Исследование кинетики процессов, структуры и свойств металлов, подвергнутых ударно-волновому воздействию потока дискретных частиц в режиме, реализующем эффект сверхглубокого проникания тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

р Г 5 СА^&РСКНЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ . ......, УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КИРСАНОВ Роман Григорьевич

УДК 539.21+669.017:53+ +621.7/.9.044.2

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССОВ, СТРУКТУРЫ II СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ УДАРНО-ВОЛНОВОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ ПОТОКА ДИСКРЕТНЫХ ЧАСТИЦ В РЕЖИМЕ, РЕАЛИЗУЮЩЕМ ЭФФЕКТ СВЕРХГЛУБОКОГО ПРОНИКАНИЯ.

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Самара 1997

Работа выполнена в Самарском государственном техническом

университете.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор- Бекренев А.Н. кандидат технических наук, доцент - Кравченко АЛ.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Амосов А.П. кандидат технических наук Маеров Г.Р.

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт "Импульсных процессов"

Защита состоится 2£ь сентября 1997 г. в час. на заседании диссертационного совета Д 063.16.03 в Самарском государственном техническом университете по адресу : 443010, г. Самара, ул. Галактпоновская, 141, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.

Автореферат разослан 2/ июля ¡997 г.

Ученый секретарь специализированного совета

д.ф-м.н., профессор - Мптлнна Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди различных способов обработки материалов особое место занимают динамические методы, связанные с использованием энергии взрыва. В настоящее время в литературе уже накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал по структуре и свойствам металлов и сплавов после ударно -волнового воздействия.

В 80-х годах, при взаимодействии разогнанного энергией взрыва до скоростей 1000-3000 м/с потока высокоскоростных дискретных частиц размерами 8-100 мкм с мпшеныо, было обнаружено сверхглубокое проникание (СГП) отдельных частиц на глубины более 1000 их диаметров, что весьма трудно объяснить с позиций гидродинамической теории. Имеющиеся публикации по этому вопросу носят весьма противоречивый характер и не проясняют от каких факторов зависит количество проникших частиц, практически отсутствуют данные по распределению легирующего вещества, введенного при помощи СГП, влиянию на него размеров частиц и мощности заряда взрывчатого вещества, используемого для разгона. Полностью отсутствуют данные изменения твердости по глубине мишеней, нет экспериментальных данных по распределению концентрации вводимого вещества в приповерхностных слоях мишеней. До сих пор не получено адекватной модели механизма сверхглубокого проникания высокоскоростных дискретных частиц, плохо описаны генераторы УВ, которые используются для разгона частиц. Для получения более целостной картины, необходимы дополнительные исследования данного эффекта.

Цель работы. Целью работы является экспериментальное исследование эффекта СГП и установление его влияния на структуру и свойства сталей, а также определение величины концентрации легирующего материала, введенного при проникании частиц в мишень, изменение концентрации и свойств материала по глубине мишеней в зависимости от величины частиц, мощности заряда взрывчатого вещества, используемого для разгона.

/

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка н создание экспериментальных установок позволяющих использовать эффект СГП для обработки деталей различной конфигурации.

2. Экспериментальное исследование распределения материала введенных частиц по глубине мишеней го сталей, установление взаимосвязи между величиной введенной концентрации, размерами частиц и мощностью заряда взрывчатого вещества (ВВ), используемого во взрывном ускорителе для разгона порошковых частиц.

3. Исследование особенностей изменения свойств и структуры сталей, обработанных потоком высокоскоростных частиц.

Положения, представляемые к защите:

• особенности распределения легирующего элемента по глубине мишеней, обработанных высокоскоростным потоком порошковых частиц, зависимость величины концентрации от размеров частиц и от мощности заряда ВВ, используемого для разгона порошка;

• экспериментальные результаты по распределению легирующего элемента в приповерхностных слоях и по глубине мишеней из инструментальных сталей;

• результаты экспериментальных данных по изменениям плотности, твердости и структуры сталей после СГП дискретных частиц, разогнанных энергией взрыва;

• уменьшение значений твердости стали в приповерхностных слоях после взаимодействия с высокоскоростными порошковыми частицами относительно значений получаемых только при ударно-волновой обработке.

Научная новизна работы. Разработана экспериментальная схема позволяющая за один раз обрабатывать детали со сложной конфигурацией поверхности. Впервые на основе экспериментальных исследований получены распределения вводимого при помощи СГП легирующего

£

элемента в приповерхностных, слоях инструментальных сталей, определены особенности распределения легирующего элемента по глубине мишеней в зависимости от мощности ВВ, используемого для разгона дискретных частиц. Экспериментально установлена зависимость концентрации введенного вещества от размеров частиц. Получены результаты, описывающие изменение твердости и плотности материала по глубине мишеней обработанных потоком высокоскоростных частиц. Показано, что обработка мишеней потоком высокоскоростных частиц приводит к снижению твердости материала в поверхностных слоях относительно значении получаемых при ударно-волновой обработке зарядом ВВ такой же мощности.

Практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы для применения явления СГП при обработке сталей, прогнозирования распределения легирующего элемента по глубине деталей, вводимого при помощи эффекта сверхглубокого проникания высокоскоростных частиц, изменения плотности и твердости , а так же структурных изменений в сталях после обработки потоком частиц. Это позволит создать высокоэффективные технологии для обработки сталей и получения материалов с заданными свойствами.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XIУ Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов " (Самара, 1995), Всероссийской научно-технической конференции "Надёжность механических систем" (Самара, 1995), III Международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1996), на Международной конференции "Shock Wave in Condensed Matter" (St. Petersburg, 1996). II Российской научно - технической конференции "Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов" (Красноармейск, 1996), 44 Научной конференции профессорско - преподавательского состава, сотрудников и аспирантов СамГСХА (Самара. 1997).

Л

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка из 120 наименований. Она содержит 139 страниц машинописного текста, 24 рисунка, 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулированы актуальность проблемы, цель и задачи исследований, положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Литературный обзор

В первой главе дан анализ работ, посвященных различным аспектам высоко динамичных процессов происходящих при воздействии на материалы ударных волн и потоков высокоскоростных дискретных частиц. Рассмотрены уравнения состояния ударно-сжатых монолитных тел и особенности уравнений состояния порошкообразных тел при ударном воздействии. Показано, что ударно-волновое нагружение металлов может приводить к образованшо дислокаций, двойников н фазовым переходам, и, сопровождается изменением температуры п прочности. Исходя из литературного анализа показано, что до сих пор не существует адекватной модели процесса сверхглубокого проникания. Рассмотрены изменения структуры металлов после СГП дискретных частиц.

Глава 2. Методика эксперимента

Вторая глава посвящена описанию методик эксперимента. Для обработки образцов потоком высокоскоростных днсперсных частиц, разогнанных зарядом взрывчатого вещества, в режиме СГП, были разработаны новые экспериментальные методики, позволяющие производить объемное легирование деталей со сложной конфигурацией поверхности и установки для их реализации. Схемы установок представлены на рпс.2.1, 2.2 Применение экспериментальной установки, изображенной на рис.2.1. позволяет обрабатывать локальные зоны

поверхности детален и повышает эффективность использования рабочего порошка за счет наличия направляющего канала. На рис.2.2 изображена схема, использование которой, в отличие от существующих, позволяет проводить обработку деталей со сложной конфигурацией поверхности за один раз. причем варьирование геометрии расположения ВВ позво.ляет изменять глубину зоны, в которой наблюдается сверхглубокое проникание дискретных частиц.

В качестве объектов исследования выбраны строительная ннзкоуглеродистая сталь - ст.З, инструментальные углеродистые стали марок - >'8, У9. У10, а также ннзкоуглеродистая легированная сталь ЗХЗМЗФ, которая содержит одинаковое со ст.З количество углерода. Стали обрабатывались потоками дискретных частиц никеля, циркония, вольфрама,титана.

Для оценки давлении создаваемых ударной волной были рассчитаны параметры взрывчатых веществ, используемых для разгона порошка, и приведены ударные адиабаты ВВ, материалов мишеней и вольфрама, различной пористости. Оценка давлений производилась по методике согласованных пмпедансов, применяемой для расчета параметров УВ при переходе ее через границу раздела двух сред.

Определение концентрации легирующих элементов и их распределение по глубине образцов производилось методом спектрального атомно-эмисснонного анализа. При использовании спектрального анализа происходит усреднение концентрации по размерам довольно большой зоны (порядка десятых долей мм2), что одновременно яв.ляется как достоинством так и недостатком, в зависимости от намерений исследователя, велика и ошибка в определении глубины с которой снимается информация (= 0.5 мм). К недостаткам можно отнести необходимость наличия довольно большого количества эталонов при

Рис.2.1. Схема экспериментальной установки.

1- электродетонатор, 2 - заряд ВВ, 3 - воздушная полость, 4,6 - части корпуса сборки. 5 - направляющий канал, 7 - порошковые частицы, 8 -.металлическое кольцо, 9 - образец, 10- зажим, 11 - станина.

Рнс.2.2 Схема для обработки детален сложной формы. 1 - детонатор. 2 - деталь. 3 - слои легирующего порошка.4 - ленточный заряд ВВ.

варьировании исследуемой концентрации в широком диапазоне, к достоинствам - высокую чувствительность 5*10"4 %.

