К вопросу динамического структурообразования алюминиевых сплавов при импульсном нагружении

К вопросу динамического структурообразоваиия алюминиевых сплавов при импульсном нагружении

А.А. Андрушевич, С.М. Ушеренко1, Н.А. Шипица2

Институт импульсных процессов НАНБ, Минск, Беларусь 1 Институт повышения квалификации и переподготовки кадров, Минск, 220107, Беларусь 2 Институт порошковой металлургии НАНБ, Минск, 220071, Беларусь

В условиях импульсного нагружения происходят введение энергии в объем твердого тела и перестройка структуры. Перестройка структуры происходит за счет той части энергии, которая поглощается материалом изделия. Энергия при импульсном нагружении выводится из материала за счет теплоотвода, ударно-волновой разгрузки и выноса материала, например при откольных процессах. Поэтому задание различных схем импульсного нагружения определяет объем и степень реализуемой перестроенной структуры. Использование для исследования наблюдаемых изменений метода Кельвина позволяет наглядно представить качественный характер отличий в поглощении энергии в различных вариантах нагружения. Такой подход к оценке различных импульсных процессов позволяет регистрировать изменения механизмов массопереноса при структурообразовании.

On dynamic structure formation in Al-based alloys under impulse loading

A.A. Andrushevich, S.M. Usherenko, and N.A. Shipitsa

Energy absorption by the bulk of a solid and structure rearrangement occur under impulsive loading. Structure rearrangement is due to energy adsorbed by the article material. Under impulse loading energy dissipation occurs owing to heat removal, shock loading and material transport, for example, at spalling. Thus, the difference in impulse loading scheme governs the volume and degree of possible rearranged structure. The application of the Kelvin method for studying these changes allows us to demonstrate qualitative differences in energy absorption at various loading. This approach provides a way for revealing changes in mass transfer in the course of structure formation.

1. Введение

Процессы импульсного нагружения различных материалов исследовались в течение многих сотен лет. Это

было связано, в основном, с использованием этих результатов для военного применения. С XIX века интен-

сивно стали развиваться промышленные технологии, обеспечивающие объемное деформирование заготовок различных материалов. В числе прочих изучались процессы объемного деформирования и перестройки структуры за счет энергии различных взрывчатых веществ. Были проведены экспериментальные и теоретические исследования и получены основополагающие зависимости. Однако появление ряда необычных научных результатов в этой области, таких, например, как динамический массоперенос и сверхглубокое проникновение, показало, что с изменением механизмов массо-переноса эти зависимости не могут претендовать на всеобщность. Процесс сверхглубокого проникания реализуется в условиях коллективного воздействия потока микроударников на преграды и приводит к нарушению

известного барьерного ограничения [1]. Так как этот процесс относится к ударным, то в качестве критерия его оценки используется относительная глубина крате-рообразования. Известное барьерное ограничение кра-терообразования при ударе составляет величину 10-12 определяющих размеров ударника (калибров). В условиях сверхглубокого проникания стабильно регистрируются относительные глубины 102-104. Такой результат может быть получен при качественном изменении механизма массопереноса. Соответственно есть все основания предполагать, что существенным образом должен изменяться механизм поглощения энергии удара и структурообразование.

2. Постановка и проведение экспериментальных исследований

Был выполнен цикл экспериментов по обработке цилиндрических литых заготовок из алюминия и его сплавов с кремнием и цинком. В качестве рабочих схем импульсного нагружения использовались два варианта:

© Андрушевич А.А., Ушеренко С.М., Шипица Н.А., 2004

Рис. 1. Топология работы выхода электрона поверхности макрошлифа литого образца

схема с обжатием зарядом взрывчатого вещества по цилиндрической поверхности заготовки (время воздействия до 20 мкс) и схема введения порошкового материала в торец заготовок в режиме сверхглубокого проникания (время воздействия до 400 мкс). В первом варианте использовали кольцевой заряд взрывчатого вещества из аммонита 6ЖВ массой 2 кг, а во втором цилиндрический заряд из того же вещества массой 0.2 кг. В качестве метаемого рабочего вещества по схеме с реализацией сверхглубокого проникания использовали порошки SiC фракции 50-100 мкм. Соответственно величины энергии, вводимой в материал в первом и во втором варианте, отличались между собой примерно на порядок. Образцы после обработки разрезались в продольном и поперечном направлении, приготавливались шлифы.

