Obrabotka Metallov. 2017 no. 4(77)

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 4 (77) 2017 58 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ булентного движения металла внутри расплав- ленных участков их часто называют вихревыми зонами. Процесс формирования структуры при свар- ке взрывом вызывает большой интерес специ- алистов. Как правило, наиболее существенные структурные преобразования сосредоточены в тонких слоях вблизи поверхности сопряжения заготовок. Структура этих слоев определяет ка- чество и набор эксплуатационных характери- стик сваренных взрывом материалов. В данной работе для анализа структурных изменений в зоне сварного шва применены современные методы математического моделирования и экс- периментальных исследований. В качестве ма- териала для проведения сварки использовалась сталь 20. По ряду причин низкоуглеродистые стали являются удобным модельным материа- лом для анализа процессов, протекающих при сварке взрывом. Во-первых, они обладают вы- сокой пластичностью и хорошо свариваются в широком диапазоне режимов соударения. Во- вторых, пластическая деформация и нагрев этих сталей приводят к формированию микрострук- тур, исследованию которых было посвящено множество работ (например, работы В.В. Рыби- на [25]). Анализ структуры сварных швов позво- ляет воссоздать температурные и деформацион- ные условия, которые имели место на границе соединяемых взрывом заготовок. На основании сравнения результатов математического модели- рования и микроскопического анализа возмож- но сделать более точные выводы о процессах формирования структуры свариваемых взрывом материалов. Представленный в данной работе подход и полученные результаты могут быть в дальнейшем использованы для исследования сварки взрывом других, более сложных комби- наций материалов. Таким образом, цель настоящей работы за- ключалась в изучении процессов формирования структуры в сваренных взрывом материалах и в подходе, основанном на совместном анализе результатов математического моделирования и структурных исследований. Материалы и методы Для сварки взрывом использовались пла- стины размерами 100×50×1 мм из отожженной стали 20. Поверхность пластин была тщательно очищена от оксидных пленок и промыта в аце- тоне. Сварка взрывом осуществлялась по схеме, представленной на рис. 1. Расстояние между пластинами составляло 2 мм. В качестве ВВ ис- пользовался аммонит 6ЖВ. Толщина слоя ВВ составляла 23 мм. Образцы для структурных ис- следований вырезались из средней части полу- ченного биметалла. Микроструктурные исследования проводи- лись на оптическом микроскопе Carl Zeiss Axio Observer A1m, растровом электронном микро- скопе (РЭМ) Carl Zeiss EVO 50XVP и просве- чивающем электронном микроскопе (ПЭМ) FEI Tecnai G2 20 TWIN. Микрошлифы для металло- графических исследований готовились по стан- дартной технологии. На первом этапе образец разрезался вдоль направления вектора точки контакта. Далее полученная заготовка залива- лась под давлением в полимерный держатель, шлифовалась при помощи абразивных бумаг и полировалась с использованием алмазных су- спензий дисперсностью до 1 мкм. Микрострук- туру образцов выявляли химическим травлени- ем в водном растворе хлорного железа. Объекты для ПЭМ готовились путем электролитического утонения в установке Struers Tenupol-5. Математическое моделирование проводили в программном продукте Ansys Autodyn с ис- пользованием метода гидродинамики сглажен- ных частиц. Размер частиц составлял 2,5 мкм. Для достижения компромисса между высоким пространственным разрешением и разумной длительностью расчета задача сварки взрывом была существенно упрощена и сведена к дву- мерной задаче косого соударения двух стальных пластин размером 1×10 мм. Угол соударения пластин составлял 15  , скорость соударения – 1200 м/с. Использованные начальные условия были предварительно рассчитаны по методике, представленной в работе [9]. Прочностные свой- ства материалов описывались с использованием модели Джонсона–Кука. Коэффициенты, ис- пользуемые в этой модели, а также другие физи- ческие параметры материалов, необходимые для расчетов, брались из стандартной базы данных пакета Autodyn. Подробное описание использу- емых в расчетах уравнений состояния, а также численные значения коэффициентов подробно даны в работе [26].