Содержание к диссертации
Введение
1. Металлические материалы со слоистым строением 14
1.1. Оценка роли дислокационных механизмов в формировании уровня конструктивной прочности металлических материалов 14
1.2. Процессы, обеспечивающие измельчение зеренной структуры 18
1.2.1. Структурные преобразования в сталях при реализации методов термопластического воздействия 18
1.2.2. Структурные преобразования в сталях при деформации в холодном состоянии 20
1.3. Получение металлических материалов со слоистым строением 27
1.3.1. Получение металлических слоистых композиционных материалов методом горячей пакетной прокатки 35
1.3.2. Получение металлических слоистых композиционных материалов методом сварки взрывом 38
1.3.2.1. Схемы реализации процесса сварки металлических материалов взрывом 39
1.3.2.2. Особенности структуры и свойств композиционных материалов, полученных сваркой взрывом 44
1.3.2.3. Особенности структуры и свойств композиций, полученных сваркой взрывом разнородных материалов... 48
1.3.2.4. Процессы деформационного упрочнения металлов при сварке взрывом 50
1.4. Механические свойства металлических слоистых омпозиционных материалов, полученных сваркой взрывом... 53
1.5. Практическое применение технологии сварки взрывом в современной промышленности 56
1.6. Выводы 60
1.7. Цель и задачи 62
2. Материалы и методы исследования 63
2.1. Выбор материалов исследования 63
2.1.2. Химический анализ 67
2.2. Методы исследования структуры материалов 69
2.2.1. Оптическая металлография 69
2.2.2. Растровая электронная микроскопия 70
2.2.3. Просвечивающая электронная микроскопия 71
2.2.4. Рентгеноструктурные исследования 72
2.2.4.1. Рентгенофазовый анализ 72
2.2.5. Исследование механических свойств 73
2.2.5.1. Определение микротвердости 73
2.2.5.2. Наноиндентирование микрообъемов сваренных заготовок 73
2.2.5.3. Прочностные испытания 74
2.2.5.4. Испытания на ударную вязкость 74
2.2.5.5. Определение усталостной трещиностойкости 76
3. Моделирование процессов сварки взрывом разнородных листовых сталей в системе autodyn 11.0 81
3.1. Математическое моделирование процессов, происходящих при сварке взрывом тонких пластин из разнородных
сталей 81
3.1.1. Постановка задачи 81
3.1.2. Характеристики материалов, используемых при моделировании 84
3.2. Результаты моделирования 87
3.3. Выводы 112
4. Структурные исследования многослойных материалов, сформированных сваркой взрывом пластин из разнородных сталей 113
4.1. Анализ исходных материалов 113
4.1.1. Металлографические исследования исходных материалов 113
4.1.1.1. Исследование фазового состава исходных материалов 113
4.2. Особенности строения многослойных материалов, полученных по технологии сварки взрывом тонколистовых стальных заготовок 114
4.2.1. Структурная неоднородность композитов, сформированных в процессе сварки взрывом 122
4.2.2. Искажение профиля волн сварных швов 128
4.2.3. Градиентная структура сварного соединения из разнородных сталей 130
4.2.3.1. Особенности структуры аустенитной стали, деформированной в процессе сварки взрывом 130
4.2.3.2. Особенности структуры углеродистой стали, деформированной в процессе сварки взрывом 132
4.2.3.3. Структурные преобразования перлита в процессе сварки взрывом 135
4.3. Исследование влияния термической обработки на структуру композиционных материалов 141
4.3.1. Анализ структурных превращений при отжиге многослойных материалов, полученных сваркой взрывом разнородных сталей 141
4.3.2. Анализ структурных превращений при закалке многослойных материалов, полученных сваркой взрывом разнородных сталей 146
4.4. Выводы 154
5. Механические свойства многослойных материлов со структурой, сформированной в процессе сварки взрывом 157
5.1.Прочностные свойства слоистых материалов, сваренных
взрывом 157
5.1.1. Фрактографические исследования статически разрушенных многослойных материалов «сталь 12Х18Н10Т
- сталь 20» и «сталь 12Х18Н10Т - сталь 5ХВ2С» 159
5.2. Ударная вязкость слоистых материалов, сформированных в процессе сварки взрывом тонколистовых заготовок из разнородных сталей 163
5.2.1. Фрактографические исследования динамически разрушенных многослойных пакетов «сталь 12Х18Н10Т -сталь 20» 166
5.2.2. Фрактографические исследования динамически разрушенных многослойных материалов «сталь 12Х18Н10Т сталь 5ХВ2С» 168
5.3. Циклическая трещиностойкость многослойных материалов, полученных сваркой взрывом тонколистовых заготовок из разнородных сталей 174
5.4. Динамическое нагружение многослойного металлического композиционного материала с высокопрочным индентором 181
5.5. Выводы 185
6. Апробация результатов экспериментальных исследований 187
6.1. Преимущества слоистых материалов, полученных по технологии сварки взрывом пластин из разнородных сталей 188
6.2. Рекомендации по практической реализации технологии сварки взрывом многослойных композиций из разнородных сталей 189
6.3. Применение результатов проведенных исследований в учебном процессе 190
6.4. Представление результатов экспериментальных
исследований на промышленных выставках 193
6.5. Выводы 193
Основные результаты и выводы 195
Список литературы 199
- Структурные преобразования в сталях при реализации методов термопластического воздействия