Из всех известных методов локального анализа наиболее широкое распространение применительно к самым различным объектам исследования получил рентгеноспектральный электронно-зондовый микроанализ. Он позволяет с достаточно высокой точностью получать количественные данные о составе объектов размером до 10"1: см. сопоставлять результаты анализа с микроструктурой и не связан с разрушением образца, поэтому данный метод был выбран для исследования приповерхностных слоев образцов и сравнения с результатами, полученными при количественном спектральном анализе по распределению легирующего компонента.

Для анализа возможных структурно-фазовых изменений мишеней, после обработки потоком высокоскоростных частиц, проводился послойный рентгеноструктурный качественный анализ на дифрактометрах типа ДРОН-2, ДРОН-3. Состояние субструктуры определялось по уширеншо рентгеновских дифракционных линии.

Для измерения твердости использовался метод Внккерса. Измерение плотности производилось гидростатическим методом. В качестве жидкости использовалась дистиллированная вода пли 96" о спирт. Применение спирта позволяло исключить налипание пузырьков воздуха на образцы п, следовательно, повысить точность результатов.

Исследование микроструктуры образцов, после обработки потоком высокоскоростных дискретных частиц, проводилось на микроскопах МБИ-6 и МИМ-8, а также на рентгеновском мпкроаналнзаторе "8ирегргоЬ-733" фирмы ЧЕОЬ".

Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение

В третьей главе проведен анализ ударно-волновых взаимодействий и кинетики процессов, сопровождающих явление сверхглубокого

пронпканпя частиц. Для этого последовательно рассмотрено: I)

?

взаимодействие продуктов детонации (ПД) с порошком; 11) взаимодействие ПД. потока дискретных частиц и материала частиц с мишенью.

При взаимодействии ПД с порошком происходит разгон частиц до скоростей 1000 - 3000 м/с, причем в разгоне участвует конус заряда ВВ с высотой равной произведению радиуса заряда на отношение скорости детонации к скорости звука в продуктах детонации; прорыв продуктов детонации через порошок; разогрев частиц при взаимодействии с фронтом детонационной волны и дополнительное увеличение температуры из-за контакта с потоком разогретого газа.

При рассмотрении нагрева частиц тугоплавкого материала будем считать, что частицы имеют сферическую форму, так как время сфероидизацнн частицы 1«, после ее расплавления, оказывается много меньше времени нагрева частицы до температуры испарения, что позволяет пренебречь микронеровностями на ее поверхности. Исходя из этого, время нагрева частицы до температуры плавления оценивается из соотношения:

где Ло - размер частицы; Су - теплоемкость материала частиц; у -плотность материала частицы; // = 1,03 • Ю-4 град-1; а - постоянная Стефана-Больцмана; - температура газа; Тто - температура плавления материала дискретных частиц; а значение величины С| рассчитывается по формуле

где г - постоянная, для вольфрама принимает значение равное 0,024 град-'.

Численные оценки, проводимые, например, для частиц вольфрама диаметром 25 мкм (Су = 0.032 кал/Огтрад), у == 19,3 г/см 53 0, Тш*3650 К) дают значение времени нагрева до температуры плавления равное 105 мкм. Время полета частиц имеет величину порядка 40 мкс. Видно, что эти

(3.1)

С,

— Р

2 \! 2 л т

(3.2)

величины различаются в 2.5 раза, следовательно полного плавления частиц вольфрама при движении в горячем газе не происходит. Оценка температуры до которой нагреваются частицы при движении дает значение « 2000 К.

При соударении частиц между собой и с поверхностью мишени возникает сила трения и выделяется тепло, которое распределяется по поверхности частиц и состоит из 2-х частей: 1. тепло, выделяемое во всем объеме под действием ударной волны (оно выделяется и в твердом теле): 2. тепло, выделяемое на поверхности частиц при их столкновении. Совместное действие вышеописанных механизмов может приводить к локальному плавлению поверхности частиц, что подтверждается образованием покрытия на поверхности мишени (так как по литературным данным невозможно образование покрытия на поверхности мишени при взаимодействии с ней потока частиц, находящихся полностью в твердом состоянии). Оплавление же поверхности частиц, должно значительно уменьшать трение между ними и материалом мишени при сверхглубоком внедрении частиц.

Рассмотрим взаимодействие ПД, потока дискретных частиц и материала частиц с мишенью. Давления УВ, возникающей в мишени из-за соударения с продуктами детонации имеет величину порядка 1 - 2 ГПа.

