РАЗДЕЛ 2
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Выбор слоистых композиционных материалов
Создание слоистых композиций повышенной трещиностойкости требует обоснованного выбора компонентов слоев, рациональной структуры материалов и технологии их изготовления.
Выбор материала слоев необходимо осуществлять, исходя из условий эксплуатации изделия, а также химической (термодинамической и кинетической) и механической совместимости ?11?. Термодинамически совместимыми компонентами считаются нерастворимые друг в друге и не образующие химических соединений металлы (например, Mo ? Cu, Nb ? Cu) ?7, 78?. Большинство термодинамически несовместимых компонентов в определенных температурно-временных условиях могут быть совместимы кинетически (метастабильное равновесие) и обеспечивать надежность работы конструкции. Механическая совместимость, заключающаяся в соотвествии упругих постоянных, коэффициентов термического расширения и показателей пластичности составляющих материала, определяет напряженно-деформированное состояние слоистых материалов.
Современная теория разрушения исходит из того, что процесс разрушения твердых тел под нагрузкой состоит из стадий зарождения трещины и ее распространения. Зарождение макротрещины в металлах с ОЦК решеткой происходит, согласно теориям Стро ? Мотта, Коттрелла, Орлова, в результате слияния головных дислокаций в достаточно мощном их скоплении, заторможенном у барьера ? границы зерна, выделении избыточной фазы, двойниках и т. д. ?79?. В металлах с ГПУ решеткой трещины могут возникать и без дислокационных скоплений, например, в результате разрыва малоугловой границы при пластической деформации, в месте встречи двойника деформации с каким-либо прочным барьером, например, границей зерна или другим двойником ?33?.
На стадии распространения трещины ее развитие определяется структурой и свойствами материала в непосредственной близости от ее вершины. Поэтому при создании слоистых композиций повышенной трещиностойкости необходимо учитывать не только механические, но и физические свойства составляющих слоев ?80?.
Структура слоистых композиций выбиралась с учетом рассмотренных в работе ?81? физических закономерностей развития трещин, дающих основание предположить, что распространяющуюся в материале трещину можно затормозить или остановить, создавая на пути ее движения барьеры, способные изменить напряженное состояние в вершине трещины или поглотить часть упругой энергии, необходимой для ее дальнейшего роста. Слоистые композиции имели ориентировку трещины в плоскости листа, при которой трещина распространялась из слоя в слой (рис. 1.11, а).
В настоящей работе при исследовании трещиностойких слоистых композиций рассмотрена возможность повышения сопротивления разрушению путем введения сваркой взрывом на пути распространяющейся трещины границы соединения двух слоев и барьерных слоев. Свойства композиционных материалов в значительной степени определяются неоднородной по составу зоной соединения слоев, структура и свойства которой формируются в процессе сварки взрывом за счет расплавления приповерхностных слоев, их перемешивания и диффузии элементов ?20?. При этом в зоне соединения возможно получение переходных слоев с пониженной или повышенной, относительно исходных материалов, микротвердостью, образование хрупких интерметаллидов и т.д., что влияет на характер разрушения переходной зоны: от вязко-пластичного к сколу с участками поверхности вязкого разрушения или хрупкому сколу ?11?. Применение барьерных слоев является достаточно известным методом при создании слоистых материалов для химически взаимодействующих компонентов ?82, 83?, в которых барьерный слой играет роль инертной прослойки, не позволяющей взаимодействовать свариваемым слоям. В трещиностойких композициях, исследуемых в диссертационной работе, пластичная демпфирующая прослойка впервые использована в качестве барьерного слоя, препятствующего развитию трещины.
С целью исследования трещиностойкости слоистых материалов и изучения взаимодействия трещин с границами соединения слоев и промежуточной прослойкой сваркой взрывом изготовлена группа соединений ? моно-, би- и трехслойные (с промежуточной пластичной прослойкой) композиции на основе конструкционной стали ?84?. В качестве материала слоев композиций выбрана широко применяемая сталь 45 (рис. 2.1), характеризующаяся достаточно высокими показателями прочности и пластичности: ?В = 590 МПа, ?0,2 = 360 МПа, ?5 = 17 ?, ? = 50 ?. В качестве барьерного слоя желательно использовать металлы, не взаимодействующие в твердом состоянии или образующие твердые растворы замещения: ванадий, медь, никель. Наиболее перспективным материалом барьерного слоя является медь (рис. 2.2), которая в определенных условиях исключает возможность образования интерметаллидных и карбидных соединений. При выборе меди в качестве промежуточной прослойки учитывались механические (?В = 220 МПа, ?0,2 = 65 МПа, ?5 = 60 ?, ? =75 ?) и физические свойства (разные кристаллические решетки ? ГЦК решетка меди и ОЦК решетка стали 45 и значительное различие модулей упругости: у меди Е = 132 ГПа, а у стали 45 Е = 200 ГПа). Предел прочности стали 45 в 2,7 раза и предел текучести в 5,5 раз выше, чем у меди, в то время как пластические свойства ?5 и ? меди больше соответствующих характеристик стали 45 в 3,5 и 1,5 раза. Модули упругости выбранных материалов отличаются в 1,5 раза.
С целью получения необходимой информации о влиянии параметров ударно-волнового нагружения на сопротивление разрушению слоистых материалов была изготовлена вторая группа сварных соединений: сталь 12Х18Н10Т ? сталь 20. Используемые в качестве составляющих слоев стали имели различную структуру (аустенитную ? в стали 12Х18Н10Т и феррито-перлитную ? в стали 20) (рис. 2.3, 2.4), различный уровень прочности и пластичности.
Механические характеристики сталей приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Механические свойства сталей и меди при температуре 20?С
Материал?0,2,
МПа?в,
МПа?5,
??,
?КСV,
Дж/см2Е,
ГПаСталь 45360590