- Методы исследования структуры материалов
- Характеристики материалов, используемых при моделировании
- Особенности структуры аустенитной стали, деформированной в процессе сварки взрывом
Введение к работе
Актуальность работы
Разработка современных конкурентоспособных на внешнем и внутреннем рынках конструкций невозможна без использования новых материалов, обладающих повышенным комплексом механических свойств. Один из наиболее эффективных подходов к проблеме повышения комплекса механических свойств материалов конструкционного назначения заключается в формировании анизотропной гетерофазной структуры. Для изготовления деталей машин и элементов конструкций ответственного назначения во многих случаях целесообразно применение слоистых заготовок на металлической основе, полученных по технологии сварки взрывом. Анализ экспериментальных результатов, полученных в зарубежных и отечественных лабораториях, в том числе в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирском государственном техническом университете, Волгоградском государственном техническом университете, свидетельствует о том, что высокий комплекс механических свойств может быть обеспечен при получении многослойных материалов, состоящих из различных по химическому составу и структуре сталей. Различные сочетания заготовок позволяют сформировать материалы, предназначенные для эксплуатации в условиях статического, динамического и усталостного нагружения.
Широкий выбор исходных заготовок в сочетании с различными видами последующей термической обработки обеспечивает возможность для эффективного управления комплексом важнейших механических свойств многослойных материалов. Несмотря на широкие перспективы материалов, полученных на базе разнородных сталей и других сплавов, изучены они крайне ограниченно. По этой причине целесообразно проведение дополнительных исследований с применением широкого спектра методов, направленных на изучение структуры и комплекса механических свойств композитов. Особого внимания заслуживают исследования, ориентированные на изучение тонких структурных преобразований в околошовных зонах динамически взаимодействующих заготовок. Важное практическое значение имеют данные о влиянии этих преобразований на характер пластической деформации и разрушения многослойных пакетов. В представленной работе с использованием современных аналитических методов проведен анализ отмеченных особенностей. В качестве заготовок для получения многослойных материалов были использованы широко распространенные в современном машиностроении стали 20, 5ХВ2С и 12Х18Н10Т.
Исследования по диссертационной работе выполнены в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы («Проведение научных исследований целевыми аспирантами...», ГК№ 14.740.11.1228).
Цель диссертационной работы заключалась в повышении конструктивной прочности слоистых материалов из разнородных сталей путем формирования эффективной структуры с множеством межслойных границ раздела при
реализации процесса сварки взрывом тонколистовых заготовок и последующей термической обработки сварных пакетов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Изучение процессов структурных изменений, происходящих в поверхностных слоях динамически взаимодействующих заготовок из разнородных сталей.
Анализ структурных преобразований в зоне сварки стальных пластин, обусловленных термической обработкой многослойных материалов.
Исследование особенностей разрушения многослойных композиций после сварки взрывом и последующей термической обработки сварных пакетов.
Выявление структурных факторов, определяющих скорость развития усталостных трещин в пакетах, полученных методом сварки взрывом.
На защиту выносятся:
Результаты исследований особенностей градиентного строения многослойных материалов, полученных по технологии сварки взрывом разнородных сталей.
Результаты исследований особенностей строения термически обработанных сварных пакетов, полученных по технологии сварки взрывом.
Результаты математического моделирования процессов деформации и нагрева пластин из сталей 20, 5ХВ2С и 12Х18Н10Т при их динамическом взаимодействии.
Результаты исследования поведения многослойных материалов, полученных по технологии сварки взрывом разнородных сталей, в условиях статического, динамического и усталостного нагружения.
Научная новизна
Показано, что характер разрушения многослойных металлических материалов «сталь 20 - сталь 12Х18Н10Т» и «сталь 5ХВ2С - сталь 12Х18Н10Т», полученных по технологии сварки взрывом, в значительной степени определяется наличием множества межслойных границ, оказывающих тормозящее влияние на распространяющиеся трещины. Благоприятное влияние околошовных зон обусловлено субмикрокристаллической структурой, образующейся при динамическом взаимодействии стальных пластин, а также структурой, сформированной в процессе термической обработки многослойных пакетов при развитии диффузионных и рекристаллизационных процессов. Пластические свойства высоковязкой в исходном состоянии хромоникелевой стали 12Х18Н10Т, находящейся в пределах многослойного пакета, снижаются. Проявления эффекта торможения усталостной трещины слоями из стали 12Х18Н10Т не зафиксировано.
