ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫ
Print ISSN: 1994-6309    Online ISSN: 2541-819X
English | Русский

Последний выпуск
Том 20, № 3 Июль - Сентябрь 2018

Формирование структуры сваренных взрывом материалов: экспериментальные исследования и численное моделирование

Выпуск № 4 (77) Октябрь - Декабрь 2017
Авторы:

Батаев Иван Анатольевич
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1994-6309-2017-4-55-67
Аннотация

Цель: изучение процессов формирования структуры в сваренных взрывом материалах с использованием подхода, основанного на совместном анализе результатов математического моделирования и структурных исследований. Методы: в качестве объекта исследований применялась низкоуглеродистая сталь 20, пластины которой соединялись взрывом. Полученный биметалл анализировался с методами оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии (РЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Численное моделирование процесса высокоскоростного соударения стальных пластин проводилось в программном продукте Ansys Autodyn методом гидродинамики сглаженных частиц (Smooth Particle Hydrodynamics, SPH). Результаты и обсуждение. Свойства сваренных взрывом материалов в значительной мере определяются структурой тонких слоев, возникающих на межслойных границах при высокоскоростном соударении заготовок. В этих слоях материал претерпевает наиболее существенные структурные изменения. Основная часть свариваемых взрывом пластин деформируется незначительно и остается в слабонагретом состоянии. Высокие скорости деформационных процессов, развивающиеся на межслойных границах, приводят к существенной локализации и разогреву материала вблизи межслойной границы. Пластическая деформация при сварке взрывом происходят в условиях, близких к адиабатическим. Такие условия способствуют фазовым превращениям вблизи межслойной границы и даже локальному плавлению отдельных микрообъемов. В связи с высокой температуропроводностью металлов и значительным температурным градиентом дальнейший отвод тепла в слабодеформированные объемы пластин происходит с высокими скоростями (104…107 К/с). Это приводит к формированию вблизи межслойной границы метастабильных (в частности, мартенситных) структур. Структура материала, формирующаяся вблизи межслойных границ, является результатом конкуренции процессов деформационного упрочнения и термического разупрочнения свариваемых взрывом металлических заготовок. Показано, что метод гидродинамики сглаженных частиц адекватно воспроизводит явления волно- и струеобразования при сварке взрывом, а геометрические параметры волн, предсказываемых моделью, хорошо согласуются с экспериментальными данными. Максимальные значения пластической деформации в узком слое вблизи межслойных границ могут превышать e = 6.


Ключевые слова: Сварка взрывом, волны, вихри, моделирование, гидродинамика сглаженных частиц, структура, электронная микроскопия, деформация, сталь, плавление

Список литературы

1. Crossland B. Review of the present state-of-the-art in explosive welding // Metals Technology. – 1976. – Vol. 3, iss. 1. – P. 8–20. – doi: 10.1179/030716976803391845.



2. Crossland B. Explosive welding of metals and its application. – Oxford: Oxford University Press, 1982. – 233 p. – ISBN 978-0198591191.



3. Shanthala K., Sreenivasa T.N. Review on electromagnetic welding of dissimilar materials // Frontiers of Mechanical Engineering. – 2016. – Vol. 11, iss. 4. – P. 363–373. – doi: 10.1007/s11465-016-0375-0.



4. Carl L.R. Brass welds made by detonation impulse // Metal Progress. – 1946. – Vol. 46. – P. 102–103.



5. Blazynski T.Z. Explosive welding, forming and compaction. – Netherlands: Springer, 1983. – 402 p. – ISBN 978-94-011-9751-9.



6. Crossland B., Williams J.D. Explosive welding // Metallurgical Reviews. – 1970. – Vol. 15, iss. 1. – P. 79–100. – doi: 10.1179/mtlr.1970.15.1.79.



7. Meyers M.A. Dynamic behavior of materials. – New York: John Wiley & Sons, 1994. – 668 p. – ISBN 9780471582625.



8. Rinehart J.S., Pearson J. Explosive working of metals. – New York: Macmillan, 1963. – 360 p. – ISBN 978-0080101699.



9. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. – Новосибирск: Наука, 1980. – 224 с.



10. Васильев А.А. Укрощенный взрыв // Наука из первых рук. – 2015. – Т. 64, № 4. – C. 14–33.



11. Качан М.С. Изобретена сварка взрывом [Электронный ресурс]. – URL: https://www.proza.ru/2013/01/05/517 (дата обращения: 15.11.2017).



12. Конон Ю.А., Первухин Л.Б., Чудновский А.Д. Сварка взрывом. – М.: Машиностроение, 1987. – 216 с.



13. Захаренко И.Д. Сварка металлов взрывом. – Минск: Навука i тэхнiка, 1990. – 205 с. – ISBN 5-343-00551-9.



14. Лысак В., Кузьмин С. Сварка взрывом. – Москва: Машиностроение, 2005. – 543 с. – ISBN 5-94275-220-6.



15. Трыков Ю.П., Гуревич Л.М., Шморгун В.Г. Титаностальные композиты и соединения. – Волгоград: ВолгГТУ, 2013. – 344 с. – ISBN 978-5-9948-1011-8.



