Ударно-волновые процессы при поверхностном легировании металлов взрывом тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Ре'о

/ л о

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЖВДИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО'ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.Ломоносова

На правах рукописи УДК 532.593; 621.762

РАХИМОВ Артур Эдуардович

УДАРНО-ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ЛЕГИРОВАНИИ МЕТАЛЛОВ ВЗШВОМ (01.02.05 - механика жидкостей, газа и плазмы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1590

Работа выполнена на кафедре гидромеханики механико-математического факультета Московского государственного университета и в лаборатории взрывных и ударных процессов Института механики МГУ.

Научные руководители: академик АН СССР Г.Г.Черный

доктор технических наук, профессор К.И.Козорезов

доктор технических наук, профессор Р.П.Дидык кандидат физико-математических наук, доцент Ю.А.Созоненко

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: Институт физики высоких давлений

им. Л.Ф.Верещагина АН СССР

"А?" .ХаЛЛ 1990г. в ^

Защита состоится

час.

на заседании Специализированного совета Д.053.05.02 при Московском государственном университете по адресу: П9899, г. Москва, Ленинские горы, Главное здание МГУ, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале механико-математического факультета МГУ.

Автореферат разослан "12-" 199 Ог.

Ученый секретарь Специализированного совета Д.053.05.02 при МГУ профессор

"К.

В.П.Карликов

.<':'" I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

_. -- Актуальность проблемы. Важное место в задаче повышения эксплуатационной надёжности и работоспособности деталей машин и механизмов занимают проблемы создания защитных покрытий, новых и композиционных материалов с использованием конденсированных взрывчатых веществ (ВВ). В процессе ударного нагружения порошкообразного материала за счет высокоинтенсивного воздействия происходит уплотнение, деформация, разогрев, вплоть до плавления или испарения, частиц материала, метание всего слоя. В таких экстремальных условиях возможны синтез новых материалов, формирование прочных связей между частицами в слое и на границе с основным металлом (подложкой), поверхностное легирование (образование промежуточного высокотвердого слоя из материалов порошка и подложки).

Создание новых материалов с их одновременным нанесением в неравновесных условиях в виде покрытий на металлические поверхности эткрывает новые возможности и перспективы в областях сварки, образования покрытий и композиционных материалов. Обладающие более высокими служебными свойствами',такие изделия не могут быть получе-ш в условиях равновесия.

Диссертация посвящена теоретическому, экспериментальному и меленному исследованию явления поверхностного легирования метал-юв взрывом при использовании порошковых материалов, анализу воз-шкающих эффектов при прохождении прямых и косых ударных волн (УВ).

Работа проводилась по плановой теме НИИМ МГУ на 1986-1990г.г. 'Исследование взрывных методов получения и обработки металлических ¡атериалов", которая предусмотрена научным направлением КП АН СССР !.И5"Новые процессы получения и обработки металлических материалов" : КП НТП СЭВ по проблеме 4.3.7 "Получение новых материалов при ис-гальзовании высоких статических и динамических давлений".

Цель работы - разработка научных основ явления поверхностного легирования достигалась решением следующих основных задач:

- разработка физико-математической модели пористой среды при прохождении в ней ударных волн средней и большой интенсивности;

- определение параметров косых УВ в порошках при использовании различных схем их ударно-волнового нагружения;

- ппррделение режимов отроения косых УВ от подложки;

- изучение влияния режима отражения УВ и его характеристик на получаемые структуры и покрытия;

- выполнение экспериментальных исследований по установлению качественных и количественных зависимостей получаемых характеристик изделий от параметров ударного нагружения;

- установление определяющих условий и критических границ поверхностного легирования.

Научная новизна:

- получена формула для нахождения коэффициентов линейной зависимости между скоростью распространения УВ и массовой скоростью за ней для порошкообразных веществ по их константам;

- найдена аналитическая формула, позволяющая рассчитать максимальные углы поворота и соответствующие параметры в косых УВ при фиксированной скорости набегающего вещества с упоминавшейся линейной зависимостью;

- предложено решение задачи о . косом ударе пластины и слоя порошка;

- выведена аналитическая формула, позволяющая предсказывать теоретическую возможность реализации схемы стационарного маховского о' ражения УВ от абсолютно твердой стенки;

- проведен теоретический анализ перехода регулярных режимов отражения косых УВ в нерегулярные для порошков на основе численных

эасчетов и аналогии с экспериментально изученным случаемгаза ;

- предложен механизм образования поверхностного легирования три ударно-волновом взаимодействии, основанный на численных расчетах и экспериментальных данных.

Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты мо-чут быть использованы для расчетов распространения УВ^орошкообраз-шх веществах и предсказания поверхностного легирования.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались ia заседаниях семинара по газовой динамике Института механики МГУ юд руководством академика АН СССР Г.Г.Черного, на Ломоносовских гтениях в МГУ в 1989 году.

По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, че-'ырех глав, заключения и списка литературы из 129 наименований. 06-¡ий объем работы- 136 страниц, в том числе 55 рисунков и 8 таблиц на 6 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность теш исследования, фор-улируются цели работы, кратко изложено содержание глав,основных по-ожений и результатов.

Первая глава посвящена литературному обзору.

В параграфе I.I описаны экспериментальные данные разных авто-ов по поверхностному легированию металлов, созданию защитных пок-ытий из порошкообразных веществ. Значительная часть этих исследо-аний проведена в лаборатории взрывных и ударных процессов ММ ме-аники МГУ. Показаны различные физико-химические процессы при по -эрхностном легировании сталей бором, вольфрамом, графитом и др. эществами. Вьщелены четыре зоны в обработанных образцах, измерены

Рис.1. Рис.2.

их микротвердости. В результате экспериментальных исследований установлены достаточные условия существования поверхностного-легирова ния, рассмотрено влияние параметров процессов на толщину промежуточ ного слоя при применении различных схем ударного нагружения. Наибо лее часто использовалась схема на рис. I, а также схемы, отличающие ся от рис.1 некоторым ненулевым углом между свободной поверхностью порошка и метаемой пластины и инициированием ВВ с разных сторон. Пр водятся некоторые экспериментальные и теоретические данные, собранные в работах А.М.Каунова с др. авторами. Ими показаны преимущества применения взрывного способа нанесения покрытий (рис.2) на стальную основу по сравнению с другими применяемыми способами: наплавкой тре нием, газоплазменным, плазменным, детонационным, электровзрывным. Описан предложенный этими авторами механизм образования металлиза-ционных слоев.

В параграфе 1.2 проводится краткий литературный обзор некоторы существующих моделей пористых сред при прохождении в них ударных волн.

Во второй главе исследуется возможность аппроксимации ударных адиабат пористых тел линейной зависимостью между скоростью распрост

ранения ув £) и массовой скоростью за ней и.. Указанная зависимость записывается для сплошных тел в виде

2=Д-Ви С)

где А и В некоторые константы вещества.

При использовании для сплошных и пористых тел уравнения состояния Ми-Грюнайзена с коэффициентом Грюнайзена, меняющимся по закону — > где - плотность, нулевой индекс относится к состоянию при нормальных условиях, получается часто используемая ударная адиабата для значений < ^ < \ при <

р >(У0-У) у-Г1-г,)у» '4/0

Г (6У-(6-1)Уо)гУ-У00 + |У„ (г)

Здесь р. - давление за фронтом УВ, V = ^ , \/00 -удельный объем пористого вещества, = ^ - коэффициент пористости. Давлением р0 пренебрежём.

Такой подход в описании пористых тел основывается на следующих допущениях: пренебрежение прочностью частиц, энергией диспергирования, газом, находящемся в порах. Поэтому формула (2) хорошо

согласуется с экспериментальными результатами для средних и силь-

Р . 4

ных УВ, что примерно соответствует "з ' и Д°критичес-

ких пористостей + что является необходимым и достаточ-

ным условием для • '

На основе анализа ударных адиабат (2) для констант А ,^ , реальных веществ в плоскости (IX, й ) предложены приближенные формулы для коэффициентов этой зависимости, которую можно считать для средних и сильных УВ линейной с константами

й'. й (1-{ (т-0

(3)

для ГП 4 ^г, для остальных 1 + ^г 4 ТП 4 1 +

1 + | (1- 1° - (5)

Исследование экспериментального материала по распространению УВ показало, что часто линейное соотношение между скоростью распро-

ГЛ1 ../

странения УН оС и массовой скоростью за ней (Л. для пористого материала

. ■Э'-В'+й'а' (б)

хорошо выполняется не только для средних и сильных, но и для слабых УВ, что происходит при близости Я и объемной скорости звука в пористом материале.

Доказано, что аномальный ход ударных адиабат (достигаемая пло' ность за УВ уменьшается с ростом давления за ее фронтом) существуе' тогда и только тогда, когда при аппроксимации участка произвольной ударной адиабаты с помощью (6) константа А' является отрицательной.