При сварке взрывом разнородных сталей формируется околошовная зона шириной ~ 200 мкм с проходящей внутри нее явно выраженной границей раздела. Переходная граница между материалами проявляется в пределах одного-двух слоев зерен и субзерен. Строение околошовных зон, находящихся по разные стороны от границ раздела, соответствует разным стадиям развития процессов деформационного упрочнения и термического разупрочнения
соединяемых сваркой взрывом сталей, которые в свою очередь определяются их химическим составом.
Показано, что амплитуда волн сварных швов, сформированных по технологии сварки взрывом, оказывает неоднозначное влияние на характер разрушения многослойных материалов. С одной стороны рост амплитуды благоприятно отражается на изменении траектории продвижения трещины, что приводит к росту энергоемкости процесса разрушения. С другой стороны, увеличение амплитуды сопровождается уменьшением минимального поперечного сечения пластины вплоть до ее полного разрушения. При реализации процесса динамического взаимодействия разнородных сталей обнаружен не описанный ранее эффект деления волнами большой амплитуды внутренних пластин многослойного пакета на отдельные, не связанные друг с другом фрагменты.
В процессе многослойной сварки взрывом сталей 5ХВ2С и 12Х18Н10Т в хромоникелевой стали реализуется механизм локализации пластической деформации, результатом которого является сдвиг вершин гребней инструментальной стали вдоль вектора скорости точки контакта соединяемых пластин. Величина сдвига достигает периода волны сварного шва. Установлено, что участками инициирования полос локализованной пластической деформации являются вихревые зоны, материал которых находился в расплавленном состоянии.
При сварке взрывом сталей 20 и 12Х18Н10Т на безвихревых участках волнообразных границ по разные стороны от поверхности соединения заготовок формируется структура различного типа. Для хромоникелевой аустенитной стали характерно образование слоя сильнодеформированных, не претерпевших рекристаллизации зерен с повышенной плотностью дислокаций, построений ячеистого и субзеренного типа. Несмотря на кратковременность теплового воздействия в поверхностном слое стали 20 развиваются рекристаллизацион-ные процессы. Зерна минимального размера (менее 0,5 мкм) располагаются на безвихревых участках сварных швов в слое шириной ~ 10...15 мкм вдоль поверхности сопряжения заготовок.
Практическая значимость и реализация результатов работы 1. Полученные при выполнении работы многослойные материалы обладают повышенным комплексом прочностных свойств и усталостной трещино-стойкости. При соединении сваркой взрывом пластин из сталей 20 и 12Х18Н10Т предел прочности композиции достигает 760 МПа, что в 2,4 раза выше по сравнению с исходной сталью 20 и в 1,5 раза выше по сравнению со сталью 12Х18Н10Т. Предел текучести при этом увеличился в 2,1 раза по сравнению с исходной сталью 20 и в 1,1 раза по сравнению со сталью 12Х18Н10Т. Предел прочности многослойной композиции «сталь 12Х18Н10Т -сталь 5ХВ2С» возрос в 1,7 раза по сравнению с отожженной сталью 5ХВ2С и в 2,3 раза по сравнению с исходной сталью 12Х18Н10Т. Предел текучести композита возрос в 2,6 раза по сравнению со сталью 5ХВ2С и в 5,1 раза по сравнению со сталью 12Х18Н10Т. Ударная вязкость многослойных материалов, полученных по технологии сварки взрывом разнородных по химическому
составу сталей, занимает промежуточное значение между показателями ударной вязкости составляющих их материалов.
Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе в Новосибирском государственном техническом университете при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Материаловедение и технология новых материалов».
Материалы, полученные при выполнении работы, отмечены серебряной медалью специализированной международной промышленной выставки «Машиностроение. Металлообработка. Сварка. Металлургия - 2011» (ІТЕ Сибирская ярмарка, 2011 г.) и большой золотой медалью выставки «Исследования, инновации и технологии», г. Касабланка (Марокко, 2011 г.).
Достоверность результатов
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается сочетанием физического и математического моделирования процессов, развивающихся при сварке взрывом, применением современного аналитического оборудования, статистических методов оценки погрешности измерений, использованием взаимодополняющих методов изучения структуры и механических свойств материалов и соответствием полученных результатов современным представлениям о процессах, происходящих при сварке стальных заготовок.
Личный вклад автора состоит в формулировании задач, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обобщении полученных результатов, сопоставлении полученных результатов с литературными данными и формулировании выводов.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, г. Томск, 2011 г.; на международной конференции «XII Харитоновские тематические научные чтения», г. Саров, 2011 г.; шестом международном форуме по стратегическим технологиям (IFOST)», Китай, г. Харбин, 2011 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», Новосибирск, 2010, 2011, 2012 гг.; на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации.», г. Новосибирск, 2011 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона.», г. Новосибирск, 2011 г.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных научных работ, из них: 4 статьи в рецензированных научных журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в международном журнале, 5 - в сборниках трудов Международных и Всероссийских научно-технических конференций.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, основных результатов и выводов, приложения. Работа изложена на 221 странице основно-
го текста, включая 112 рисунков, 13 таблиц, библиографический список из 217 наименований.
