低硬度裝甲具有相對較高的防護性能。
- 德國的40、83和100毫米厚的裝甲板具有脆性損壞的趨勢，尤其是83毫米板。
- 德國40和63毫米中硬度裝甲以及83-84毫米低硬度裝甲具有良好的耐久性。中硬度82毫米裝甲和100毫米中硬度或低硬度裝甲的耐用性較低。
- 確認了在蘇聯國內裝甲板生產中觀察到的模式——脆性損壞與鋼板的斷裂性能相關。
研究「虎王」坦克的裝甲時，觀察到了相同的特性：隨著裝甲厚度的增加，斷裂特性不令人滿意，脆性損壞的百分比也增加。根據蘇聯的報告，他們測試了「虎王」坦克側面的80毫米裝甲板和150毫米厚的前裝甲板。由於缺乏相同厚度的國產裝甲，作為對照，他們使用了IS-2坦克的90毫米厚側裝甲以及項目701實驗坦克首下方的160毫米裝甲進行了比較。結論是，德國和蘇聯的裝甲具有相似的防護性能，而蘇聯裝甲在延展性方面具有明顯優勢。
總體而言，很明顯，德國的質量控制體系無法確保生產出質量符合要求的軋制裝甲。在生產中將硬度、化學成分和斷裂性能的差別很大的裝甲安裝在同一輛坦克中，使德國根本無法讓其生產的坦克保持一個令人滿意的防護性能。