Том 24 № 3 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Пермяков Г.Л., Давлятшин Р.П., Беленький В.Я., Трушников Д.Н., Варушкин С.В., Шеньон П. Численный анализ процесса электронно-лучевой аддитивной наплавки с вертикальной подачей проволочного материала.......................................................................................................................................... 6 Ильиных А.С., Банул В.В., Воронцов Д.С. Теоретический анализ способов пассивного шлифования рельсов................................................................................................................................................................ 22 Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т)......................................................................................................................................... 40 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Аббасов В.А., Баширов Р.Дж. Особенности применения ультразвука при плазменно-механической обработке деталей из труднообрабатываемых материалов........................................................................... 53 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Столяров В.В., Андреев В.А., Карелин Р.Д., Угурчиев У.Х., Черкасов В.В., Комаров В.С., Юсупов В.С. Деформационная способность сплава с памятью формы TiNiHf при прокатке с импульсным током........................................................................................................................................................... 66 Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. Микроструктура и остаточные напряжения многослойных покрытий ZrN/CrN, полученных плазменно-ассистированным вакуумно-дуговым методом............................................................................................................................................................... 76 Иванов И.В., Сафарова Д.Э., Батаева З.Б., Батаев И.А. Сравнение подходов, основанных на методе Вильямсона-Холла, для анализа структуры высокоэнтропийного сплава Al0,3CoCrFeNi после холодной пластической деформациий.............................................................................................................................. 90 Крюков Д.Б. Структурные особенности и технология получения легких броневых композиционных материалов с механизмом локализации хрупких трещин.............................................................................. 103 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 112 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 123 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 05.09.2022. Выход в свет 15.09.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 15,5. Уч.-изд. л. 28,83. Изд. № 137. Заказ 233. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 3 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 3 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Permyakov G.L., Davlyatshin R.P., Belenkiy V.Y., Trushnikov D.N., Varushkin S.V., Pang S. Numerical analysis of the process of electron beam additive deposition with vertical feed of wire material...................... 6 Ilinykh A.S., Banul V.V., Vorontsov D.S. Theoretical analysis of passive rail grinding.................................. 22 Chinchanikar S. Modeling of sliding wear characteristics of Polytetrafl uoroethylene (PTFE) composite reinforced with carbon fi ber against SS304........................................................................................................ 40 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Abbasov V.A., Bashirov R.J. Features of ultrasound application in plasma-mechanical processing of parts made of hard-to-process materials...................................................................................................................... 53 MATERIAL SCIENCE Stolyarov V.V., Andreev V.A., Karelin R.D., Ugurchiev U.Kh., Cherkasov V.V., Komarov V.S., Yusupov V.S. Deformability of TiNiHf shape memory alloy under rolling with pulsed current....................... 66 Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. Microstructure and residual stresses of ZrN/CrN multilayer coatings formed by the plasma-assisted vacuum-arc method........................................................................... 76 Ivanov I.V., Safarova D.E., Bataeva Z.B., Bataev I.A. Comparison of approaches based on the WilliamsonHall method for analyzing the structure of an Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloy after cold deformation....... 90 Kryukov D.B. Structural features and technology of light armor composite materials with mechanism of brittle cracks localization.......................................................................................................................... 103 EDITORIALMATERIALS 112 FOUNDERS MATERIALS 123 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 103 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Структурные особенности и технология получения легких броневых композиционных материалов с механизмом локализации хрупких трещин Дмитрий Крюков* Пензенский государственный университет, ул. Красная, 40, г. Пенза, 440028, Россия https://orcid.org/0000-0003-0393-9550, ddbbkk@yandex.