При оценке параметров взаимодействия потока частиц, как пористого тела, использовалась методика согласованных импедансов. Адиабата Погонно для потока частиц вольфрама строилась по данным приведенным в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Ударная адиабата пористого вольфрама (т=3.55)

и.км/с ; 0.31 0.61 0.95 1.41 : 1.77 ; 1.98 . ... л _______

Р.ГПа | 2.96 4.55 6.21 15.40 23.90 29.70

Расчет адиабат мишеией проводился по формуле - 1Э=С + Ьи + Ви2. Значения С, Ь, В для фазы низкого давления брались равными соответственно 3.574 км/с; 1.920; -0.068 с/км , для фазы высокого давления -3.664 км/с; 1.79; 0.0337 с/км. Используя законы сохранения полученные данные преобразовывались к виду Р=Р(и) и приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Уляпняя я лиябятя (Р-1 П стялгт

и,км/с 0.10 | 0.40 | 0.70 1.00 1.30 1.60 ! 1

Р.ГПа 2.96 | 13.64 | 27.16 1 1 42.24 60.03 80.05 |

Из таблиц 3.1. 3.2 2 видно, что при взаимодействии потока частиц пористостью т=3.55 с материалом мишени давление УВ составляет 34 ГПа, при пористости т=4.5 - Р= 25 ГПа, а при более высокой пористости т=8 (данное значение наиболее соответствует пористости потока частиц вольфрама в схеме эксперимента) давление снижается до значений 10-13 ГПа.

Проведем оценку параметров взаимодействия материала самих частиц с мишенью. Рассмотрим дискретное тело (например, частицу вольфрама) летящее со скоростью 1500 м/с. Адиабату сплошного вольфрама рассчитаем используя соотношение Б =4005 + 1.268и и законы сохранения. Данные для адиабаты мишени возьмем из таблицы 2 - получим давление 94 ГПа. Прохождение УВ такой интенсивности должно сопровождаться образованием значительного количества дефектов кристаллической структуры, увеличением вероятности перехода вакансия - пора, и, как следствие, увеличением пористости мишени, что может служить хорошим доводом в пользу кавптационного механизма СГП. Ударная волна с таким давлением вызывает нагрев мишени до температур порядка 1000 К, что должно приводить к релаксации структуры и уменьшению твердости.

Таким образом, процесс СГП дискретных частиц сопровождается тремя последовательными взаимодействиями:

/О

1) Относительно слабого - потока продуктов детонации с материалом мишени, при котором давление в мишени не превышает давления упругого предвестника (для сталей 0.23 - 1 ГПа).

2) Более сильного - потока частиц с материалом преграды с давлением 10-13 ГПа по всей поверхности образца.

3) Локально - сильного - непосредственно самой частицы с поверхностью мишени, с зоной воздействия не превышающей диаметра частицы. Давление при этом достигает значений 94 ГПа.

При взаимодействии потока частиц размерами 8-100 мкм. разогнанных взрывными ускорителями описанными во второй главе, до скоростей 1,03,0 км/с, наблюдается эффект сверхглубокого проникания частиц иа глубины порядка нескольких сантиметров. При этом очевидно, что механизм массопереноса при явлении СГП существенно отличается от массопереноса при любом динамическом воздействии н до сих пор не понят. Данное явление перспективно использовать для объемного микролегирования металлов. Легирование мишеней может осуществляться за счет нескольких факторов : 1. Остановки высокоскоростных частиц в материале м мишени. 2. Путем "обдирания" частицы при ее движении в мишени. 3. За счет аномального массопереноса. Оценить вклад каждого механизма очень трудно.

Для практического применения явления СГП для легирования металлов важно знать распределение легирующих элементов по глубине обрабатываемого образца в зависимости - от мощности ВВ, используемого для разгона порошка; от диаметра частиц; от свойств материала мишени; тем более что эта информация может сыграть важную роль в выяснении механизма сверхглубокого проникания дискретных частиц, однако в литературных источниках именно этот вопрос наименее затронут.

На рнс.3.1-3.3 представлены экспериментальные кривые распределения е вольфрама по глубине образцов Н из сталей марок - У8 , У9 , У10 полученные методом послойного количественного спектрального атомно-

О 10 20 30

Н,тт

Рпс.З.^. Распределение легирующего элемента по глубине мишеней из ст. >'8 после СГП частиц вольфрама размерами: 1) 8-16 мкм, 2) 20-40 мкм. разогнанных взрывом насыпного гексогена.

РнсЭ.Л. Распределение вольфрама по глубине мишеней из ст. У9 после СГП частиц ГГразмерамп 8-16 мкм (1). 20-40 мкм (2), разогнанных взрывом: а) -гексогена. б) - окфола.

0.35

О

0.25 0.20

О 10 20 .30

Н,тт

Рпс.3.3. Распределение легирующего элемента по глубине мишеней пз ст.УЮ после СГП частиц вольфрама размерами 8-16 мкм. разогнанных взрывом: 1) гексогена , 2) окфола.

эмиссионного анализа. Из рисунков видно, что распределение концентрации введенного при помощи СГП легирующего элемента носит квазипериодический характер. Анализ полученных данных позволил сделать вывод - концентрация введенного элемента увеличивается при использовании для обработки образцов более мелких частиц, что связывается с увеличением площади контактной поверхности частиц с мишенью на единицу массы порошка при использовании более мелкого порошка, ледовательно, варьирование размерами дискретных частиц позволяет получать различные значения концентрации легирующей добавки в объеме мишеней при фиксированном значении мощности и типа ВВ, используемого для разгона частиц во взрывном ускорителе. Распределение легирующего компонента при фиксированном размере частиц в зависимости от мощности заряда носит индивидуальный характер.

