Terminal ballistics and performance of metallic targets against small-calibre rifle bullets

The design of mass-efficient protective systems for modern military platforms is strictly constrained by the SWaP-C (Size, Weight, Power, and Cost) paradigm, which imposes a critical trade-off between tactical mobility and ballistic survivability. To bridge the systematic absence of continuous, multi-material comparative datasets in the terminal ballistics literature, the present research investigates the dynamic perforation response of two aerospace-grade aluminium alloys (Al 6061-T6, Al 7075-T651) and two Quenched and-Tempered armour steels (Weldox 700E, Rolled Homogeneous Armour). These targets are evaluated against two structurally antithetical NATO small-calibre bullets: the 7.62×51 mm M80 Ball (deformable soft-core) and the 5.56×45 mm M855 (dual-core steel penetrator). An extensive parametric campaign, encompassing hundreds of transient non-linear explicit simulations, was conducted via the Abaqus/Explicit solver across a quasi-continuous target thickness domain ranging from 1.7 mm to 25.0 mm. Thermomechanical material responses were modelled through the Johnson-Cook constitutive framework coupled with the Mie-Grüneisen Equation of State and advanced ductile fracture loci (e.g., the nonmonotonic Bao-Wierzbicki model). Discrete kinematic outputs were post-processed via non-linear Lambert-Jonas regression to extract deterministic ballistic limit velocities (Vbl), Specific Energy Absorption (SEA) curves, Armour Mass Efficiency (Em) metrics, and dynamic Back-Face Deformation (BFD) profiles for blunt trauma evaluation. The results reveal a profound phenomenological inversion contingent upon the projectile core architecture. Against the soft-core M80 bullet, the Al 6061-T6 leverages profound membrane stretching to delay localized failure. This structural accommodation maximizes energy dissipation, yielding a stable peak SEA of approximately 62 J · m2/kg and achieving absolute required-mass parity with the RHA baseline (Em ≈ 1.0). Conversely, the rigid steel penetrator of the M855 imposes extreme localized dynamic pressures that entirely bypass global structural inertia. This drives catastrophic Adiabatic Shear Banding (ASB) and premature plugging in the high-strength Al 7075- T651, plunging its mass efficiency to severe minimums (Em ≈ 0.26) and dropping its SEA to a negligible 4.0 J · m2/kg at intermediate thicknesses. Against such dual-core armour piercing threats, the extreme dynamic hardness of Quenched-and-Tempered steels (Weldox 700E, RHA) proves technologically unmatched, establishing undisputed mass and volume efficiency starting from 10.2 mm. By systematically mapping the Armour Mass Efficiency and Specific Energy Absorption across the complete thickness domain, the study formally defines the boundaries of the "parasitic mass" penalty, where unengaged structural material in highly rigid plates penalizes the overall ballistic efficiency. Ultimately, the computational results delineate a clear paradigm for modern armour engineering: compliant light alloys optimize purely Mass-Constrained systems against deformable threats, whereas high-density steels remain strictly mandatory for Volume-Constrained applications and to force projectile shatter against steel-core penetrators. The developed computational framework also establishes the high-density database required for possible future data-driven approaches and machine learning surrogate models aimed at accelerating armour design and optimization. The results provide valuable engineering guidelines for the development of mass-efficient protective systems intended for advanced military and aerospace applications.

La progettazione di sistemi di protezione ad alta efficienza di massa (mass-efficient) per le moderne piattaforme militari è rigidamente vincolata dal paradigma SWaP-C (Size, Weight, Power, and Cost), che impone un compromesso critico tra mobilità tattica e sopravvivenza balistica. Per colmare la sistematica assenza di database comparativi continui e multi-materiale nella letteratura della balistica terminale, la presente ricerca indaga la risposta dinamica alla perforazione di due leghe di alluminio di grado aerospaziale (Al 6061-T6, Al 7075-T651) e di due acciai per blindature bonificati (Weldox 700E, Rolled Homogeneous Armour). Tali bersagli sono valutati contro due minacce NATO di piccolo calibro strutturalmente antitetiche: il proiettile 7.62×51 mm M80 Ball (ad alta deformabilità, soft-core) e il penetratore 5.56×45 mm M855 (a doppio nucleo). Un’estesa campagna parametrica, comprendente centinaia di simulazioni esplicite non lineari in regime transitorio, è stata condotta tramite il solutore Abaqus/Explicit su un dominio di spessori quasi continuo compreso tra 1.7 mm e 25.0 mm. Le risposte termomeccaniche dei materiali sono state modellate attraverso il framework costitutivo di Johnson-Cook, accoppiato all’Equazione di Stato di Mie-Grüneisen e a modelli avanzati di frattura duttile (es. il modello non monotono di Bao-Wierzbicki). Gli output cinematici discreti sono stati rielaborati mediante la regressione non lineare di Lambert-Jonas per estrarre velocità limite balistiche deterministiche (Vbl), curve di assorbimento specifico di energia (SEA), metriche di efficienza di massa (Em) e profili dinamici di Back-Face Deformation (BFD) per la valutazione del trauma da impatto. I risultati rivelano una profonda inversione fenomenologica subordinata all’architettura del nucleo del proiettile. Contro la minaccia M80 a nucleo tenero, la lega ad alta duttilità Al 6061-T6 sfrutta l’esteso stiramento macroscopico della membrana per ritardare il cedimento localizzato. Questo accomodamento strutturale massimizza la dissipazione di energia, raggiungendo un picco stabile di SEA di circa 62 J · m2/kg e conseguendo un’assoluta parità di massa richiesta rispetto all’acciaio RHA di riferimento (Em ≈ 1.0). Al contrario, il penetratore rigido in acciaio dell’M855 impone pressione dinamiche estreme e altamente localizzate che eludono completamente l’inerzia strutturale globale. Ciò innesca una catastrofica formazione di bande di taglio adiabatiche (ASB) e una fustellatura prematura (plugging) nella lega ad alta resistenza Al 7075-T651, facendo precipitare la sua efficienza di massa a minimi critici (Em ≈ 0.26) e collassare il suo SEA a un valore trascurabile di 4.0 J · m2/kg a spessori intermedi. Contro tali minacce perforanti a doppio nucleo, l’estrema durezza dinamica degli acciai bonificati (Weldox 700E, RHA) si conferma tecnologicamente insuperata, garantendo un’indiscussa efficienza sia di massa che di volume a partire dai 10.2 mm. Mappando sistematicamente l’Efficienza di Massa e l’Assorbimento Specifico di Energia sull’intero dominio degli spessori, lo studio definisce formalmente i confini della penalità da "massa parassita", condizione in cui il materiale strutturale non ingaggiato in pias- tre altamente rigide penalizza l’efficienza balistica complessiva. In definitiva, i risultati computazionali delineano un chiaro paradigma per l’ingegneria delle corazze moderne: le leghe leggere duttili ottimizzano i sistemi puramente Mass-Constrained contro minacce deformabili, mentre gli acciai ad alta densità rimangono strettamente necessari per le applicazioni Volume-Constrained e per forzare la frantumazione dei proiettili con penetratore in acciaio. Il framework computazionale sviluppato istituisce inoltre il database ad alta densità necessario per futuri approcci data-driven e modelli surrogati di Machine Learning, volti ad accelerare la progettazione e l’ottimizzazione delle armature. I risultati forniscono preziose linee guida ingegneristiche per lo sviluppo di sistemi di protezione ad alta efficienza di massa destinati ad applicazioni militari e aerospaziali avanzate.