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 3 с. 103–111 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-103-111 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Традиционно используемые в системах бронирования сталь и композиционные материалы имеют свои узко специфические области применения. Бронированные изделия из высокопрочной стали давно зарекомендовали себя в качестве основы для тяжелой бронетехники, тогда ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 531.58: 621.791.13 История статьи: Поступила: 04 июля 2022 Рецензирование: 13 июля 2022 Принята к печати: 21 июля 2022 Доступно онлайн: 15 сентября 2022 Ключевые слова: Композиционный металлический материал Сварка взрывом Армирование Трещиностойкость Пулестойкость Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Традиционно используемые в изделиях вооружений военной и специальной техники монометаллические брони имеют ряд ключевых недостатков, оказывающих существенное влияние на тактико-технические характеристики изделий, а именно существенный вес и толщину. При этом широко используемые в последнее время в качестве альтернативного варианта композиционные неметаллические брони, в свою очередь, не способны выдерживать множественные попадания в локальные области конструкции вследствие полного своего разрушения или расслоения. Цель работы: разработка технологии получения нового класса многослойных металлических бронематериалов на основе легких металлов и сплавов сваркой взрывом, сочетающих в себе высокие показатели пулестойкости и конструкционной прочности наряду с низким удельным весом. В работе представлена новая схема армирования композита с применением технологии сварки взрывом, позволяющая локализовать развитие хрупких трещин по межслойным границам при внешнем баллистическом воздействии на объект. Результаты и обсуждение. Сваркой взрывом получен армированный композиционный материал на основе сплавов титана и алюминия. Определены рациональные режимы ударно-волнового нагружения, обеспечивающие получение композиционного материала требуемого качества, проведена оценка прочности композита. С целью улучшения тактико-технических характеристик композита было предложено формирование в его структуре высокотвердых интерметаллических слоев за счет термической обработки. Определены рациональные режимы высокотемпературного отжига, обеспечивающие формирование интерметаллических слоев заданной толщины в структуре композита. Изучен фазовый состав прослоек интерметаллида. Исследованы структурные особенности композиционного материала. Описан механизм локализации хрупких трещин в структуре композита при баллистическом воздействии на него. Для цитирования: Крюков Д.Б. Структурные особенности и технология получения легких броневых композиционных материалов с механизмом локализации хрупких трещин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 103–111. – DOI:10.17212/1994-6309-2022-24.3-103-111. ______ *Адрес для переписки Крюков Дмитрий Борисович, к.т.н., доцент Пензенский государственный университет, ул. Красная, 40, 440028, г. Пенза, Россия Тел.: 8 (8412) 666 262, e–mail: ddbbkk@yandex.ru как брони на основе композиционных материалов широко используются для легких бронемашин, авиационной техники, боевых роботов и средств индивидуальной защиты [1–4]. Композиционные материалы чаще всего применяют в тех случаях, где масса бронирования имеет критическое значение. По мнению ряда экспертов [5–8], при замене моностали на композит можно достичь снижения массы изделия примерно в два раза, что, в свою очередь, позволит повысить снаряженность и улучшить тактико-технические характеристики машины или изделия.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 104 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ На сегодняшний день, в качестве основы для легких композиционных броней широко используют армидные, угле- и стекловолокна, керамику, а также полиэтилен с комплексом различных связующих материалов. При этом технология изготовления бронеэлементов на основе таких материалов требует применения достаточно сложных технических решений и дорогостоящего оборудования. Сами бронеэлементы на основе вышеуказанных композитов, имеющие сопоставимые с монометаллическими бронями баллистические характеристики, не выдерживают конкуренции с ними по требованию многоударности, т. е. не способны выдерживать множественные попадания в локальные области вследствие полного разрушения или расслоения [7, 9, 14–16]. Разработка нового класса композиционных броневых материалов, сочетающих в себе высокие показатели пулестойкости и конструкционной прочности наряду с низким удельным весом, является актуальной задачей. На кафедре «Сварочное, литейное производство и материаловедение» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» разработана не имеющая аналогов уникальная технология изготовления армированных композиционных броневых материалов на основе легких металлов и сплавов [10, 11]. В качестве металлической основы данных материалов предложено использование броневого алюминиевого сплава (В95), а в качестве армирующих слоев – титанового сплава (ВТ1–0). Металлический композит изготовляется с применением технологии сварки взрывом, которая позволяет получать качественные сварные соединения из материалов и сплавов, не свариваемых традиционными способами, к которым относят вышеуказанные материалы. Неразъемные металлические соединения, получаемые технологией сварки взрывом, формируются на межатомном уровне без существенного теплового вложения в зону контакта материалов. При этом прочность самого сварного соединения выше прочности наименее прочного металла композиции [19]. Цель данной работы – разработка технологии получения нового класса многослойных металлических бронематериалов на основе легких металлов и сплавов сваркой взрывом, сочетающих в себе высокие показатели пулестойкости и конструкционной прочности наряду с низким удельным весом. Это позволит существенно улучшить тактико-технические характеристики бронированной техники и изделий специального назначения. Задачи исследования – разработка новой схемы армирования композиционных металлических материалов на основе легких металлов и