СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ОБРАЗОВАНИЕ НОВЫХ ФАЗ
В алюминиИ ПРИ ВЗРЫВНОМ ЛЕГИРОВАНИИ МИКРОПОРОШКОМ КАРБИДА КРЕМНИЯ
1, 1, 2,
1Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет», г. Днепропетровск, Украина;
Е-maiI: *****@***ru
2Белорусский национальный технический университет;
Е-maiI: Sheryl@пеwmаil. ru
Алюминий и его сплавы находят широкое применение в промышленности. Возможности для использования этих материалов при создании деталей конструкций, элементов электрических сетей и электроники хорошо известны. Однако возможности придания новых свойств или качественного повышения свойств этих материалов путем легирования при литье или методами традиционной металлургии практически исчерпаны [1]. Поэтому представляется актуальной реализация процесса, позволяющего получить детали из этих материалов с формированием новой нано- и микроструктуры.
Цель работы – установить физические особенности изменения структуры и свойств алюминия и его сплавов в условиях взрывного легирования в режиме сверхглубокого проникания.
Экспериментальные результаты. Эксперименты проводились в соответствие с методикой [2]. Взрывное легирование алюминия и его сплавов осуществлялось в режиме сверхглубокого проникновения микрочастиц карбида кремния в алюминиевую преграду. Особенность схемы легирования заключалась в формировании потока микрочастиц взрывом кумулятивного заряда ВВ. Сформированный поток микрочастиц, летящих со скоростью 800 … 3000 м/с, направлялся к обращенной к этому потоку поверхности алюминиевой преграды.
Механизм сверхглубокого проникновения твердых микрочастиц в металлы обсуждался во многих работах, однако ни одна из гипотез не объясняет всего комплекса наблюдаемых эффектов. Наиболее вероятно, что сверхглубокое проникновение обусловлено главным образом скачкообразным уменьшением вязкости материала мишени (до значения вязкости плотного газа) на границе микрочастицы с материалом преграды. В этом случае свойства материала преграды для реализации проникновения микрочастицы на сверхбольшие глубины (более 1000 калибров микрочастицы) значения не имеют. С этой точки зрения прогрессивной концепцией является межграничная плазма, образование которой инициировано трибоэлектрическими зарядами на поверхностях микрочастиц [2,3].
В результате исследований было установлено, что алюминиевая преграда толщиной 0,1 м останавливает поток микрочастиц карбида кремния (фракция 10…100 мкм). Использование же в качестве материалов защитных преград сплавов алюминия с кремнием и цинком потребовало для достижения той же цели толщин 0,16…0,18 м. Известно, что статическая и динамическая прочность алюминиевых сплавов заметно выше, чем те же характеристики технического алюминия.
В результате прохождения каждой микрочастицы в микроструктуре преграды комплексом металлофизических исследований установлены зоны структурных и фазовых превращений – так называемые канальные зоны, которые существенно отличались от исходного материала преграды своими физико-химическими характеристиками (износостойкость, электрохимический потенциал, отражательная способность, плотность, электрическое сопротивление, пластичность и др.)
Специфической особенностью явления сверхглубокого проникновения является то, что энергия выделяется в локальных участках преграды в процессе проникновения микрочастицы. Плотность энергии в этих участках может изменяться в пределах 109 … 1018 Дж/м в интервале 10-8 … 10-5 с. Материал в канальных зонах теряет структурную устойчивость [4].
Сверхглубокое проникновение в алюминии и его сплавах сопровождается потоками высокоэнергетических ионов с энергией единичного иона 100 Мэв и более [5]. Одновременное воздействие высокого давления, интенсивной деформации и потока высокоэнергетических ионов стимулирует возникновение в локальных зонах новых фаз, образование которых в других физических условиях, в том числе и при взрывной обработке (сварка, упрочнение) невозможно. При этом новообразованные структурные элементы, как правило, являются наноразмерными.
Анализ полученных результатов. На основании расчета экспериментальных данных [5] установлено, что в локальных объемах фаза высокого давления имеет плотность ρ = 1,89⋅103 кг/м3, а отношение плотностей фаз низкого (ρН) и высокого давления (ρВ) составляет ρН/ρВ = 0,702. Подобное уменьшение плотности фазы высокого давления до настоящего времени наблюдалось исследователями в США и СССР только для тория и урана. Экспериментов было установлено, что фаза высокого давления в сплаве АК12 имеет плотность меньше чем исходная – ρН/ρВ = 0,534 или составляет 53,2% от исходной плотности сплава.