Структурные преобразования в сталях при реализации методов термопластического воздействия
Эффективный путь разработки металлических материалов, обладающих требуемым комплексом механических свойств, связан с обоснованием и выбором дислокационных механизмов упрочнения, позволяющих сформировать рациональную структуру. В работах профессора Л.И. Тушинского и его сотрудников обоснована классификация таких механизмов, учитывающая результаты многочисленных исследований. Во многих работах было убедительно показано, что между дислокационными механизмами упрочнения, а также показателями прочности и надежности материалов существует явная связь. Механизмы, способствующие росту прочностных свойств, как правило, снижают трещиностоикость металлических материалов. В зависимости от условий эксплуатации конкретного изделия рациональным может быть сочетание различных механизмов дислокационного упрочнения. Основные принципы структурной теории конструктивной прочности описываются уравнением, определяющим зависимость между пределом прочности и вязкостью разрушения материалов, с одной стороны, и возможными моделями дислокационного упрочнения - с другой [4]: где: Кхс - критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации (показатель вязкости разрушения материала); оп - напряжение, которое дислокация должна преодолеть чтобы начать движение в решетке, свободной от каких-либо препятствий (напряжение, обусловленное силой Пайерлса - Набарро; напряжение «трения» кристаллической решетки); ад - величина упрочнения, обусловленная увеличением числа дислокаций в материале (напряжение, возникающее при взаимодействии движущейся дислокации с регулярными дислокационными построениями в виде полигонов или ячеек одпя и хаотично расположенными дислокациями, часто именуемыми дислокациями «леса» о-дл); ср - упрочнение, обусловленное упругим взаимодействием движущихся дислокаций с искажениями кристаллической решетки матрицы, вызванными наличием беспорядочно растворенных атомов ар БЕСП или скоплениями растворенных атомов, собранных в виде атмосфер ар АТМ; аф - упрочнение, обусловленное присутствием в деформируемой матрице дисперсных частиц второй фазы; в зависимости от природы частиц механизм оф может быть обусловлен реализацией моделей трех типов: Ф = Ф.ОР + аФ.х + аФ.н.-м. где: аф ор - упрочнение, обусловленное взаимодействием движущихся дислокаций с недеформируемыми частицами по механизму Орована и образованием вокруг частиц дислокационных петель; офХ- упрочнение, обусловленное образованием дислокационных призматических петель по механизму Хирша; офНМ- упрочнение, связанное с перерезанием движущимися дислокациями пластически деформируемых частиц (по механизму Николсона -Мотта); а3 - упрочнение материала границами зерен, расположенными на пути движущихся дислокаций.
Роль того или иного члена анализируемого уравнения может изменяться в зависимости от вида обработки материала. С позиции влияния на показатели прочности и трещиностойкости отмеченные дислокационные механизмы можно разделить на эффективные и неэффективные. Так, например, при понижении температуры из-за увеличения напряжения ап имеет место рост предела текучести сталей, но одновременно с этим снижается трещиностойкость и возникает реальная опасность хрупкого разрушения материалов.
Можно отметить примеры практической реализации механизмов упрочнения растворенными атомами (ор). Повышенная степень легирования используется для достижения особых физико-механических свойств сплавов, более слабое легирование - для повышения эксплуатационных свойств конструкционных сталей. Экспериментально установлено, что практическая реализация данного механизма позволяет резко повысить предел текучести сталей, однако одновременно с упрочнением происходит снижение показателей их надежности, в частности уровня вязкости разрушения.
Аналогичные выводы могут быть сделаны при реализации механизмов упрочнения, основанных на увеличении плотности дислокаций (од). Формирование дислокационных построений в виде беспорядочных переплетений (дислокационного «леса») сопровождается не только ростом прочностных свойств, но также и явным снижением трещиностойкости материалов. Контролируемый нагрев металлических материалов с повышенной плотностью дислокаций позволяет сформировать более благоприятную структуру в виде полигонов (субзе рен) или дислокационных ячеек (сдпя). Возможность коротких перемещений свободных дислокаций внутри образовавшихся ячеек и полигонов уменьшает концентрацию внутренних напряжений, обеспечивая тем самым повышение вязкости разрушения материалов.
Положительное влияние на показатели прочности и трещиностойкости оказывает также упрочнение металлических сплавов выделениями дисперсных фаз (оф). Данный механизм успешно реализован при создании суперсплавов на никелевой основе, мартенситно-стареющих сталей, а также сплавов на основе алюминия (дюралюминов).