сплавов, определение рациональных режимов ударно-волнового нагружения, обеспечивающих получение композиционного материала требуемого качества сваркой взрывом, описание механизма локализации хрупких трещин в структуре композита при баллистическом воздействии на него. Методика исследований В схеме армирования композиционного материала предусмотрено использование специальных перфорированных армирующих слоев, изготовленных из титанового сплава (рис. 1) [12]. Количество таких слоев в композите может составлять от двух и более. При этом перфорации располагаются в армирующих слоях таким образом, чтобы каждый последующий слой не совпадал по перфорациям с предыдущим и обеспечивал их перекрытие. Такой характер расположения перфораций в структуре композита не позволяет осуществить возможное сквозное прохождение через них баллистического объекта. На основе анализа технологических схем получения сваркой взрывом композиционных металлических материалов для изготовления композиционного материала состава В95 + ВТ1–0 + + В95 + ВТ1–0 + В95 использовали плоскопараллельную схему сварки взрывом, представленную на рис. 2. Толщины свариваемых листов композиционного материала (состава В95 + ВТ1–0 + В95 + + ВТ1–0 + В95) имели 2 + 1 + 2 + 1 +10 мм соответственно. В качестве взрывчатого вещества для сварки взрывом использовали «Игданит» (смесь аммиачной селитры с дизельным топливом в соотношении 96:4). Сварку взрывом проводили в широком диапазоне скоростей точки контакта от 1800 до 2400 м/с.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 105 MATERIAL SCIENCE Рис. 1. Перфорированный армирующий слой Fig. 1. Perforated reinforcing layer Рис. 2. Схема сварки взрывом: 1 – электродетонатор; 2– контейнер с взрывчатым веществом; 3 – метаемая пластина; 4 – промежуточная пластина; 5 – неподвижная пластина; 6 – металлическое основание; 7 – грунт Fig. 2. Explosive Welding Diagram: 1 – electric detonator; 2 – container with explosive substance; 3 – driver plate; 4 – intermediate plate; 5 – fi xed plate; 6 – metal base; 7 – ground Результаты и их обсуждение По результатам визуально-измерительного и ультразвукового контроля качества сваренных образцов композиционного материала в качестве рационального режима сварки взрывом был выбран режим со следующими технологическими параметрами (высота взрывчатого вещества 55 мм, скорость точки контакта 2200 м/с, зазор между свариваемыми элементами 2 мм). Критериями выбора рационального режима сварки взрывом служило отсутствие краевых и внутренних непроваров композита, а также внешнее состояние его поверхности. Так, в частности, результатами вышеуказанных методов контроля было установлено, что на режимах сварки взрывом со скоростью точки контакта менее 2200 м/с наблюдалось отсутствие сварки слоев в краевой области композита с частичной обрубкой метаемых элементов. Состояние композита, сваренного
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 106 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ со скоростью точки контакта более 2200 м/с, характеризовалось частичным разрушением его поверхности с большим количеством внутренних зон непроваров слоев. Анализ макроструктуры композита, сваренного на выбранном рациональном режиме, свидетельствует о высоком качестве соединения материала по межслойным границам, сварной шов композиционного материала по всем межслойным границам имеет преимущественно безволновой характер. Внешний вид макроструктуры армированного композиционного материала после сварки взрывом показан на рис. 3. Рис. 4. Схема локализации хрупких трещин в структуре композита Fig. 4. Diagram of brittle cracks localization in the composite structure Рис. 3. Макроструктура армированного композиционного материала на основе легких металлов и сплавов Fig. 3. Macrostructure of reinforced composite material based on light metals and alloys Роль перфораций в предложенном схемном решении заключается в формирования вязкого однородного слоя металлической основы матрицы композита на основе алюминиевого сплава, представляющего собой сварное соединение через перфорацию армирующего элемента. При контакте с баллистическим объектом 1 возникающие в нем хрупкие трещины, распространяясь от точки контакта 3 по межслойным границам композита 2, достигнув точки перехода от края перфорации к зоне сварки вязкой металлической основы матрицы композита 4, останавливаются на ней, и развитие хрупкой трещины прекращается. Это позволяет локализовать зону баллистического разрушения композиционной брони в пределах локальной зоны сварки слоев алюминия и титана 2, сохранив целостность конструкции изделия и его комплексную пулестойкость без обязательной замены новым бронеэлементом. Схема локализации хрупкой трещины в структуре композита при контакте баллистическим объектом представлена на рис. 4. Помимо этого наличие тонких перфорированных слоев в структуре металлического композиционного материала также способствует повышению его прочностных показателей [17]. Оценку прочностных показателей и подготовку образцов для испытаний проводили по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 1497–84. Проведенный комплекс исследований показал, что наилучшим сочетанием физико-механических свойств, таких как прочность и относительное удлинение, обладают образцы, сваренные на выбранном рациональном режиме. Относительное удлинение для них составило от 3,1 до 3,7 %, а величина прочности находится в диапазоне от 570,2 до 594,1 МПа. При условии, что прочность монометалла матрицы основы композита аналогичной толщины составила порядка 482,1…489,8 МПа, общее увеличение прочности композита по сравнению с ним составило 21,3 % [18, 20]. С целью улучшения тактико-технических характеристик, разрабатываемых композиционных броневых материалов на основе легких металлов и сплавов, авторами было предложено формирование в структуре композита высокотвердых интерметаллических слоев за счет термической обработки. Интерметаллические слои формируются за счет взаимной термодиффузии металлов, входящих в состав композита на межслойных границах. Максимальная толщина интерметаллических слоев регулируется параметрами термической обработки, а именно температурой и временем выдержки при отжиге. Проведенный комплекс исследований позволил установить зависимость роста толщины прослоек интерметаллида от времени выдержки, результаты представлены на рис. 5.