Изменение состояния образца, подвергнутого обработке, определяли по распределению работы выхода электрона и твердости по поверхности шлифа.

Распределение работы выхода электрона регистрировалось методом Кельвина, в котором измерения осуществляются по контактной разности потенциалов между исследуемой и стабильной поверхностью эталонного образца [2].

Результаты регистрации топологии работы выхода электрона приведены на рис. 1-3, измерений твердости в алюминии и его сплавах показаны в таблице 1.

3. Обсуждение полученных экспериментальных результатов

Изучение напряженного состояния проводилось на основе анализа топологии работы выхода электрона с поверхности образцов, а также сопоставлением с результатами по замерам твердости. Измерение проводилось путем регистрации изменений контактной разности потенциалов между эталонным образцом и поверхностью (метод Кельвина). Известно, что топология работы выхода электрона существенно зависит от состояния поверхности образца, в частности от плотности дефектов (дислокаций, вакансий и т.п.) и напряженного

Таблица 1

Свойства алюминиевых сплавов до и после импульсной обработки

Рис. 2. Топология работы выхода электрона поверхности макрошлифа образца, подвергнутого обжатию

Материал Состояние Твердость (на глубине 20-30 мкм), НВ Предел прочности о, МПа 5, %

А1-12%81 Литой 107 250.0 3.2

После

А1-12%81 сверхглубокого 136 287.0 2.5

проникания

А1-15 %2п Литой 95 306.9 10.2

После

А1-15 %2п сверхглубокого 95 169.2 8.3

проникания

1.2 мэВ 0.6

10 20 30 40 50 60 70 80 90

136 130 136 128 130 126 130 126 130

Рис. 3. Топология работы выхода электрона поверхности макрошлифа образца, обработанного в режиме сверхглубокого проникания

состояния. Анализ экспериментальных результатов (см. табл. 1, рис. 1-3) показывает, что распределение работы выхода электрона с макрошлифов имеет качественные отличия в зависимости от вида обработки. Топология работы выхода электрона поверхности литого образца, который принят в качестве эталонного, является однородной с небольшими флуктуациями, случайно распределенными по поверхности образца (рис. 1).

Для образцов, подвергнутых обжатию кольцевым зарядом, характерно понижение работы выхода электрона в середине нагруженного образца (рис. 2). Это, по-видимому, подтверждает известный факт схождения ударных волн по оси и соответственно возрастание дефектности в этой макрозоне. Эти результаты качественно отличаются от изображения, приведенного на рис. 3. В результате обработки потоком порошковых частиц в центральной части образца наблюдается заметное повышение работы выхода электрона.

В работе [3] при исследовании процесса сверхглубокого проникания, выполненного с использованием нейтронно-активационного анализа показано, что плотность канальных зон (плотность трековой картины) в центральной части обработанного образца существенно возрастает. Очевидно, что увеличение плотности такого рода дефектов должно было привести к уменьшению работы выхода электрона (аналогично наблюдавшемуся в предыдущем варианте). Однако в эксперименте мы наблюдаем качественно другой результат. Кроме того, при данной обработке характерно появление чередующихся структур в продольном направлении с повышенной и пониженной работой выхода электрона. Наблюдаемые зоны вытянуты перпендикулярно к боковой поверхности образца. В работе [4] при исследовании стальных образцов, обработанных по той же схеме, на

боковой поверхности в точках выхода этих необычных структурных зон была зарегистрирована интенсивная засветка пленочных датчиков. Исследования образцов с помощью измерения твердости также выявили необычную структуру (рис. 3). Анализ изменения твердости в результате использования схемы сверхглубокого проникания для различных алюминиевых материалов показал, что выбранный порошковый состав имеет существенное значение и, по-видимому, должен выбираться применительно к каждому составу. Введение потока порошков ЗіС в алюминиевый сплав с Si позволило повысить твердость обрабатываемой заготовки, а введение того же порошкового состава в сплав с 2п привел к противоположному результату.