Наиболее эффективным дислокационным механизмом упрочнения металлических материалов длительное время считается упрочнение границами зерен (а3). При измельчении зеренной структуры методами, основанными на рекристаллизации в горячем состоянии, предел текучести материалов описывается зависимостью Холла - Петча:
Характерная особенность механизма зернограничного упрочнения связана с возможностью повышения не только прочности материала, но и его трещиностойкости. В последние десятилетия это обстоятельство пытаются использовать при разработке технологических процессов, основанных на интенсивной пластической деформации материалов в холодном состоянии. Полученные специалистами экспериментальные результаты в значительной степени изменили представления о потенциале анализируемого дислокационного механизма упрочнения. Обработка металлических материалов по технологии равнока 18 нального углового прессования (РКУП) позволила получить недосягаемые ранее значения предела текучести за счет измельчения зерен до наноразмерного состояния. В то же время следует отметить, что запас пластичности материалов при реализации процессов РКУП существенно снижается, несмотря на резкое измельчение зеренной структуры материалов.
Процессы, обеспечивающие измельчение зеренной структуры В предыдущем разделе отмечалось, что механизм зернограничного упрочнения можно активировать двумя способами: комплексным воздействием на структуру металлического сплава в результате термомеханической обработки или интенсивной пластической деформацией металлического материала в холодном состоянии.
Структурные преобразования в сталях при реализации методов термопластического воздействия
Проблемой получения металлических материалов с мелкозернистой структурой специалисты занимаются на протяжении долгого времени. В 60-х годах прошедшего столетия активно проводились работы по использованию прокатного нагрева для закалки сталей после заключительного обжатия заготовок в валках [5]. Вопросы измельчения зеренной структуры сталей, формирования их оптимальной дислокационной структуры подробно изучались при разработке технологии термического упрочнения проката научной школой под руководством академика К.Ф. Стародубова и других известных специалистов [6-8]. М.Л. Бернштейном с сотрудниками были изучены процессы насыщения деформируемого аустенита большим количеством несовершенств с последующим их переносом в конечную структуру (мартенсит) в процессе высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) [9].
Методы исследования структуры материалов
Эффективным технологическим процессом формирования слоистых композитов из тонколистовых стальных заготовок является сварка взрывом. Она обладает рядом характерных особенностей, определяющих ее важнейшие преимущества при создании материалов различного назначения. Под термином «сварка взрывом» понимают процесс соединения соударяющихся под некоторым углом металлических пластин, по крайней мере, одна из которых разгоняется до высоких скоростей продуктами детонации взрывчатого вещества [70]. Следует отметить, что взрывное нагружение необходимо лишь для ускорения тел друг относительно друга. Для этой же цели можно использовать, например, установки электромагнитного типа, пороховые пушки, технологию взрыва проводника при пропускании через него электрического тока [71-72].
Схемы реализации процесса сварки металлических материалов взрывом На сегодняшний день известно более 1200 схем сварки взрывом, используемых для получения металлических слоистых композиционных материалов [73-74]. Абсолютное большинство этих схем не нашло применения в промышленных или научных целях. Авторы работы [73] все технологические схемы разделяют на шесть основных типов:
Схема с параллельным расположением пластин, благодаря технологическим особенностям, дает возможность соединять большие по площади заготовки (до 20 квадратных метров) [76]. Заготовки, полученные таким образом, можно подвергать термической и термомеханической обработке, прокатке, гибке, штамповке и т.д. Угловые схемы обычно используются в экспериментальных целях и отличаются сложным характером изменения кинематических параметров. Рис. 1.12. Основные технологические схемы изготовления сваркой взрывом плоских биметаллических и многослойных слоистых композиционных материалов: а - плоско-параллельная; б, в - угловая с постоянным и переменным углом; г - одновременная плоско-параллельная; д - одновременная угловая; е - с последовательным навариванием слоев; ж - сварка волокнистых композиционных материалов; з, и - батарейные схемы [76] Многослойные композиционные материалы возможно получить, используя две схемы нагружения: с использованием подхода, предусматривающего установку двух симметрично расположенных зарядов взрывчатого вещества (рис. 1.12, з, и).
Расчет оптимальных режимов сварки взрывом представляет собой сложную многопараметровую задачу, которая решается как экспериментальными методами [77-76], так и посредством компьютерного моделирования [80].
Волокнистые металлические композиционные материалы также можно получать, используя сварку взрывом по плоскопараллельной схеме. При этом чередующиеся волокна матрицы располагаются между метаемой и неподвижной пластинами (рис. 1.12, ж) [81].
Как и при любом из существующих способов сварки давлением, в условиях сварки взрывом соединение образуется при сближении свариваемых поверхностей на расстояние, позволяющее проявляться силам межатомного взаимодействия и осуществлять обмен электронами между атомами, находящимися на взаимодействующих поверхностях.
