Исследование механических характеристик многослойного композиционного материала

УДК 669.187

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

М.А. Матвеева, А.Н. Аникеев, И.В. Чуманов

Описаны технологические параметры получения композиционного материала с многослойной структурой методом электрошлакового переплава с введением углеродсодержащего компонента. Приведены данные механических испытаний многослойной литой композиции. Проанализированы механические свойства материала.

Ключевые слова: композиционный материал, многослойная структура, электрошлако-вый переплав, технология получения, механические свойства.

В ранних работах [1-3] авторами рассматривалась возможность получения слоистого композиционного металлического материала жидкофазным способом и были приведены данные о структурных особенностях полученного экспериментального материала [4]. Дальнейшие исследования велись в направлении изучения механических свойств материала и поиска возможных сфер применения.

Отобранный из опытной партии слиток химического состава: С - 0,4-1,6 %, Si - 0,5 %, Мп - 0,25 %, Сг - 10,5 %, полученный в результате электрошлакового переплава с присадкой наугле-роживателя, после обдирки и отжига отковали на квадрат 20 мм. После чего проводилась торсиров-ка кованого прутка, затем ковка на круг 16 мм и термическая обработка по режиму отжига (нагрев до температуры 1030-1050 °С, выдержка при этой температуре в течение 2 часов и охлаждение с печью).

Также часть опытных образцов была закалена - нагрев до 1050 °С, охлаждение в масле, нагрев до 400 °С, выдержка при этой температуре в течение 2 часов.

Испытаниям подвергались образцы двух групп: первая - продольные образцы после отжига; вторая - продольные образцы после отжига и закалки.

Опытные образцы были подвергнуты следующим испытаниям: испытание на растяжение производили на разрывной машине типа УТС 110М-5 по ГОСТ 1497-84; испытание на ударную вязкость производили на маятниковом копре типа ИО 5003-0,3; для определения твердости использовался твердомер ТР-5014. Результаты испытаний приведены в таблице.

Анализируя приведенные в таблице данные, можно сделать следующие выводы по свойствам изучаемого экспериментального материала: во-первых, условный предел текучести близок к пределу прочности, из чего следует возможность применения материала в широком диапазоне нагрузок и деформаций без снижения его рабочих характеристик; во-вторых, в материале сочетаются такие характеристики, как высокая твердость и высокая пластичность.

Металлический композиционный материал имеет выраженную слоистую структуру с плавным переходом от структуры одного слоя к структуре другого и достаточно высокие показатели по механическим свойствам. Чередование высоко- и низкоуглеродистых слоев создает так называемое армирование материала. При ударе высокоуглеродистые слои препятствуют проникновению инородного тела вглубь материала, а низкоуглеродистые - гасят инерцию удара. Исходя из этого, можно рекомендовать использование данного материала для производства брони. Основными требованиями, предъявляемыми к броне, являются высокая стойкость (сопротивляемость воздействию пуль и снарядов, что достигается за счет армирования материала высоко- и низкоуглеродистыми слоями) и живучесть (способность не разрушаться при многократных попаданиях снарядов). В целом механические показатели материалов для производства брони должны находиться на высоком уровне.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что полученный композиционный материал обладает явным преимуществом в сравнении с однородным материалом. Это преимущество обусловлено наличием слоистой структуры и

Механические свойства экспериментального многослойного материала

Режим термической обработки ст0,2, МПа СТв, МПа §5, % же НВ кеи, Дж/см2

Отжиг 1030 °С, охлаждение с печью 1011 1043 12 62 625 15

Отжиг 1030 °С, охлаждение с печью; закалка 1050 °С, охлаждение в масле, отпуск при 400 °С 1259 1287 9 65 677 20

Краткие сообщения

проявляется в предотвращении выкрашивания более хрупкой составляющей в процессе эксплуатации готового изделия за счет удержания ее в более пластичной вязкой матрице (явление армирования), а также реализацией преимуществ каждого из составляющих композицию компонентов. Полученный экспериментальный металлический композиционный материал обладает достаточно высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и может быть применен для изготовления деталей, к которым предъявляются требования высокой твердости и износостойкости, режущего инструмента различного назначения, в том числе для изготовления холодного оружия, брони.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 12-08-31129, а также при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.0444.