В

\ \ ]

: ] |

-ппгп-п! ..... мм!

В таблице 3.3 представлены результаты, полученные при исследовании образцов из стали У8, обработанных высокоскоростными порошковыми частицами вольфрама (диаметром 20-40 мкм), разогнанными при взрыве насыпного гексогена ; в таблице 3.4 - сталь >'10. обработанная частицами вольфрама (диаметром 8-16 мкм), разогнанными при взрыве окфола (где Н - глубина, отсчитываемая от контактной поверхности; С- концентрация вольфрама; БО - среднеквадратичная ошибка). Параметры обработки образцов были идентичны с образцами, данные по легированию которых представлены на рис. Из данных таблиц видно, что после слоя на поверхности с концентрацией равной 20-32 %, следует слой с полным отсутствием следов вольфрама, то есть на глубинах до 200 .мкм не наблюдается легирования матрицы пролетающими частицами, таким образом на этом отрезке пути пролетающие частицы фактически не изменяют своей массы.

Таблица 3.3

Изменение концентрации вольфрама по глубине ст.У8, обработанной

высокоскоростными частицами вольфрама размерами 20-40 мкм

Н,мкм 0 . | 100 200 300 | 400 500

С,% 20.668 0.000 0.000 ! 0.009 1 0.025 ' 1 0.048

80,% 3.231 0.000 0.000 0.008 | 0.005 0.006

Таблица 3.4

Изменение концентрации вольфрама по глубине ст.УЮ, обработанной высокоскоростными частицами вольфрама размерами 8-16 мкм

И,мкм 0 100 200 300 400 500

С,% 32.917 0.000 0.000 0.016 0.089 0.082

БО.ЧЬ 2.554 0.000 0.000 0.031 0.008 0.012

Приведенные данные могут играть важное значение для уточнения механизма сверхглубокого проникания. В свете полученных результатов

М/

некоторые из существующих моделей нуждаются в изменениях. Так. при использовании модели СТП частиц в которой предполагается, что изменение массы частиц происходит по закону - т = т (1 - Л г/Т) , где Л =(п)о- т)'то. где то - начальная масса ударника. Т - полное время процесса; требуется уточнение динамики изменения массы частицы во времени (например, введением времени задержки изменения массы).

В таблице 3.5 представлены результаты атомно - эммиспонпою анализа по определению концентрации титана в образцах т пали У8. обработанных высокоскоростными частицами тшана. рп км наннымк взрывом гексогена ( р- 1.0 г/см3. Б = 6050 м/с, Р = 10 ГПа). Как видно из таблицы 2.5 количество легирующего материала, вводимого при помощи СТП частиц будет зависеть не только от размеров частиц и мощности заряда ВВ. но и от природы материала, из которого они состоят.

Таблица 3.5

Изменение концентрации титана гю глубине мишени из ст.УЗ. обработанной высокоскоростными частицами титана, размерами 8-16 мкм

Н.мм 5 ; ю 1 ]5 ! 20 ;

С,% I 0.021 , 0.022 ; 0.023 | 0.023

В работе проведено разделение влияния на плотность мишеней ударно-волновой обработки и обработки потоком высокоскоростных дискретных частиц. Для уменьшения влияния внешних параметров на экспериментальные результаты масса взрывчатого вещества, схема обработки, размеры образцов и масса метаемого порошка выбирались одинаковыми.

На рис 3.4 представлено изменение плотности образцов из сталей >'8 н У9 после ударно-волновой обработки взрывом гексогена и после взаимодействия мишеней с высокоскоростными частицами вольфрама диаметром 8-16 мм. разогнанными гексогеном. Вольфрам, в качестве

АГ

материала частиц, выбирался в связи с значительными отличиями ег плотности от материала мишеней и. следовательно, большей вероятность! обнаружить изменения плотности, обусловленные его введением. Ка видно из рисунка (кривая 1). после ударно - волновой обработк происходит увеличение плотности с удалением от контактно поверхности. Данное поведение плотности объясняется тем, чт прохождение УВ по метадлу сопровождается нарушениями сплошност материала - увеличением количества дефектов, образование: субмпкротрещин. При обработке образцов потоком высокоскоростны частиц вольфрама характер распределения плотности материала п глубине меняется - появляется ярко выраженный минимум, для стали У обработанной частицами вольфрама дисперсностью 8-16 мкм он находите на расстоянии 19-21 мм от поверхности (см. кривая 2 рис.3.4), у стали У после аналогичной обработки - на расстоянии 12-15 мм (кривая 3;.

