УДК 620.18:620,17
Повышение ударной вязкости стальных слоистых композиционных материалов, полученных методом сварки взрывом тонколистовых заготовок
, ,
Кафедра «Материаловедение в машиностроении,
Новосибирский государственный технический университет
*****@***ru
Одной из главных задач, стоящих перед современным материаловедением, является разработка металлических материалов, обеспечивающих высокую прочность, надежность и долговечность. Слоистые комозиционные материалы, полученные сваркой взрывом, находят применение в таких отраслях промышленности, как химическое машиностроение, нефтегазовая промышленность, электротехническая промышленность, алюминиевая промышленность, авиа– и ракетостроение, судостроение, и др. Основной отличительной чертой такого рода материалов является высокий уровень их физико-механических свойств, что в конечном счете положительно сказывается на эксплуатационных качествах или технологичности различных машин и механизмов.
Композиционный материал, связанный тонкими сварными швами, образующимися в процессе динамического взаимодействия заготовок, обладает механическими свойствами, которые даже в случае соединения одинаковых материалов, выгодно отличаются от свойств исходных материалов. Это объясняется различным характером поведения трещин при пересечении ими материала пластины и зоны сварного шва. Это, в свою очередь, должно соответствующим образом отразиться на уровне ударной вязкости сваренных взрывом слоистых композитов.
Целью настоящей работы являлось изучение структуры и прочности слоистых материалов, полученных сваркой взрывом тонких заготовок листовой стали. Исследовались слоистые композиты трех типов: "сталь 20 - сталь 20", "сталь 20 - сталь 60Г", "сталь 60Г - сталь 60Г". Толщина стальных пластин в исходном состоянии была равна 1 мм. Сталь 20 имела ферритно-перлитную структуру с перлитом пластинчатого типа. Сталь 60Г находилась в ферритно-цементитном состоянии, частицы цементита имели сферическую форму и были равномерно распределены в ферритной матрице.
Сварка взрывом композиции из тринадцати слоев стали 20 была выполнена в два этапа. На первом этапе получил пятислойный композит. На втором - к получившемуся пакету симметрично с двух сторон приваривали еще по четыре пластины. Сварка композиции из разнородных сталей проводилось также в два этапа по симметричной схеме. Для изготовления каждого образца были использованы 4 пластины стали 20 и 5 пластин стали 60Г. На первом этапе к неподвижной центральной пластине симметрично с двух сторон приваривали по две пластины. На втором этапе все параметры соударения сохранялись, только в качестве неподвижной центральной пластины использовали пятислойный композит сваренный взрывом на первом этапе. Аналогичным образом получали композиты из девяти слоев стали 60Г.
Металлографический анализ выявил наличие характерной слоистой структуры со сварными швами преимущественно характерной волнообразной формы. Отношение амплитуды к длине волны в некоторых соединениях значительно отличалось от значений 0,14 ч 0,30, описанных в работе .
Научный руководитель – д. т.н., профессор
Рис. 1. Общий вид сварных швов композиции «сталь 20 – сталь 20» и
«сталь 20 – сталь 60Г»
Параметры волн в композите из 13 слоев стали 20
| Параметры волн в композите из 9 слоев стали 20 и стали 60 Г
|
Для проведения испытаний на ударную вязкость использовали образцы с надрезами U-образного типа. Испытания были проведены на копре Metro Сom 06103300 при комнатной температуре. Экспериментально установлено, что степень влияния сварных швов на величину ударной вязкости слоистого композита зависит от схемы нагружения образцов. Максимальный эффект достигается в том случае, если нагрузка перпендикулярна плоскости сопряжения пластин. Разрушение образцов по схеме, при которой нагрузка перпендикулярна плоскости сопряжения слоев, сопровождается меньшими затратами энергии.
Экспериментальные данные, приведенные на рис. 2, свидетельствуют о том, что прочный материал с низкой пластичностью (сталь 60Г), сваренный взрывом с пластичным материалом (сталь 20), не оказывает заметного отрицательного воздействия на ударную вязкость полученного слоистого композита.
Рис. 2. Ударная вязкость сталей 20, 60Г и многослойных композитов.
Увеличение ударной вязкости слоистых композитов по сравнению с однородными материалами объясняется благоприятным влиянием сварных швов. Фрактографические исследования композитов типа «сталь 20 – сталь 20» показали, что разрушение внутренних объемов сваренных взрывом листов происходит по хрупкому механизму с малыми затратами энергии, о чем свидетельствует наличие плоских фасеток скола, слабая развитость поверхности излома. Однако в зонах разрушения сварных швов наблюдаются признаки вязкого расслоения материала по поверхностям соединения листовых заготовок. Значительная часть изломов в окрестности сварных швов также имеет развитую поверхность в форме чашек, на образование которой затрачивается повышенное количество энергии.
При прохождении через трещины через области высокопрочного материала, содержащих вихри, можно наблюдать особенности тонкого строения этих областей. Внутри многих вихрей обнаружены пустоты - раковины с характерной поверхностью (в виде гроздей винограда), состоящие из мелких одноосной дендритов. Однако, хоть дюраметрические испытания и отнесли данные элементы к высокопрочным, малый размер и структурные особенности объясняют развитость поверхности разрушения образцов.
Рис. 3.Поверхность разрушения внутренних объемов и зоны сопряжения пластин в композите сталь 20 – сталь 20
Рис.4. Форма дна раковины, зафиксированной внутри вихревой зоны в композите сталь 20 – сталь 20
Таким образом, несмотря на присутствие в швах высокопрочных быстро закаленных микрообъемов с высокими значениями твердости, наличие множества швов волнообразной конфигурации способствует росту ударной вязкости слоистых образцов.
Однако, ударную вязкость полученных композиций можно дополнительно повысить. Проведение отжига увеличивает данную характеристику в 1,5 раза (с 0,98 МДж/м2 до 1,48 МДж/м2 в случае композита "сталь20 - сталь 20").
Литература
1. Дерибас упрочнения и сварки взрывом. / . // Новосибирск: Наука,
- 1980. – 122 с.