Отличительной особенностью получаемых в результате сварки взрывом соединений является наличие волн в приконтактных объемах металлических заготовок. Их появление было отмечено уже в первых экспериментальных работах и некоторое время считалось, что именно волны ответственны за качество соединения. Однако в дальнейшем в работах многих специалистов было показано, что волнообразование не является обязательным условием получения качественного соединения. В некоторых случаях сварные швы имеют абсолютно прямую геометрию и в то же время обладают максимальной прочностью. Тем не менее, изучению процессов волнообразования посвящено большое количество работ. Это явление рассматривалось с физической [82-85], феноменологической [86-90], математической [91-92] и материаловедческой [93] точек зрения. Наиболее часто цитируемый механизм волнообразования описан в работе [94]. Наблюдая за волнами, формирующимися в процессе столкновения струи воды и мягкой пасты, A. Bahrani, Т. Black и В. Crossland предположили, что при взаимодействии с поверхностью пасты водная струя разделяется на две части (рис. 1.13, а). Из-за высокой скорости струи в точке торможения возникает сильное давление, приводящее к тому, что материал на краю впадины выжимается вверх и сдвигается. Таким образом, сдвигающийся материал стремится к накоплению в виде бугра перед точкой соударения. По мнению авторов обсуждаемого механизма, бугор формируется за счет совместного действия падающей струи на неподвижную и высокой скорости сдвига обратной струи относительно основной. Его увеличение должно быть связано с деформацией основы (рис. 1.13, б). Бугор также движется вниз по потоку с некоторой скоростью и в определенный момент времени давление сзади бугра переносит его вверх по потоку (рис. 1.13, в). В конечном счете, бугор блокирует обратную струю, предварительно отклонив ее в основную (рис. 1.13, г-е). Когда обратная струя соударяется с бугром, она сдвигает часть его, формируя «хвост» [94].
Блокированная обратная струя формирует вихрь сзади бугра, в котором в результате перехода энергии из кинетической в тепловую происходит значительный разогрев материала. Температура является достаточной для развития фазовых превращений, а в некоторых случаях даже для оплавления металла. Когда обратная струя полностью заблокирована, точка торможения начинает двигаться от впадины к гребню, деформируя его.
При дальнейшем движении струи вниз по склону бугра она увеличивается в результате возрастания угла наклона между струей и соответствующей стороной бугра, однако ее скорость уменьшается. На этом этапе образуется второй вихрь. Оставшаяся часть обратной струи образует новый бугор, практически повторяя описанную выше картину.
Характеристики материалов, используемых при моделировании
В ходе выполнения диссертационной работы особое внимание уделялось структурным исследованиям материалов на различных стадиях формирования слоистых композиций [188-192]. Работа выполнена с использованием методов оптической металлографии, растровой и просвечивающей электронной микроскопии, а также рентгенофазового анализа. Результаты структурных исследований представлены ниже.
Структура исходных сталей, зафиксированная в ходе металлографических исследований, представлена на (рис. 4.1). Средний размер зерна в инструментальной стали 5ХВ2С составлял 34 мкм. Сталь 12Х18Н10Т находилась в мелкозернистом состоянии с размером зерна аустенита 9 мкм. Размер зерна феррита в стали 20 был равен 11 мкм.
Исследование фазового состава исходных материалов
Методом спектрального анализа в образцах из стали 12Х18Н10Т установлено присутствие следующих элементов: Fe, С, Мп, Si, Ni, Сг, Си, Ті и Al; в образцах из 5ХВ2С - Fe, С, Мп, Si, Ni, Сг. Исследование фазового состава выполняли с учетом возможности образования в анализируемых материалах соединений из указанных элементов. На дифракционных картинах исходного отожженного образца стали 5ХВ2С зафиксировано присутствие сильных отражений, по своему положению соответствующих ОЦК-железу [193].
Анализ слабых отражений позволил предположить присутствие в материале карбидной фазы М С , в которой функцию элемента М могут выполнять железо, хром и марганец (рис. 4.2, а). Анализ дифракционных картин исходной пластины из стали 12Х18Н10Т свидетельствует о наличии ГЦК-железа [194] и повышенной для данной стали концентрации ОЦК-железа [193] (рис. 4.2, б).
Особенности строения многослойных материалов, полученных по технологии сварки взрывом тонколистовых стальных заготовок
Методом сварки взрывом могут быть получены разнообразные биметаллические и многослойные композиционные материалы с высокими прочностными свойствами, коррозионной стойкостью, жаропрочностью. Свойства композиционных материалов определяются их строением на различных масштабных уровнях. В связи с этим в работе был проведен комплекс структурных исследований, позволивших выявить особенности строения многослойных материалов из разнородных сталей и объяснить их поведение в различных условиях внешнего нагружения. В качестве объектов исследования использовались композиции типа «сталь 20 - сталь 12Х18Н10Т» и «сталь 5ХВ2С - сталь 12Х18Н10Т».
Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, бьши изготовлены образцы, состоящие из 13 слоев чередующихся стальных пластин. При реализации технологических режимов сварки в образцах бьши сформированы сварные швы различной конфигурации. На рис. 4.3 и 4.4 представлена структура композиционных материалов, полученных путем одно- и двухэтапной сварки пластин толщиной 1 мм.
Большая часть сварных швов слоистых материалов имела волнообразную форму, отличающуюся по своим параметрам (в соответствии с изменением углов соударения и масс пластин, присоединенных в процессе сварки).
