Введение к работе
Актуальность работы.
Упрочнение металлических материалов с использованием энергии взрыва получает все большее распространение. В настоящее время в литературе накоплена обширная теоретическая и экспериментальная информация по структуре и свойствам металлов и сплавов после ударно-волнового воздействия. Такое воздействие может оказываться взрывом газовых смесей или конденсированными взрывчатыми веществами (ВВ). В последнем случае воздействие может быть нескольких видов: накладным зарядом ВВ с непосредственным контактом с поверхностью и через прокладки; без или с использованием порошков металлов и тугоплавких, высокотвердых соединений.
Ударное воздействие разогнанных взрывом отдельных макроскопических частиц на твердую преграду изучено достаточно полно. Как правило, объяснение такого взаимодействия проводится в рамках гидродинамической теории, в которой преграда рассматривается как несжимаемая жидкость. Глубина проникания частицы по гидродинамической теории, не превышает 2 – 4 ее диаметра, что хорошо согласуется с экспериментом. В 70-х годах 20 века при исследовании взаимодействия с преградой разогнанного энергией взрыва до скоростей (1000 – 3000) м/с потока высокоскоростных дискретных частиц размерами (8 – 100) мкм, было обнаружено явление сверхглубокого проникания отдельных частиц на глубины более 1000 их диаметров, что весьма трудно объяснить с позиции гидродинамической теории. Существует несколько гипотез о физической природе данного явления. До настоящего времени не сложилось единой точки зрения на механизм данного процесса, потому как имеющиеся литературные данные по этому вопросу носят весьма противоречивый характер.
В настоящее время экспериментально установлено, что количество проникших при взрыве частиц зависит от концентрации потока частиц, воздействующих на обрабатываемый образец, и скорости потока частиц при нормальном их движении относительно поверхности преграды. Но совершенно не рассмотрены особенности сверхглубокого проникания дискретных частиц, разгоняемых косой ударной волной, использование которой приводит к увеличению площади воздействия потока частиц на обрабатываемую поверхность. Также отсутствуют данные изменения твердости по глубине и объему образцов при различных углах соударения между нормалью ударной волны и поверхностью образца. Без решения этих вопросов затруднено технологическое использование процесса сверхглубокого проникания частиц для упрочняющей обработки различных металлических материалов, что и обуславливает актуальность настоящей диссертационной работы.
Цель работы.
Целью работы является:
– экспериментальное исследование процессов, происходящих в металлических материалах при их обработке потоком частиц, разогнанных энергией взрыва, в режиме сверхглубокого проникания;
– изучение особенностей воздействия потока частиц на металлическую преграду, в том числе при различных углах соударения между нормалью ударной волны и поверхностью образца (900, 600 и 450);
– исследование влияния этого фактора на структуру материала преграды, как в приповерхностном слое, так и во всем объеме преграды.
Задачи исследования.
1. Проведение анализа существующих моделей процесса сверхглубокого проникания частиц.
2. Исследование особенностей изменения свойств и структуры металлических материалов, обработанных потоком высокоскоростных частиц, как в приповерхностном слое, так и во всем объеме образцов, при различных углах соударения между нормалью ударной волны и поверхностью обработки.
3. Экспериментальное исследование распределения твердости по глубине и объему образцов после обработки потоком дискретных частиц, разогнанных энергией взрыва, в режиме сверхглубокого проникания с различными углами соударения.
4. Исследование кинетики взаимодействия потока частиц с продуктами детонации и материалом преграды.
5. Разработка методики обработки преград, которые позволяют реализовывать режим сверхглубокого проникания при различных углах соударения ударной волны с поверхностью образца.
Объекты исследования.
В качестве объектов исследования выбраны металлические материалы: конструкционная углеродистая сталь – Ст. 3 и инструментальная углеродистая сталь – сталь У8. Исследуемые образцы представляли собой цилиндры: высотой 60 мм и диаметром 24 мм для Ст.3, и высотой 40 мм и диаметром 24 мм для стали У8. В некоторых случаях для Ст. 3 образцы представляли пластину размером 150 200 мм и толщиной 10 мм.
Научная новизна работы.
– Впервые экспериментально получены значения распределения твердости по глубине и объему образцов, после обработки потоком частиц порошков с различными физико-химическими свойствами, при различных углах соударения ударной волны с поверхностью образцов. Обнаружено, что в процессе сверхглубокого проникания, при изменении значений твердости на глубине 4 мм, оптимальным является угол соударения 450.