Рис.3.4. Изменение плотности мишеней по глубине после:

1 - ударно-волновой обработки стали >'8;

2 - взаимодействия с потоком частиц вольфрама (ст.У8):

3 - взаимодействия с потоком частиц вольфрама (ст.У9).

Изменение вида распределения плотности по глубине по сравнению с ударно-волновой обработкой объяснено появлением каналов, остающихся в местах прохождения частиц и. следовательно, уменьшением величин плотности материала мишеней . а также влиянием высокой температуры, получаемой на поверхности материала мишеней из-за остановки частиц и переход}' их кинетической энергии в тепловую, которая может приводить к отжигу дефектов п залечиванию как микротрешин. так и каналов. чк> проявляется в повышении плотности приповерхностных слоев.

Ударное воздействие на стали должно вызывать процесс:.! как упрочняющие, так и разунрочняющпе материал. Разупрочнение вызываться влиянием нагрева, возникающем в ударно-сжатом материал'. При обработке сталей потоком частиц значительная часть дискретных частиц остается па поверхности (до 70 "И. расходуя свою кинетическою энергию на нагрев поверхностно!о слоя. На рис.5.5 представлен.'! микрофотография поверхностных слоев стали У8 после обработки порошком вольфрама. Как видно из рисунка на поверхности образца образуется покрытие, состоящее пт частиц порошка. Значения микротвердостп покрытия (НА' = 340 ) показали, что покрытие состоит именно из спеченных, не расплавившихся полностью частиц вольфрама.

а) б)

Рис.3.5. Фрагмент структуры приповерхностного слоя в стали >"8.

а) световое изображение во вторичных электронах:

б) в характеристическом излучении вольфрама:

так как твердость расплава вольфрама выше и составляет 600 НУ, чт наблюдается при использовании для разгона частиц окфола. Такн образом, из анализа твердости покрытия и металлографии сделан выво. что использование насыпного гексогена во взрывном ускорителе д~ разгона порошка позволяет получить на поверхности образцов покрыл из частиц вольфрама, сваренных по поверхностям, а применение окфола покрытие, состоящее из расплава вольфрамовых частиц, что связано изменением параметров ВВ используемых для разгона порошка.

На рпс.3.6 представлено изменение твердости ст.УЗ с глубиной пос; ударно - волновой обработка и после С'ГП частиц размерами 8-16 мю Как видно из рисунка, после взаимодействия только УВ твердост материала уменьшается с удалением от поверхности (кривая 4), т.: соответственно убывает давление в ударной волне. После СГП дискретнь частиц изменяется характер зависимости твердости материала с расстояния до контактной поверхности, происходит как сннжеш твердости на малых глубинах, относительно значений полученных д^

мишеней обработанных только ударной волной, которое авторы

^ ЗС5-

Рпс.3.6. Изменение твердости по глубине мишеней из ст.У8 после СП микрочастиц размерами 8-16 мкм: 1) вольфрама ; 2) титана; 3) циркония; -ударно-волновой обработки ст.УЗ.

связывают с увеличением температуры материала из - за прохождения пакета УВ и перехода кинетической энергии остановившихся частиц в тепловую, так и повышение значений твердости мишеней на больших глубинах из-за введения легирующего материала в результате С'ГП частиц, остановки частиц и воздействия добавочной ударной волны, вызнанной соударением высокоскоростного потока порошка с мишенью. Для кривой 1 (рис.3.6) увеличение твердости мишени на глубинах 10-12 мм связано как с увеличением концентрации вольфрама до 0.49 % из-за остановки некоторой части частиц (см. рпс.З.) - лоя.членне максимума на концентрационной кривой 1). так п возникновением дополнительных напряжений в местах остановки частиц.

При исследовании мишеней из нелегпрованных сталей после обработки высокоскоростным потоком дискретных частиц не выявлено значений твердости характерных ятя марте-нситнои фа ы. Поск-Ииый рентгеноструктурный анализ приповерхностных слоев эшх аалей подтвердил отсутствие мартенсита. Это может быть связано с тем. чти частота соударения частиц с мишенью находится в ультразвуковом диапазоне, а ультразвуковая обработка конструкционных сталей прнводш к образованию в зоне термического влияния немартснсптных продуктов превращения аустенша - феррита п перлита. Причем твердость металла н зоне термического влияния при ультразвуковой обработке снижается. Поэтому наблюдаемое снижение в поверхностных слоях твердости материала после СГП дискретных частиц относительно значений, полученных ятя мишеней, обработанных только энергией взрыва аналогичной мощности, .может обуславливаться не только нагревом приповерхностных слоев п образованием каналов, но п влиянием ультразвука, возникающего при соударении потока дискретных частиц с поверхностью мишени.