Строение композита, состоящего из 13 чередующихся слоев стали 12Х18Н10Т (светлые слои) и стали 5ХВ2С (темные слои) в поперечном сечении, ориентированном вдоль скорости точки контакта: а - химическое травление (ниталь); б - электролитическое травление Параметры волн (длина X и амплитуда А) сварных швов представлены в табл. 4.1 и табл. 4.2. Отношение А/Х в некоторых швах значительно отличалось от значений 0,14...0,3 [195]. Дифрактограммы, снятые с многослойных пакетов, полученных методом сварки взрывом пластин сталей 5ХВ2С и 12Х18Н10Т, а также сталей 20 и 12Х18Н10Т, не имеют отражений, соответствующих новым фазам, по сравнению с исходными исследуемыми образцами (рис. 4.5).
Измерение микротвердости в поперечном к плоскости соединения пластин направлении является одним из наиболее простых способов оценки механических свойств сварных швов и прилегающих к ним зон. Первоначально были проанализированы дорожки уколов, выполненных алмазным индентором через весь образец. Замеры проводились по схеме, представленной на рис. 4.6.
Экспериментально установлено, что в процессе динамического взаимодействия стальных заготовок пластина из нержавеющей стали упрочняется в большей степени. Причина этого связана с более высокой по сравнению со сталями 20 и 5ХВ2С температурой рекристаллизации. В процессе сварки взрывом такая температура поддерживалась кратковременно, что оказалось недостаточным для развития рекристаллизации в хромоникелевои стали.
Повышенный уровень микротвердости, зафиксированный при индентировании центральных слоев, является следствием деформационного упрочнения стали, имеющего место при косом соударении пластин. Деформация была так велика, что образовавшиеся волны сварных швов имели амплитуду, соизмеримую с толщиной соединяемых пластин (рис. 4.3). Именно в этой области значения микротвердости достигают 9000 МПа. 2000 " 1 SOD S 1600- ж -ОЦК-Fe 1400Детально была измерена микротвердость материалов поперек слоев в направлениях, проходящих через гребни и впадины волн (рис. 4.7, а, б). Различные значения микротвердости на разных участках сварных швов обусловлены неоднородностью их пластической деформации. Согласно металлографическим исследованиям участки металла, расположенные во впадинах волн, деформированы в большей степени, чем на гребнях. Наблюдаемые отклонения микротвердости от средних значений можно объяснить внедрением индентора в более твердую перлитную составляющую.
Структура слоистых композиционных материалов, сформированных в процессе сварки взрывом, неоднородна (рис. 4.8; рис. 4.9). В исследуемых пакетах наблюдаются деформационно упрочненные микрообъемы металла, участки локализованной пластической деформации, зоны расплава, области с рекри-сталлизованной структурой, геометрическая неоднородность профиля сварного шва.
Различия формы швов в объеме композитов (рис. 4.8, а, б) свойственны всем сварным соединениям вследствие нестабильности деформационных процессов в направлении, перпендикулярном вектору скорости сварки. Непровары (рис. 4.8, в) обнаружены в местах, где энергия соударения достигала максимума. На этих участках происходило оплавление материала, однако из-за недостаточного времени взаимодействия прочного соединения между пластинами не возникло.
Особенности структуры аустенитной стали, деформированной в процессе сварки взрывом
В результате пластической деформации, развивающейся при высокоскоростном динамическом взаимодействии свариваемых заготовок, происходит увеличение предела прочности материалов. В случае соединения сваркой взрывом пластин из стали 20 и стали 12Х18Н10Т предел прочности композита составил 760 МПа, что в 2,4 раза выше по сравнению с исходной сталью 20 и в 1,5 раза выше по сравнению с исходной сталью 12Х18Н10Т. Предел текучести при этом увеличился в 2,1 и 1,1 раза соответственно. При получении сварного соединения «сталь 5ХВ2С - сталь 12Х18Н10Т» предел прочности многослойного материала увеличился в 1,7 раза по сравнению со сталью 5ХВ2С и в 2,3 раза по сравнению со сталью 12Х18Н10Т, предел текучести возрос в 2,6 и 5,1 раз соответственно. Проведенная на заключительном этапе закалка с низким отпуском композита «сталь 5ХВ2С - сталь 12Х18Н10Т» привела к увеличению предела прочности на 4 % по сравнению с незакаленными композиционными образцами. При этом предел текучести возрос на 6 %. Во всех рассматриваемых случаях при использовании технологии сварки взрывом происходило существенное снижение относительного удлинения образцов. Результаты испытаний приведены в таблице 5.1 и на рис. 5.3 и 5.4.