В параграфе 2.2 кратко рассмотрены возникающие тепловые эффек ты, предложен простой способ определения равновесной температуры после прохождения УВ.

Рассмотрение косых УВ в параграфе 2.3 для веществ с зависимостью (I) привело к нахождению аналитических фор\ул для пара -метров, определяющих УВ с максимальным углом поворота вещества при фиксированной скорости «О набегающего потока. Например, для из-

менения массовой скорости за такой.УВ получено

и. =

Другие параметры, соответствующие таким УВ, легко находятся

13 законов сохранения касательных составляющих скоростей, массы и

угол

шпульса, с использованием (I), (7) и 5)= <2), где Ср -тадакщей косой УВ.

В главе 3 исследована задача об определении параметров косых ударных волн, получаемых энергией взрыва, при применении различных ;хем ударного нагружения. В параграфе 3.1 приведены известные формулы по расчету скорости и угла изгиба пластины, разгоняемой с по-гащьга слоя ВВ, расположенного на пластине. Косой удар пластины о :лой порошка приводит к возникновению УВ в нем (параграф 3.2), эту ТЗ можно рассчитать при условии существования об.:их точек (рис.3) ' сердцевидных кривых, соответствующих состояниям за УВ для пласти-ш и порошка П^ при фиксированной скорости 2) движения точки сонтакта веществ. При наличии нескольких точек пересечения указании кривых предпочтение следует отдавать точке с наименьшим давле-шем, которая, как это показано, соответствует состояниям с направ-[ением скорости между начальными направлениями пластины и порошка.

В параграфе 3.3 рассмотрена схема с непосредственным взаимодей-:твием пористой среды и взрывчатого вещества (рис.4). Фронт детона-

Р]

уч

у К

/ V 9

ОкСБвхХ \

< /Ч Vх ><

' .' .порошок .'• •.'■

/у> /подложка/

/ ///.Л /

Рис.З.

Рис.4.

ции при применении специальных двухслойных ВВ может иметь произвольный наклон к границе раздела ВВ - порошок. Задача нахождения параметров косой УВ допускает простое геометрическое толкование, основанное на существовании общих точек в плоскости ( 0 , р ) (здесь 0 - угол наклона скорости вещества к границе раздела ВВ - порошок) у сердцевидной кривой порошка и кривой, соответствующей центрированной волне Прандтля-Майера для продуктов детонации за прямым детонационным фронтом Чепмена-Жуге.

В четвертой главе рассмотрен вопрос о связи режимов отражения косых УВ и явления поверхностного легирования.

В параграфе 4.1 показано, что для веществ с зависимостью (I) и уравнением состояния Ми-Грюнайзена существование стационарной ыаховской конфигурации отражения косой УВ от абсолютно жесткой стенки при фиксированном «О зависит от знака некоторой константы

Если , то существует такой угол падения косой УВ ср,

при котором реализуется стационарное маховское отражение, при К< ни для какого стационарная маховская конфигурация невозмож-

на, Этот вывод получен на основе теоретического анализа и геометрической интерпретации. Действительно, пусть - возможные состояния вещества за первой УВ в плоскости ( 0 , р ). Тогда для достаточно малых 0 возможные состояния вещества за отраженной УВ П^ имеют две точки пересечения с осью 0=0. Если для верхней точки значение давления больше, чем давление в прямом скач ке уплотнения для начального состояния ( р.> > р*, рис. 5), и , так как р^ < Р*< р^' > то Для некоторого 0 осуществляется стационарное маховское отражение. Для рг^^л как показывают и числен-

Рис.5. Рис.6.

ные расчеты, эта схема ни для какого Ср (рис.6) невозможна. Таблица расчетов, проведенных по формуле (8), показывает что для констант реальных сплошных веществ и с ростом по-

ристости К увеличивается и при > \ и

В диссертации приводится таблица величины \С при разных константах т , ^о , ^ , & •

В параграфе 4.2 выписана полная система уравнений для решения задачи о регулярном отражении косой УВ в слое пористого вещества, расположенного на пластине. Кроме отраженной УВ в порошке обычно возникает и преломленная УВ в преграде.