16. Компьютерное моделирование деформации составляющих слоев биметалла в процессе сварки взрывом с использованием программы LS-DYNA / И.В. Денисов, А.Ю. Муйземнек, А.Е. Розен, О.Л. Первухина, Ю.А. Гордополов // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2010. – № 5 (65). – C. 66–74.



17. Влияние состава атмосферы на образование соединения титана со сталью при сварке взрывом / О.Л. Первухина, А.А. Бердыченко, Л.Б. Первухин, Д.В. Олейников // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2006. – № 9. – C. 51–54.



18. Сварка взрывом: процессы и структуры / О.В. Антонова, Ю.П. Бесшапошников, А.М. Власова, Б.А. Гринберг, Л.М. Гуревич, О.А. Елкина, М.А. Иванов, А.В. Иноземцев, В.Е. Кожевников, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, А.М. Пацелов, В.П. Пилюгин, А.В. Плотников, М.С. Пушкин, В.В. Рыбин, Г.А. Салищев, О.В. Слаутин, А.П. Танкеев, Т.П. Толмачев, В.О. Харламов. – М.: Инновационное машиностроение, 2017. – 236 с. – ISBN 978-5-9909179-0-3.



19. Fragmentation processes during explosion welding (review) / B. Grinberg, M. Ivanov, V.V. Rybin, O. Elkina, A.M. Patselov, O. Antonova, A. Inozemtsev, T.P. Tolmachev // Russian Metallurgy (Metally). – 2013. – Vol. 2013, iss. 10. – P. 727–737. – doi: 10.1134/S0036029513100030.



20. Rybin V.V., Zolotorevskii N.Yu., Ushanova E.A. Analysis of the misoriented structures in the model copper-copper compound formed by explosion welding // Technical Physics. – 2014. – Vol. 59, iss. 12. – P. 1819–1832. – doi: 10.1134/S106378421412024X.



21. Berdychenko A.A., Pervukhin L.B., Pervukhina O.L. Evolution of titanium structure in the zone of the joint formed by explosive welding // Metal Science and Heat Treatment. – 2009. – Vol. 51, iss. 9–10. – P. 476–481. – doi: 10.1007/s11041-010-9196-7.



22. Розен А.Е. Разработка научных основ технологических процессов взрывного прессования, формирования структуры и свойств сегнетокерамических материалов: дис. … д-ра техн. наук. – Волгоград, 1999. – 391 с.



23. Explosively welded multilayer Ni-Al composites / I.A. Bataev, T.S. Ogneva, A.A. Bataev, V.I. Mali, M.A. Esikov, D.V. Lazurenko, Y. Guo, A.M. Jorge Junior // Materials and Design. – 2015. – Vol. 88. – P. 1082–1087. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.09.103.



24. Metallic glass formation at the interface of explosively welded Nb and stainless steel / I.A. Bataev, K. Hokamoto, H. Keno, A.A. Bataev, I.A. Balagansky, A.V. Vinogradov // Metals and Materials International. – 2015. – Vol. 21, iss. 4. – P. 713–718. – doi: 10.1007/s12540-015-5020-7.



25. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 224 с.



26. Батаев И.А. Структура и механические свойства многослойных композиционных материалов, сформированных по технологии сварки взрывом тонколистовых заготовок из низкоуглеродистой стали: дис. … канд. техн. наук. – Новосибирск, 2010. – 226 с.



27. High cooling rates and metastable phases at the interfaces of explosively welded materials / I.A. Bataev, D.V. Lazurenko, S. Tanaka, K. Hokamoto, A.A. Bataev, Y. Guo, A.M. Jorge // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 135. – P. 277–289. – doi: 10.1016/j.actamat.2017.06.038.



28. Formation and structure of vortex zones arising upon explosion welding of carbon steels / I.A. Bataev, A.A. Bataev, V.I. Mali, V.G. Burov, E.A. Prikhod'ko // Physics of Metals and Metallography. – 2012. – Vol. 113, iss. 3. – P. 233–240. – doi: 10.1134/S0031918X12030039.



29. Structural changes of surface layers of steel plates in the process of explosive welding / I.A. Bataev, A.A. Bataev, V.I. Mali, V.A. Bataev, I.A. Balaganskii // Metal Science and Heat Treatment. – 2014. – Vol. 55, iss. 9–10. – P. 509–513. – doi: 10.1007/s11041-014-9663-7.

Благодарности. Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по государственному заданию № 11.7662.2017/БЧ

Для цитирования:

Батаев И.А. Формирование структуры сваренных взрывом материалов: экспериментальные исследования и численное моделирование // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 4 (77). – С. 55–67. – doi: 10.17212/1994-6309-2017-4-55-67.

For citation:

Bataev I.A. Structure of explosively welded materials: experimental study and numerical simulation. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2017, no. 4 (77), pp. 55–67. doi: 10.17212/1994-6309-2017-4-55-67. (In Russian).

Просмотров: 268