Особенности разрушения композита «сталь 20 - сталь 12Х18Н10Т» в условиях статического нагружения: а - сварной шов; б - участки с литой структурой в стали 20; в - ямочное строение излома стали 12Х18Н10Т; г - «мостики» , соединяющие пластины из стали 20 и стали 12Х18Н10Т в процессе сварки взрывом. Поверхность излома аустенитной стали характеризуется наличием ямок различного диаметра ( 0,7 ... 20 мкм). Различие размеров ямок связано с наличием на их дне включений различных размеров и формы (рис. 5.5, в).
Растровая электронная микроскопия позволяет выявить места расположения вихревых зон (рис. 5.5, б). Дендритная структура совместно с крупными порами способствует хрупкому разрушению композита. В центральной части пакета зафиксировано образование «мостиков», соединяющих пластины из сталей 20 и 12Х18Н10Т (рис. 5.5, г). Присутствие таких элементов структуры указывает на наличие участков с высоким качеством соединения пластин из разнородных сталей.
Поверхность разрушения слоев из стали 5ХВ2С носит хрупкий характер. Размер фасеток скола соответствует размеру зерен. На поверхности разрушения обнаружены участки с гладкой поверхностью. Причина их образования связана с образованием и развитием полос адиабатического сдвига в процессе взрывного нагружения (рис. 5.6, б).
При статическом нагружении закаленного и низкоотпущенного соединения «сталь 5ХВ2С - сталь 12Х18Н10Т» слои инструментальной стали разрушаются с образованием изломов типа «конус - чашка». При прохождении трещины через вихревые участки наблюдается хрупкое разрушение материала (рис. 5.6 г).
Ударная вязкость слоистых материалов, сформированных в процессе сварки взрывом тонколистовых заготовок из разнородных сталей
Способность материала поглощать механическую энергию в процессе его деформации и разрушения под действием ударных нагрузок в значительной степени определяет уровень Особенности разрушения композита «сталь 5ХВ2С - сталь 12Х18Н10Т»: а,б - после сварки; в, г - после сварки с последующей закалкой и низким отпуском хрупкому разрушению и возможность работать в условиях динамического нагружения [211]. В связи с этим в работе особое внимание уделялось оценке ударной вязкости слоистых материалов, полученных по технологии сварки взрывом. Объектами исследования служили тринадцатислойные соединения «сталь 12Х18Н10Т - сталь 20» после сварки, «сталь 12Х18Н10Т - сталь 5ХВ2С» после сварки и «сталь 12Х18Н10Т - сталь 5ХВ2С» после закалки и низкого отпуска. Как и в случае испытаний на растяжение, анализировали образцы шести типов: - образцы отожженной стали 20; - образцы стали 12Х18Н10Т; - образцы стали 5ХВ2С; - образцы, состоящие из 13 чередующихся пластин стали 12Х18Н10Т и стали 20; - образцы, состоящие из 13 чередующихся пластин стали 12Х18Н10Т и стали 5ХВ2С в состоянии после сварки; - образцы, состоящие из 13 чередующихся пластин стали 12Х18Н10Т и стали 5ХВ2С в состоянии после закалки и отпуска при 200 С. Динамические испытания были проведены при комнатной температуре на копре типа MetroCom. Полученные результаты представлены в табл. 5.2, на рис. 5.7 и 5.8.
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что сварка взрывом тонких пластин из сталей 20 и 12Х18Н10Т позволяет повысить ударную вязкость сварных композитов в 1,6 раза по сравнению с исходной углеродистой сталью (до 1,25 МДж/м ). Однако данный показатель в 1,7 раза ниже, чем у хромоникелевой стали. В случае сварного соединения, состоящего из чередующихся слоев стали 5ХВ2С и стали 12Х18Н10Т, ударная вязкость примерно в 1,5 раза выше по сравнению с отожженой сталью 5ХВ2С. В то же время это в 2,5 раза ниже аналогичного показателя для хромоникелевой стали. Термическая обработка многослойного материала из инструментальной и аустенитной сталей позволила повысить показатель ударной вязкости в 1,5 раза по сравнению с термически необработанным сварным соединением.
В зонах разрушения слоев из стали 20 наблюдаются признаки наличия перлитных колоний, имеющих типичное пластинчатое строение. В центральной части сваренного взрывом пакета зафиксированы области с мелкой рекристаллизованнои структурой, разрушившиеся по вязкому механизму с образованием ямок размером 1 мкм, что в 10 раз меньше, чем в материале основных слоев. Формирование такой структуры обусловлено разупрочняющим действием тепла, выделяющегося при интенсивной пластической деформации стали. В процессе сварки взрывом, система переходит в неравновесное состояние с образованием множества дефектов кристаллического строения. По этой причине рекристаллизация и полигонизация металла при его последующем нагреве развивается весьма интенсивно.
В ходе фрактографических исследований в местах сопряжения стальных пластин обнаружены обширные области расплавленного металла с характерной дендритной структурой (рис. 5.10). Их образование обусловлено высокими значениями кинетической энергии симметрично метаемых стальных пластин. В местах максимальной концентрации энергии произошло оплавление материала. Однако из-за малого времени взаимодействия прочное соединение пластин образоваться не успело.