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 107 MATERIAL SCIENCE х100 Рис. 6. Микроструктура армированного композиционного материала на основе легких металлов и сплавов после термической обработки Fig. 6. Microstructure of reinforced composite material based on light metals and alloys after heat treatment Рис. 5. Зависимость роста толщины прослойки интерметаллида от времени выдержки в печи Fig. 5. Dependence of growth of intermetallide layer thickness on furnace holding time Анализ полученных данных свидетельствует, что максимальная толщина прослойки интерметаллида составляет порядка 90…100 мкм, при этом время выдержки при температуре 625 оС составляет порядка 300 часов. Последующая более длительная выдержка материала в печи не приводит к росту интерметаллической прослойки, что по всей видимости связано с полным прекращением диффузионных процессов. Формирование интерметаллических прослоек вдоль сварного шва композиционного бронематериала после термической обработки показано на рис. 6. Рентгенофазовый анализ прослоек интерметаллида на дифрактометре ДРОН–3М показал их состав, соответствующий интерметаллиду TiAl3 [13]. Фазовый состав композита в зависимости от времени выдержки в печи представлен на рис. 7. Высокотвердые интерметаллические слои (TiAl3) в структуре композиционной брони 2 способствуют разрушению баллистического объекта 1 на более мелкие части, что существенно снижает его кинетическую энергию, а высоковязкие алюминиевые слои композита эффективно удерживают в себе образовавшиеся осколки 5 баллистического объекта. Схема работы композиционной брони при наличии в ней интерметаллических слоев продемонстрирована на рис. 8. Рис. 7. Фазовый состав композита после отжига при температуре 625 оС с различным временем выдержки в печи Fig. 7. The phase composition of the composite after annealing at a temperature of 625°C with different furnace holding time Механизм локализации хрупких трещин в структуре композита с прослойками интерметаллида при баллистическом воздействии на него аналогичен описанному выше. При контакте с баллистическим объектом 1 возникающие в нем
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 108 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 8. Схема работы композиционной брони при наличии в ней интерметаллических слоев Fig. 8. Diagram of composite armor operation in the presence of intermetallic layers in it хрупкие трещины формируются и развиваются в основном в высокотвердых интерметаллических слоях 2, расположенных вдоль зоны соединения алюминия и титана. Распространяясь от точки контакта с баллистическим объектом 3 и достигнув точки перехода от края перфорации к зоне сварки вязкой металлической основы матрицы композита 4, трещины останавливаются на ней и их развитие прекращается (рис. 8). Оценка прочности композита в состоянии после термической обработки показала ее увеличение в диапазоне от 610,7 до 633,8 МПа, однако при этом наблюдается незначительное снижение пластичности, характеризуемое относительным удлинением в диапазоне от 2,1 до 2,7 %. Разработанные авторами работы прототипы новых композиционных броневых материалов на основе легких металлов и сплавов в ходе баллистических испытаний подтвердили высокий уровень заявленных авторами свойств и соответствие высокому классу защитной структуры СЗБ по ГОСТ Р 51112–97 и ГОСТ 34282–2017. Выводы 1. Анализ научно-технической литературы показал, что традиционно используемые монометаллические брони имеют ряд ключевых недостатков, оказывающих влияние на тактикотехнические характеристики изделий, а именно существенный вес и толщину. При этом отмечается, что композиционные неметаллические брони, в свою очередь, не способны выдерживать множественные попадания в локальные области конструкции вследствие полного своего разрушения или расслоения. 2. Представлена новая схема армирования композита с применением технологии сварки взрывом, позволяющая локализовать развитие хрупких трещин по межслойным границам при внешнем баллистическом воздействии на объект. 3. Сваркой взрывом получен армированный композиционный материал на основе сплавов титана и алюминия. Определены рациональные режимы ударно-волнового нагружения, обеспечивающие получение композиционного материала требуемого качества, проведена оценка прочности композита. С целью улучшения тактико-технических характеристик композита было предложено формирование в его структуре высокотвердых интерметаллических слоев за счет термической обработки. 4. Определены рациональные режимы высокотемпературного отжига, обеспечивающие формирование интерметаллических слоев заданной толщины в структуре композита. Исследован фазовый состав прослоек интерметаллида. Описан механизм локализации хрупких трещин в структуре композита при баллистическом воздействии на него. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности предложенной схемы армирования композиционного материала с использованием сварки взрывом и изготовления на его основе новых типов бронематериалов для широкого комплекса изделий на их основе, сочетаю-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1