Проведена аналогия между явлением СГП и детонационным напылением. Показано, что по своей природе структурные эффекты в

приповерхностных слоях мишеней, сопровождающие явлени сверхглубокого проникания дискретных частиц, близки к пзмеЕ1ения5 происходящим при нанесении детонационных покрытии, так как природ; физических процессов при СГП и формировании детонацпонны. покрытии имеет некоторые общие черты, связанные с взаимодействие: потока частиц с поверхностью твердого тела. Оба процесса являютс сложным комплексом взаимосвязанных явлений, включающи газодинамические, .механические, химические и другие аспекты. На рнсЗ. представлены фрагменты приповерхностных зон стали У8, У10 поел сверхглубокого проникания высокоскоростных дискретных частиц. Ка видно из микрофотографии происходит формирование покрытия образование переходной зоны, заметны и тонкие, светлые полосы н границе контакта порошок - сталь, аналогичные изменения происходя при детонационном напылении.

а)

б)

г

2ДГ.:

1ЩЩЩЩ

^ л.? г

- ттт

<

* »

Г

Рис. 3.7.Фрагменты микроструктур переходных зон. а) ст. У10: б) ст. >"8.

При исследовании структуры инструментальных углеродистых ¡1 легированной сталей после обработки потоками высокоскоростных дискретных частиц, получены экспериментальные результаты показывающие, что существенное изменения структуры наб.подаегся только в районе треков частиц.

На рис. 3.8. представлена микрофотография полированного участка поверхностного слоя мишени из стали УЮ. Как видно из рисунка, в это!! стали трек частицы состоит из каплеобразных пор с тошс!ш)I перемычкам11

••-Г ,

I

I

I

Рнс.3.8. Фрагменты структуры приповерхностных зон стали У10. обработанной порошком вольфрама, после полировки, а) х . б)х .

отделяющими одну пору от другой, это объясняется тем. что при движении частиц в мишени может происходить периодический выброс расплава в струе разгрузки. либо приведенная микрофотография служит подтверждением проникания частиц в результате образования пор при прохождении фронта УВ, либо кавптацнонного механизма проникания частиц.

На рис 3.9, 3.10 представлено изменение структур ст.У8 и ст.УЮ после СГП дискретных частиц. Как видно из рисунка, в стали У8 наблюдается образование зоны возмущения вокруг каналов . ширина зоны равна 2-5

а)

л

- - "эрг".

*

их,-

Ъ)

" 5

с)

ч» с ^

/

¿44

1

......

Рпс.3.9. Фрагменты микроструктур стали У8. а) Исходная структура. После обработки частицами: Ь) титана; с) вольфрама.

Рис.3.10. Структура стали У10 после взаимодействия высокоскоростных частиц вольфрама с границей зерна.

диаметрам канала,, остающегося после прохождения частицы. Образование данных зон связывается:

1. С распадом нементптных пластин при пластической деформации и нагреве стали.

2. Проникновением легирующих элементов со стенок канала в матрицу, так как в условиях скоростной пластической деформации кристаллических твердых тел {с > 20 с-'J скорость миграции атомов в них превышает скорость диффузионного переноса в жидком металле, что должно приводить к образованию значительной легированной зоны вокруг

3. Образованием мелкодисперсного пересыщенного раствора углерода з феррите.

На микрофотографии структуры стали >'10 отчетливо видно изменение границы зерна после прохождения высокоскоростной час шли вольфрама. Прохождение высокоскоростных частиц в зернах стали УЮ в;.,г::ьп-:: Л' разрыв чередующихся цементпт-ферритных пластин и смешение зторичного цементита в направлении движения частицы, причем чем ближе к треку, тем больше отклонение границы зерна от первоначально! о положения. По смешению границы зерна сделана оценка величины деформации, вызванной прохождением частицы, которая дала значение равное 0.05. Как видно из микрофотографии, переход частиц через границы зерен не оказывает значительного влияния на траекторию движения. Анализ треков частиц позволил отвергнуть механизм проникания - в результате движения по границам зерен.

2Л

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Впервые произведена оценка кинетики сверхглубокого проникания . ка серии последовательных быстропротекающпх процессов: ударнс волнового взаимодействия продуктов детонации с порошком и матрице! а также взаимодействия потока частиц с материалом мишени. Показан« что полученные оценки температуры и давлений хорошо согласуются экспериментальными данными.

2. Экспериментально исследована зависимость концентрации введеног легирующего компонента в углеродистые инструментальные стали о размеров частиц и мощности заряда, используемого для их разгон; Обнаружено, что во всех случаях распределение легирующего компонент носит квазипернодический характер, причем в рассматриваемо диапазоне размеров частиц вне зависимости от мощности заряд взрывчатого вещества, меньшему размеру частиц соответствует больше его концентрация, а следовательно н количество проникших в материя матрицы частиц, распределение легирующего компонента пр фиксированном размере частиц в зависимости от мощности заряд; используемого для разгона, носит индивидуальный характер.