Литература

1. Чуманов, И.В. О возможности получения слоистого композиционного материала жидкофазным способом / И.В. Чуманов, В.И. Чуманов, М.А. Матвеева // Вест. Юж.-Урал. гос. ун-та. Сер. «Металлургия». - 2012. - Вып. 19, № 39 (298). -С. 28-30.

2. Чуманов, И.В. Особенности жидкофазного получения слоистого материала / И.В. Чуманов, В.И. Чуманов, М.А. Матвеева // Металлургия машиностроения. - 2012. - № 2. - С. 11-14.

3. Чуманов, И.В. Нетрадиционное получение композиционных, слоистых заготовок для режущего инструмента методом ЭШП /И.В. Чуманов, В.И. Чуманов // Электрометаллургия. - 2009. -№ 10. - С. 11-14.

4. Чуманов, И.В. Исследование композиционного материала с многослойной структурой полученного методом электрошлакового переплава / И.В. Чуманов, В.И. Чуманов, М.А. Матвеева // Электрометаллургия. -2011. — № 9. - С. 35-38.

Матвеева Мария Андреевна, аспирант кафедры общей металлургии, Южно-Уральский государственный университет, филиал в г. Златоусте. 456209, Челябинская обл., г. Златоуст, ул. Тургенева, 16. Тел.: (3513)665829. E-mail: 26mist26@mail.ru.

Аникеев Андрей Николаевич, аспирант кафедры общей металлургии, Южно-Уральский государственный университет, филиал в г. Златоусте. 456209, Челябинская обл., г. Златоуст, ул. Тургенева, 16. Тел.: (3513)665829. E-mail: anikeev-ml@mail.ru.

Чуманов Илья Валерьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой общей металлургии, Южно-Уральский государственный университет, филиал в г. Златоусте. 456209, Челябинская обл., г. Златоуст, ул. Тургенева, 16. Тел.: (3513)665829. E-mail: chiv71@susu.ac.ru.

Bulletin of the South Ural State University

Series “Metallurgy" ___________2013, vol. 13, no. 2, pp. 151-153

MECHANICAL CHARACTERISTICS OF A MULTILAYER COMPOSITE MATERIAL

M.A. Matveeva, South Ural State University, Zlatoust Branch, Zlatoust, Chelyabinsk region, Russian Federation, 26mist26@mail.ru,

A.N. Anikeev, South Ural State University, Zlatoust Branch, Zlatoust, Chelyabinsk region, Russian Federation, anikeev-ml@mail.ru,

I. V. Chumanov, South Ural State University, Zlatoust Branch, Zlatoust, Chelyabinsk region, Russian Federation, chiv71@susu.ac.ru

The technological parameters of production of a composite material with a multilayer structure by electro-slag remelting with the introduction of the carbon component are described. The data of mechanical tests of multilayer cast composition are presented. Mechanical properties of the material are analyzed.

Keywords: composite material, multilayered structure, electroslag remelt, production technology, mechanical properties.

152

Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия»

Матвеева М.А., Аникеев А.Н., Чуманов И.В.

Исследование механических характеристик многослойного композиционного материала

References

1. Chumanov I.V., Chumanov V.I., Matveeva M.A. The Possibility of Obtaining a Layered Composite by Liquid-Phase Method [O vozmozhnosti polucheniya sloistogo kompozitsionnogo materiala zhidkofaznym sposo-bom]. Bulletin of the South Ural State University. Series “Metallurgy”, 2012, no. 39, issue 19, pp. 15-18.

2. Chumanov I.V., Chumanov V.I., Matveeva M.A. Features of the Liquid-Phase Production of a Laminate [Osobennosti zhidkofaznogo polucheniya sloistogo materiala]. Metallurgiya mashinostroeniya, 2012, no. 2, pp. 11-14.

3. Chumanov I.V., Chumanov V.I. Unconventional Production of Composite, Laminated Blanks for Cutting Tools by ESR [Netraditsionnoe poluchenie kompozitsionnykh sloistykh zagotovok dlya rezhushchego instrumenta metodom EShP]. Elektrometallurgiya, 2009, no. 10, pp. 11-14.

4. Chumanov I.V., Chumanov V.I., Matveeva M.A. Investigation of the Composite Material with a Multilayer Structure Obtained by Electroslag Remelting [Issledovanie kompozitsionnogo materiala s mnogosloynoy struktu-roy, poluchennogo metodom elektroshlakovogo pereplava]. Elektrometallurgiya, 2011, no. 9, pp. 35-38.

Поступила в редакцию 12 сентября 2013 г.