Поверхность раздела при сварке взрывом: разлет частиц, локальное расплавление, перемешивание

УДК 621.791.12:539.25

ПОВЕРХНОСТЬ РАЗДЕЛА ПРИ СВАРКЕ ВЗРЫВОМ: РАЗЛЕТ ЧАСТИЦ, ЛОКАЛЬНОЕ РАСПЛАВЛЕНИЕ, ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

© Б. А. Гринберг, М. А. Иванов, А.В. Плотников

Ключевые слова: сварка взрывом; фрагментация; плавление; перемешивание; взаимная растворимость; коллоидный раствор.

Фрагментация при сварке взрывом рассматривается как аналог фрагментации при взрыве, исследованной Моттом. Разлет частиц при сварке подобен разлету осколков при взрыве, но других размеров. Разлет осколков при взрыве происходит в открытом пространстве, тогда как разлет частиц при сварке - в замкнутом пространстве между пластинами.

Исследовались соединения: титан - орторомбиче-ский алюминид титана (далее, для краткости, титан-алюминид), медь-тантал, алюминий-тантал и железо-серебро. Использование соединений, имеющих либо плоскую либо волнообразную границу, для одной и той же пары разнородных материалов (титан-алюминид и медь-тантал), будучи чрезвычайно редким, оказалось целесообразным. В остальных случаях исследуемые соединения имели волнообразную границу. Свариваемые пары отличаются друг от друга по взаимной растворимости: пары медь-тантал, железо-серебро практически не имеют взаимной растворимости.

Совокупность экспериментальных данных, полученных в результате проведенного исследования, положена в основу нового подхода к описанию формирования сварного соединения, учитывающего фрагментацию типа дробления. Явление фрагментации как процесса разделения твердого тела на части (осколки), происходящего под сильным внешним воздействием, известно давно. Описание разлета осколков связано с именем Невилла Мотта, исследовавшим динамическую фрагментацию цилиндрической оболочки. Мы полагаем, что фрагментация при взрыве, исследованная Моттом, происходит также и при сварке взрывом. Разлет микронных частиц алюминида, который отчетливо виден на рис. 1, удивительно похож на происходящий при взрыве разлет осколков только других размеров. Более того, для соединения медь-тантал удалось зафиксировать изображение частиц в положении, непосредственно предшествующем разлету (рис. 2). Наблюдаемая при этом картина полностью аналогична наблюдаемой для осколков при взрыве вплоть до того, что в обоих случаях наблюдаются разнородные совокупности частиц (осколков): крупных и сопутствующих им мелких. В отличие от разлета осколков при взрыве, который происходит в открытом пространстве, разлет частиц при сварке происходит в замкнутом пространстве, которое ограничено контактирующими пластинами. Наиболее близким аналогом таких частиц являются осколки при взрыве, остановленные преградой.

Известны этапы осколкообразования при взрыве: зарождение трещин, рост трещин, слияние их и образование осколков [1-4].

Рис. 1. Соединение титан-алюминид: а - разлет частиц алю-минида; б - фрагментированный слой; в - проникновение частиц алюминида внутрь расплавленной зоны титана

1837

Можно ожидать аналогичной последовательности образования и разлета частиц при сварке взрывом. Неоднородность фрагментации в этом случае обусловлена как неоднородностью внешнего воздействия (детонации, кумулятивной струи, напряжений), так и неоднородностью контактирующих поверхностей. Поэтому, учитывая высокую скорость нагружения и его быстротечность, мы полагаем, что, прежде всего, уже во время взрыва можно ожидать образования упругих микротрещин. Микротрещины зарождаются не под действием средних приложенных напряжений, а на их локальных концентраторах.