Отношение плотностей исходных фаз в алюминии и алюминиевом сплаве АК12 составляет ρА1 / ρАК12 =1,0188: Отношение плотностей фаз высокого давления составляет ρ1 А1 / ρ1 АК12 = 1, 3403.
Исследования структурных изменений в алюминиевой преграде показали, что после импульсного воздействия в объеме возникла структура композиционного материала. Объемная перестройка алюминиевой преграды приводит к резкому изменению ее физико-механических свойств. На основе технического алюминия (А7) получен композиционный материал с электрическим сопротивлением во взаимно перпендикулярных направлениях, отличающимся в 2 раза, рис.
Сравнение электрического сопротивления композиционных образцов литого алюминия производилось относительно исходного материала.
Поперек образца. Исходный – ρ0 = 5,279·10–6 Ом⋅см, композит – ρ = 4,419·10–6 Ом⋅см. Тогда ρ/ρ0 = 0,835. Таким образом, ρпопер. после обработки снизилось на 16,4 %.
Вдоль образца. Исходный – ρ0 = 6,427⋅10–6 Ом⋅см, композит – ρ = 9,089⋅10–6 Ом⋅см. Тогда ρ/ρ0 = 1,412. Электрическое сопротивление после обработки увеличилось на 41,26 %. Изменение электрического сопротивления в продольном сечении происходит неравномерно.
В исходном литом алюминии ρ0.прод./ρ0.попер. = 1,217. Таким образом, превышение электрического сопротивления в продольном направлении относительно поперечного составляет 21,74%. Разность же величины электрического сопротивления композита в поперечном направлении выше, чем в продольном на 105,8%.
Исходная структура алюминия оказалась армированной линейными волокнами по объему на 5…10%. Плотность волокон в средней части алюминиевой мишени составляет 540…1200 мм–2. Химический состав этих зон мало отличается от состава исходного материала преграды, однако существенно отличается по своим физико-химическим свойствам. В так называемых канальных зонах наблюдается возникновение наноструктуры, легированной материалом проникающих микрочастиц. Масс-спектрометрический анализ этого участка показал, что в нем содержится до 3 % масс. Si.
Рисунок. Характер изменения электрического сопротивления
литого алюминия после импульсной обработки в режиме СГП
Отличием ударно-волновой обработки исследуемых материалов в режиме сверхглубокого проникания является специфическое увеличение воздействия динамических нагрузок на микроструктуру материала. Пластичность сплава АК12 после обработки увеличилась в 4…5 раз за счет зон с новообразованной структурой и новыми фазами (канальных зон).
В заключение отметим, что при длительном (200 – 300 мкс) ударно-волновом воздействии в металлических мишенях создаются условия дополнительного энергетического насыщения структурного пространства. В состоянии дестабилизации и приобретенного запаса дополнительной внутренней энергии микроструктура металла приобретает новые физические свойства. Например, способность "легко" выделять часть внутренней энергии на активизацию и значительное увеличение масштаба физико-химических превращений, стимулированных проникающими в металл твердыми микрочастицами и высокоэнергетическими тяжелыми ионами. Металлическая мишень в результате таких воздействий оказывается пронизанной линейными каналами (зонами) на глубину до 200 мм, образованными нанокристаллическими фазами и новыми структурами. Формирование таких структур в материале мишеней происходит вдоль траектории движения твердых микрочастиц и высокоэнергетических ионов, устойчиво регистрируемых в режиме сверхглубокого проникновения.
В режиме СГП не соблюдается известная зависимость глубины проникновения (пробивания) от исходной прочности материала преграды.
Показана целесообразность использования СГП, в качестве эффективного инструмента для определения динамических параметров и изменения структуры и свойств алюминия и его сплавов, в частности электрической проводимости.
Литература
1. , , Ливанов и терми-ческая обработки цветных металлов и сплавов. – М.: МИСИС, 1999, – 416 с.
2. , , Губенко механизм сверхглубокого проникания микрочастиц в твердые фазы // Науковий вісник НГА України. – 1998. – № 3. – С. 62-65.
3. , Ушеренко плазмы в ударно-волновых процессах // Физика и техника высоких давлений. – 2005. – Т. 15, № 2. – С. 86-95.
4. Оценка динамических параметров алюминия и его сплавов / , , и др. // Импульсная обработка материалов: Сб. научных трудов. – Днепропетровск: Национальный горный университет, 2005. – С. 3-9.
5. Современные представления о комплексе физических эффектов в условиях сверхглубокого проникания / , , // Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. Труды международной конференции YII Харитоновские тематические научные чтения. – Саров, 2005.– С. 520-525.