– Экспериментально установлено, что с изменением угла соударения потока частиц, разогнанных энергией взрыва, с поверхностью обработки меняется характер распределения твердости по глубине и объему преграды, причем распределение значений твердости зависит и от материала частиц порошков.
– По результатам исследования микроструктуры образцов экспериментально установлено, что проникание частиц во всех используемых схемах обработки сопровождается изменением размера перлита от зернистого до крупнопластинчатого в объеме образцов.
– По результатам теоретических расчетов произведена оценка температуры частиц, участвующих в процессе сверхглубокого проникания, которая показала, что температура частиц не достигает температуры плавления, однако возможно их подплавление.
– Экспериментально подтверждена модель механизма процесса сверхглубокого проникания частиц на основе реализации кавитационного процесса в материале преграды, вызванного высокочастотным скоростным соударением потока частиц, разогнанных энергией взрыва.
Практическая значимость работы.
Разработана методика обработки металлических материалов установками с направляющим каналом и без него, с различными углами соударения потока частиц с обрабатываемой поверхностью, которые позволяют обрабатывать локальные участки поверхности и всю поверхность материалов высокоскоростным потоком частиц, разогнанных энергией взрыва в режиме сверхглубокого проникания.
Результаты, полученные в работе, рекомендуются к использованию явления сверхглубокого проникания частиц при обработке металлических материалов, прогнозирования изменения твердости, в зависимости от угла соударения потока частиц с поверхностью образца, а также структурных изменений в сталях после такой обработки. Результаты диссертации позволяют разработать высокоэффективные технологии упрочнения стальных материалов с получением заданных свойств по глубине материала.
На защиту выносятся следующие положения:
– Результаты исследований распределения значений твердости по глубине и объему образцов, после обработки потоками частиц порошков, разогнанных энергией взрыва в режиме сверхглубокого проникания, с различными углами соударения между нормалью ударной волны и поверхностью образцов.
– Результаты сравнительных исследований микроструктуры образцов, после обработки потоком частиц порошков с различными физико-химическими свойствами, при различных углах соударения ударной волны с поверхностью обработки.
– Результаты теоретических расчетов температур частиц порошков, участвующих в процессе сверхглубокого проникания, и давлений, возникающих в материале преграды, при взаимодействии с ней продуктов детонации и потока частиц.
– Методика обработки металлических материалов установками с направляющим каналом и без него, с различными углами соударения потока частиц с поверхностью обработки, которые позволяют воздействовать на поверхность образцов высокоскоростным потоком частиц, разогнанных энергией взрыва в режиме сверхглубокого проникания.
Достоверность научных результатов работы.
Достоверность результатов работы обеспечена использованием современных аттестованных физико-химических методов и методик: растровая электронная микроскопия, рентгеновский спектральный микроанализ, методика измерения твердости и др. Исследования проводились с использованием современного оборудования: микроскоп LEO-1450 в комбинации с энергодисперсионным микроанализатором INCA Energy, микротвердомер ПМТ-3, металлографический микроскоп Axiovert 200 MAT. и др.
Апробация работы.
Научные результаты работы апробированы на Международных, Всероссийских и Межвузовских научно-технических конференциях и симпозиумах: 4-6 Всероссийских школах-семинарах по структурной макрокинетике для молодых ученых (2006-2008г.), г.Черноголовка; 8 Международном симпозиуме «Использование энергии взрыва для получения материалов с новыми свойствами» (2006), г. Москва; Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения НПМ-2007» (2007), г. Волгоград; 9 Международном симпозиуме «Использование энергии взрыва для получения материалов с новыми свойствами: наука, технология, бизнес, инновации» (2008), г. Лисс, Нидерланды; 47 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (2008), г. Н.Новгород; 14 Симпозиуме по горению и взрыву (2008), г. Черноголовка; Международной конференции «Ударные волны в конденсированных средах» (2008), г. Санкт-Петербург; IX Харитоновских тематических научных чтениях – Международная конференция «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (2009), г. Саров; 17 Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (2009), г. Самара.
Публикации.
По результатам диссертации опубликовано 16 статей, докладов и тезисов конференций, в том числе 4 статьи, из которых две статьи в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ.
Личный вклад автора.
Вклад автора состоит в: постановке задач диссертации; личном проведении экспериментов; количественной обработке полученных экспериментальных данных; формулировке выводов и положений, выносимых на защиту; написании статей по теме диссертации.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографического списка. Общий объем работы составляет 134 страницы, включая 30 рисунков, 10 таблиц и библиографического списка включающего 104 наименования.