Для теоретического анализа границы перехода регулярных режимов в нерегулярные целесообразно проведение аналогии'к экспериментально изученному случаю газа. На основе этой аналогии в параграфе 4.3 делается вывод о границе перехода, совпадающей с границей существования регулярных отражений. На рис. 7 приведены графики зависимости величины критического угла регулярного отражения от 3) при различных значений коэффциента пористости ТП графита, находящегося на стальной подложке. Аналогичные кривые рис.8 относятся к некоторому модельному веществу с и В =1,5. Как видно из гра-

т.

гра3

АО 45 ЬО 25 20 15 10

5 О

к

\ж «

X т = 1,5"

^^ к о ° ° ж о . ,

--- т-2,5

т = з

2

Рис.7

Рис.8

фиков и показано в диссертации в пределе при 5)* , стремящемся к (-\ величина стремится к 90°. Достаточное условие такого

поведения кривых - ненулевая объемная скорость звука.

В параграфе 4.4 описан предлагаемый механизм явления поверхностного легирования (образования тонкого промежуточного слоя из материалов порошка и подложки). Такой слой может получиться только при наличии маховской ножки величиной доли миллиметров в порошке^ плавления вещества за этой УВ, твердого состояния для веществ за прямой и отраженной ТО для порошка, за преломленной УВ для подложки. Указанные явления приводят к интенсивному перемешиванию из-за больших касательных напряжений тонкого высокоскоростного потока вещества за головной УВ с соседними слоями, к резкому охлаждению этого потока из-за взаимодействия с подложкой и оставшейся частью порошка.

Проведенные экспериментальные исследования по поверхностному легированию различными веществами стали и меди описаны в парагра-

фе 4.5. Приведены данные металлографического и рентгеноструктур-ных анализов с применением оптического и сканирующего электронного микроскопов, измерены микротвердости получаемых слоев.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. На основе теоретического анализа, численных расчетов и известных экспериментальных данных получены формулы (3) - (5), позволяющие по константам пористого вещества находить коэффициенты приближенной линейной зависимости между скоростью распространения УВ и массовой скоростью за ней для диапазонов средних и сильных ударных волн.

2. Изучение косых ударных волн для любых веществ с предложенной выше зависимостью , выполняющейся для диапазонов ударных волн, близких к прямым, позволяет по известной скорости набегающего потока и константам вещества аналитическим образом определить максимальный угол поворота вещества в одной УВ, соответствующие этой УВ параметры (угол падения, давление за фронтом УВ, изменение массовой скорости и т.д.).

3. Решена задача об ударно-волновом взаимодействии при косом столкновении пластины и слоя порошка для практически осуществляющегося случая, когда соответствующие сердцевидные кривые имеют пересечение.

4. На основе теоретического анализа и геометрической интерпретации взаимного расположения сердцевидных кривых получена аналитическая формула (8) , позволяющая предсказывать теоретическую возможность существования схемы стационарного маховского отражения ударных волн от абсолютно твердой стенки для веществ с линейной зависимостью для скоростей.

5. На основе теоретического анализа перехода регулярных ре-

жимов отражения УВ в нерегулярные (маховские) и проведенной аналогии к экспериментально изученному случаю газа, сделан вывод для сплошных и пористых тел о границе перехода, совпадающей с критическими параметрами регулярного отражения.

6. Предложен экспериментальнб подтвержденный механизм образования поверхностного промежуточного слоя (поверхностное легирование), например, на рис.7 крестиками обозначены эксперименты с осуществлением легирования стали графитом с пористостью 2, кружочками - без легирования. Этот механизм основан на существовании нерегулярного режима отражения и малых размерах ножки, что приводит к плавлению пористого вещества в маховской УВ, интенсивному перемешиванию этого потока с соседними слоями подложки благодаря большой разнице массовых скоростей и значительным каса -тельным напряжениями, в дальнейшем, к быстрому охлаждению тонкого слоя смеси, констактирующего с относительно холодными подложкой и верхними слоями порошка.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Рахимов А.Э. Задача о критических параметрах регулярного отражения и ее численная реализация. Исследование взрывных методов получения и обработки металлических материалов// Отчет №3665 Института механики МГУ.М.,1988.С.20.

2. Рахимов А.Э. Задача о поверхностном легировании металлов ударными волнами. Исследование взрывных методов получения и обработки металлических материалов// Отчет №3739 Института механики МГУ.М.,1988.С.49.

3. Рахимов А.Э. Ударные адиабаты порошкообразных веществ

и отражение ударных волн. Исследование взрывных методов получения и обработки металлических материалов// Отчет №3774 Института механики МГУ.М.,1989.С.45.