3. Впервые установлено, что при сверхглубоком проникании части вольфрама в рассмотрено« диапазоне мощностей зарядов, размере частиц и типов стали после слоя на поверхности с концентрацией равно 20-30%, следует слой (200 мкм) с полным отсутствие следов вольфрама, чт отвечает условию полного отсутствия взаимодействия между мишенью частицами.

4. Исследовано изменение твердости углеродистых сталей после обработь потоком высокоскоростных частиц. Показано, что сверхглубок проникание приводит к изменению характера зависимости твердое! образцов от расстояния до контактной поверхности по сравнению с i

обработкой только ударной волной, причем величина твердости зависит от природы внедряемого материала.

5. Экспериментально исследовано изменение плотности по глубине мишеней из углеродистых сталей после обработки высокоскоростным потоком дискретных частиц. Показано, что изменение плотности объясняется сложным характером ударно-волновых процессов, неравномерностью распределения легирующего элемента по глубине и дефектам структуры, возникающим в результате сверхглубокого проникания частиц.

6. При исследовании структуры инструментальных углеродистых и легированной сталей после обработки потоками высокоскоростных дискретных частиц. получены экспериментальные результаты показывающие, что существенное изменения структуры наблюдается только в районе треков частиц от зон активной пластической деформации в стали >'8 до разрывов чередующихся цементит - феррнтных пластин и смещения границ зерен по направлению движения частиц в стали >'10.

7. Разработаны новые экспериментальные методики для обработки образцов потоком высокоскоростных дисперсных частиц, с использованием заряда взрывчатого вещества для его разгона, позволяющие производить объемное легирование деталей со сложной конфигурацией поверхности и установки для их реализации.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Бекренев A.M., Кирсанов Р.Г., Кривченко А.Л. Исследование структуры и свойств углеродистых сталей, после сверхглубокого проникания высокоскоростных частиц. /./Тезисы докладов XIV Международно!'! конференции "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов". Самара, СамГТУ. 1995. С.445.

2S

2. Бекренев А.Н, Кирсанов Р.Г., Крнвченко АЛ. Особенности структуры i свойств ст.У8 и У10 после сверхглубокого проникани: высокоскоростных частиц. //Тезисы докладов всероссийской научно технической конференции "Надёжность механических систем". Самара 1995. С.25.

3. Бекренев А.Н. Кирсанов Р.Г., Крнвченко A.JI. Особенносп распределения вольфрама после высокоскоростной бомбардировю вольфрамовыми частицами. //Письма в ЖТФ. 1996. т.22,вып.2. С.87-89.

4. Бекренев А.Н., Кирсанов Р.Г. Структурные эффекты и особенност! распределения легирующего элемента после сверхглубокого проникали высокоскоростных частиц. //Тезисы докладов III международно школы-семинара "Эволюция дефектных структур в конденсировании средах". Барнаул. 1996. С.38.

5. Алексенцева С.Е., Исаев Д.В.. Кирсанов Р.Г., Крнвченко A.J Обработка стали ЗХЗМЗФ энергией взрыва. //Тезисы докладов I] международной школы-семинара "Эволюция дефектных структур конденсированных средах". Барнаул, 1996. С.39.

6. Кирсанов Р.Г.. Калашников В.В., Крнвченко A.JI. Распределен! вольфрама в приповерхностных слоях инструментальных сталей пр сверхглубоком проникании порошковых частиц вольфрама. //Письма ЖТФ. 1996. т.22. вып. 17. C.2S-37.

7. Кирсанов Р.Г., Крнвченко А.Л., Бекренев А.Н., Исаев Д.В., Крнвченк A.A. Способ упрочнения металлических изделий. //Заявка N 96100457/С от 9.01.96.

8. Кирсанов Р.Г., Крнвченко А.Л., Калашников В.В., Исаев Д.Е Крнвченко A.A. Способ упрочнения металлических изделий. //Заявка 96100456/02 от 9.01.96.

9. Калашников В.В., Кирсанов Р.Г., Крнвченко А.Л., Исаев Д.: Особенности распределения легирующего элемента в конструкцноннь сталях после обработки потоком высокоскоростных порошковь

частиц, разогнанных ВВ из расснаряженных боеприпасов. //Тезисы докладов II российской научно - технической конференции "Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов". Красноармсиск. 1996. С. 177.

10. Кирсанов Р.Г., Кравченко Л.Л. Взаимодействие высокоскоростных частиц с углеродистыми сталями. //Тезисы докладов 44 научной конференции профессорско - преподавательского состава, сотрудников и аспирантов. Самара. СГСХЛ. 1997. С.38.

Объем 1.4 пл.

Мабрано па персональном компьютере.

Размножено на ксероксе. Тир. 100 чкз.

2 7-