е/8/2011 m»g MV prtMur» WD W О Л

123052РМІ5000 К 3000kV 544Є-ЗР» 91mm 0 ІУ1ГЧУ1

Рис. 2. Соединение медь-тантал: а - большой выступ тантала

Именно в областях, содержащих локальные концентраторы напряжений, возможно возникновение множества микротрещин. Соответствующие свободные поверхности испытывают торможение при встрече друг с другом. Во-первых, это препятствует превращению микротрещин в макротрещины. Во-вторых, возникают микрообъемы, окруженные со всех сторон свободными поверхностями. Указанные микрообъемы фактически вырезаны из окружающего материала. Очевидно, что дробление на частицы сопровождается сильным увеличением суммарной площади их поверхности и ,соответственно, сильным сбросом подводимой энергии. Учитывая также затрату на кинетическую

энергию разлетающихся частиц, можно считать образование и разлет частиц мощным диссипативным каналом, который включается первым, еще во время взрыва.

Другим эффективным каналом для диссипации подводимой энергии является расплавление. Можно предположить, что расплавление начинается в «горячих» точках. В подобных областях, соответствующих особо сильному внешнему воздействию, происходит и образование частиц. Если бы взаимосвязь этих явлений носила случайный характер, то наблюдались бы расплавленные зоны, как содержащие, так и не содержащие частицы. Однако для исследуемых соединений зоны расплавленной фазы всегда содержат частицы другой фазы.

Мы полагаем, что образование и разлет частиц провоцируют расплавление. Все эти процессы являются бездиффузионными. Трение между частицами усилено за счет того, что они имеют гораздо большую поверхность по сравнению с поверхностью контактирующих пластин и разлетаются не в свободном, а в замкнутом пространстве. В результате могут возникнуть вспышки температуры, достаточные для расплавления. Предлагаемый механизм является достаточно универсальным. Действие этого механизма не зависит ни от формы границы раздела, ни от взаимной растворимости исходных материалов, ни от их температур плавления. Но взаимная растворимость определяет структуру расплава: либо истинный, либо коллоидный раствор.

Выявлены условия, при которых расплавление приводит к склеиванию контактирующих материалов, и условия, при которых расплавление может оказаться опасным для прочности соединения. При расплавлении сразу решаются проблемы смачивания, адгезии, теплового расширения, защиты от контактной коррозии. Известно, что пленка клеящего вещества не должна по толщине превышать определенную величину. При интенсификации режима сварки будет достигнута критическая толщина расплавленной области, при которой склеивание становится невозможным.

Сформулированы возможные причины того, почему соединение медь-тантал, имеющее волнообразную границу, обеспечивает стабильную работу химического реактора в условиях крайне агрессивных сред при длительной эксплуатации. Отсутствие взаимной растворимости снимает опасность образования интерметаллических фаз и, соответственно, охрупчивания соединения. Невозможность одновременного расплавления обоих материалов из-за высокой температуры плавления тантала (= 3300 К) снимает опасность образования эмульсии и ее возможного расслоения. В результате расплав после застывания представляет собой суспензию, состоящую из медной матрицы, дисперсионно упрочненной частицами тантала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гринберг Б.А., Елкина О.А., Антонова О.В., Иноземцев А.В., Иванов М.А., Рыбин В.В., Кожевников В.Е. Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu-Ta, полученного сваркой взрывом // Автоматическая сварка. 2011. №7. С. 24-30.

2. Гринберг Б.А., Иванов М.А., Рыбин В.В., Елкина О.А., Пацелов А.М., Антонова О.В., Иноземцев А.В., Толмачев Т.П. Процессы фрагментации при сварке взрывом // Деформация и разрушение материалов. 2012. №8. С. 2-13.

3. Greenberg B.A., IvanovM.A., Patselov A.M., Besshaposhnikov Yu.P. The processes of fragmentation, intermixing and fusion upon explosion welding // AASRI Procedia. 3, 2012, P. 66-72.

1838

4. Greenberg B.A., IvanovM.A., Rybin V. V., et al. The problem of intermixing of metals possessing no mutual solubility upon explosion welding // Materials Characterization. 2013. V.75. P. 51-62.

БЛАГОДАРНОСТИ:

Работа выполнена при финансовой поддержке УрО РАН (проекты № 12-2-006-УТ, 12-У-2-1011) и проекта фундаментальных исследований № 12-2-2-007-

АРКТИКА.