Дополнительные эксперименты с введением в сплав с алюминием с Зі потока частиц РЬ позволили рассмотреть аномальные результаты по травимости материала создаваемых канальных зон. В частности, введение частиц ЗіС в сплав позволило образовать в канальной зоне материал с травимостью на порядок более высокой по сравнению с исходным матричным материалом. На рис. 4 показана структура такой канальной зоны. На рис. 5 показан аналогичная канальная зона, полученная в результате введения в этот алюминиевый сплав РЬ. Травимость этой зоны на порядок ниже , чем у исходного материала. Таким образом очевидно, что импульсная обработка алюминия и его сплавов в режиме сверхглубокого проникания в отличие от обычной ударно-волновой обработки формирует специфическую анизотропную структуру композиционного материала, армированную длинномерными канальными зонами, образованными в результате взаимодействия вводимого и матричного материалов. Выполненное сопоставление размеров зерен алюминиевых сплавов, полученных в

Рис. 4. Структура шлифа образца, обработанного частицами SiC

результате использования двух рассмотренных вариантов импульсной обработки, показало, что в обоих случаях они одинаковы, т.е. на 30-50 % меньше чем у материала до нагружения.

4. Заключение

В результате исследования алюминия и его сплавов, подвергнутых воздействию импульсных нагрузок по двум различным схемам: обжатия кольцевым зарядом (время нагружения до 20 мкс) и соударения со сгустком порошковых частиц в режиме сверхглубокого проникания (время воздействия до 400 мкс), выявлены качественные особенности структурообразования и сделаны следующие основные выводы:

1. В результате импульсного воздействия по обоим схемам получен одинаковый размер зерен алюминия и его сплавов при разнице в затрачиваемой энергии в 10 раз.

2. Полученные картины распределения работы выхода электрона по продольному сечению нагружаемого металлического тела качественно отличаются в зависимости от варианта нагружения.

3. Полученные результаты измерения твердости по сечению образцов показывают соответствие с картиной распределения работы выхода электрона.

Рис. 5. Структура шлифа образца, обработанного частицами Pb

4. В варианте импульсного нагружения (в режиме сверхглубокого проникания) кроме измельчения зерен наблюдается также возникновение объемной армировки нагружаемого металлического тела. Это происходит за счет канальных новообразований, центральная часть которых состоит из продуктов взаимодействия вводимого и матричного вещества.

5. Согласуя введение того или иного вещества в заданный алюминиевый сплав, можно осуществлять как упрочнение, так и разупрочнение материала заготовки, менять уровень электрохимического потенциала образуемой канальной зоны.

Литература

1. Ушеренко С.М. Современные представления об эффекте сверхглубокого проникания // Инженерно-физический журнал. - 2002. -Т. 75. - № 3. - С. 183-198.

2. Жарин А.Л., Шипица Н.А., Сарока Д.И. Метод исследования поверхности металлов методом Кельвина // 4-й Белорусский семинар по сканирующей зондовой микроскопии: Сборник докладов, Гомель, 24-25 окт. 2000 г. - С. 22-26.

3. Andilevko S.K., Roman O.V., Shilkin V.A., Usherenko S.M. // J. de Physique 4.Colloque C8.Suppl. au J. de Physique 3. - 1994. - V. 4. -P. C8-803-C8-807.

4. Ушеренко С.М., Гущин В.И., Дыбов О.А. Результаты соударения потока микрочастиц с металлической преградой в режиме сверхглубокого проникания // Химическая физика. - 2002. - Т. 21. -№9.- С. 41-49.