Электронно-микроскопические исследования проведены в Центре коллективного пользования электронной микроскопии УрО РАН.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Greenberg B.A., Ivanov M.A., Plotnikov A.V. INTERFACE UPON EXPLOSION WELDING: FLYING AWAY OF PARTICLES, LOCAL MELTING, INTERMIXING

The fragmentation upon explosion welding is believed to be analogue to fragmentation upon explosion studied by Mott. The flying away of particles is remarkably similar to flying away of fragments upon explosion, but of another scale. The flying away of fragments upon explosion occurs in open space, as opposed to flying away of particles upon welding which occurs in close space between plates.

Key words: explosion welding; fragmentation; melting; intermixing; mutual solubility; colloidal solution.

УДК 620.186.4

МНОГОУРОВНЕВЫЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ МЕХАНИЗМОВ ИЗНАШИВАНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ С НИЗКОЙ ЭДУ

© Д.Н. Тагильцева, Н.А. Наркевич, И.А. Шулепов, И.В. Волошин

Ключевые слова: аустенит; микрорезание; пластическое оттеснение; трещиностойкость.

Исследованы структура и особенности разрушения поверхностей трения стали 110Г13 и покрытия, полученного электронно-лучевой наплавкой порошка азотистой стали 60Х24АГ16 при высоконагруженном абразивном изнашивании.

Наиболее перспективны для работы в условиях вы-соконагруженного абразивного воздействия (в горнодобывающей промышленности) материалы, имеющие аустенитную структуру с низкой энергией дефекта упаковки (ЭДУ) [1]. Повышенная износостойкость таких материалов отличается тем, что, не обладая высокой исходной твердостью, они упрочняются в процессе трения. Происходящие при этом локальные структурно-фазовые превращения приводят к изменению таких макрохарактеристик поверхностного слоя, как сопротивление сдвигу, коэффициент трения [2]. Исследование на разных масштабных уровнях механизмов изнашивания, а также деформации и разрушения поверхности трения дает наиболее полную картину о процессах, свидетельствующих о развитии релаксационных процессов в зонах контакта трущихся тел, предотвращающих разрушение (износ).

Цель работы - многоуровневое исследование механизмов изнашивания, деформации и разрушения поверхностного слоя при трении материалов с низкой ЭДУ при высоконагруженном абразивном воздействии.

Исследовали сталь 110Г13 и покрытие, наплавленное по электронно-лучевой технологии с использованием порошка азотистой стали 60Х24АГ16. Покрытие толщиной 2,5-3 мм наплавляли за несколько проходов на пластину из стали 65Г размерами 20x100x8 мм. Трибологические испытания проводили при комнатной температуре на установке High-temperature ТгіЬошеії с постоянной величиной пути трения, равной 75 м (6000 об.). В качестве контртела применяли шарик

диаметром 3 мм из твердого сплава ВК6, скользящий со скоростью 3, 6 и 10 см/с по круговой траектории диаметром 4 мм, имитируя абразивное воздействие крупной твердой частицы. Усилие, с которым шарик прижимали к испытываемой поверхности, варьировали в диапазоне P = 1-10 Н. Топографию дорожек износа исследовали на лазерном профилометре Micro Measure 3D station. Структуру поверхностей трения исследовали на растровом электронном микроскопе Philips SEM-515 и оптическом микроскопе Axiovert 25CA. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3М при нагрузке 30 г с усреднением результатов измерений по 15 отпечаткам пирамиды Виккерса.

В результате многократно повторяющегося скольжения контртела по круговой траектории формируется дорожка трения

Существенно отличаются и металлографические структуры деформированных трением слоев исследуемых материалов (рис. 1в, г). Для азотистого покрытия, содержащего в структуре карбиды хрома Cr7C3 и Cr23C6 , характерно изменение формы зерен в направлении скольжения шарика из ВК6, в то время как в стали 110Г13 наблюдается слой материала толщиной «20 мкм с повышенной травимостью.

1839