СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Введение - 4
Глава I. Литературный обзор
1.1. Высокодинамичные процессы, происходящие при воздействии на материалы ударных волн и потоков высокоскоростных частиц - 10
1.2. Образование дефектов при деформации ударной волной - 11
1.2.1. Возникновение точечных дефектов - 12
1.2.2. Образование дислокаций - 13
1.2.3. Деформационное двойникование - 14
1.2.4. Сдвиговые (бездиффузионные) превращения - 15
1.2.5. Ударно-волновой нагрев - 17
1.3. Взрывное упрочнение - 18
1.4. Представления об эффекте сверхглубокого проникания потока высокоскоростных частиц - 20
Глава И. Методика эксперимента
2.1. Характеристика объектов исследования
2.1.1. Углеродистые стали и образцы из них, использованные
при проведении исследований - 40
2.1.2. Порошковые материалы, применяемые при исследованиях 41
2.2. Обоснование выбора способа высокоскоростного нагружения металлов - 44
2.3. Определение параметров взрывчатых веществ - 51
2.4. Металлография - 55
2.5. Методика рентгенографического анализа - 56
2.6. Рентгеноспсктральный (растровый) электронный микроанализ- 58
2.7. Методика измерения твердости - 59
2.8. Методика гидростатического взвешивания - 61
2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Введение - 4
Глава I. Литературный обзор
1.1. Высокодинамичные процессы, происходящие при воздействии на материалы ударных волн и потоков высокоскоростных частиц - 10
1.2. Образование дефектов при деформации ударной волной — 11
1.2.1. Возникновение точечных дефектов — 12
1.2.2. Образование дислокаций — 13
1.2.3. Деформационное двойникование - 14
1.2.4. Сдвиговые (бездиффузионные) превращения - 15
1.2.5. Ударно-волновой нагрев - 17
1.3. Взрывное упрочнение - 18
1.4. Представления об эффекте сверхглубокого проникания потока высокоскоростных частиц - 20
Глава П. Методика эксперимента
2.1. Характеристика объектов исследования
2.1.1. Углеродистые стали и образцы из них, использованные
при проведении исследований - 40
2.1.2. Порошковые материалы, применяемые при исследованиях 41
2.2. Обоснование выбора способа высокоскоростного нагружения металлов - 44
2.3. Определение параметров взрывчатых веществ - 51
2.4. Металлография - 55
2.5. Методика рентгенографического анализа - 56
2.6. Рентгеноспектральный (растровый) электронный микроанализ- 58
2.7. Методика измерения твердости - 59
2.8. Методика гидростатического взвешивания - 61
2
«
Глава III. Результаты исследований и их обсуждение.
3.1. Исследование поверхности преграды с помощью рентгенофазового анализа -
3.2. Исследование материала преграды с помощью рентгеноспектрального микроанализа -
3.3. Структурные изменения в материале преграды, вызываемые взаимодействием потока частиц -
3.4. Особенности изменения твердости материала преграды, после взаимодействия потока высокоскоростных частиц с ней, при различных углах соударения -
3.5. Исследование изменения плотности материала преграды после
взаимодействия потока частиц —
Глава IV. Результаты ударно-волнового взаимодействия, сопровождающие явление сверхглубокого проникания -
4.1. Особенности взаимодействия ударной волны и продуктов детонации с частицами порошка -
4.2. Особенности взаимодействия продуктов детонации и потока частиц с материалом преграды -
4.3. Оценка температуры частиц порошка при взаимодействии с продуктами детонации и при соударении с преградой -
4.4. Оценка давлений, возникающих в материале преграды, при взаимодействии с ней продуктов детонации и потока частиц -
Выводы -
Библиографический список -
Приложение -
62
69
75
88
105
109
109
113
116
122
128
130
142
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
Среди различных способов упрочнения материалов особое место занимают динамические методы, связанные с использованием энергии взрыва. Упрочнение стальных изделий с использованием энергии взрыва получило большое распространение. В настоящее время в литературе накоплена обширная теоретическая и экспериментальная информация по структуре и свойствам металлов и сплавов после ударно-волнового воздействия. Такое воздействие генерируется взрывом газовых смесей или конденсированных взрывчатых веществ. В последнем случае для получения эффекта упрочнения необходимо воздействие на металлы достаточно сильных ударных волн. Ударные волны создаются контактным взрывом заряда взрывчатого вещества или ударом пластины, разогнанной энергией взрывчатого вещества.
В последнее время находит распространение метод объемного упрочнения металлов при реализации эффекта сверхглубокого проникания дискретных частиц. Этот эффект был открыт в 70-х годах 20 века при исследовании взаимодействия с металлической преградой потока дискретных частиц (8 -100 мкм), разогнанных энергией взрыва до скорости 1 ООО - 3000 м/с. Оказалось, что материал данных частиц может проникать в преграду на глубину до 1000 своих исходных размеров и воздействовать на структуру материала преграды. Это явление трудно объяснимо с позиции гидродинамической теории, согласно которой, глубина проникания в преграду каждой такой частицы не может превышать 2-х - 4-х ее диаметров. Существует несколько гипотез о физической природе явления сверхглубокого проникания. Однако до настоящего времени не сложилось единой точки зрения на механизм данного процесса. Литературные данные по этому вопросу носят противоречивый характер. Несмотря на то, что природа сверхглубокого проникания не установлена, это явление уже сейчас можно использовать в технологических процессах, в частности, для объемного упрочнения металлов.
4
Экспериментально установлено, что при воздействии высокоскоростного потока частиц с поверхностью преграды под прямым углом соударения количество частиц, проникших в преграду, монотонно зависит от их концентрации и скорости данного потока. Аналогичные исследования при других углах соударения потока высокоскоростных частиц с поверхностью преграды до настоящего времени не проводились. Использование других углов соударения потока частиц с поверхностью преграды приводит к увеличению площади воздействия частиц на обрабатываемую поверхность, что очень важно для технологического использования воздействия потока частиц, разогнанных энергией взрыва, для упрочняющей обработки стальных изделий, в частности, метания частиц порошка с боковой поверхности, что и обуславливает актуальность настоящей диссертационной работы.
Цель работы.
Целью работы является установление закономерностей воздействия потока тугоплавких частиц, разогнанных энергией взрыва, в режиме сверхглубокого проникания на стальные преграды при различных углах соударения потока частиц с поверхностью обработки.
Задачи исследован и и.
1. Разработка методики взрывной обработки стальных преград потоком частиц при различных углах соударения потока тугоплавких частиц с поверхностью обработки.
2. Экспериментальное исследование влияния угла соударения потока тугоплавких частиц, разогнанных энергией взрыва, на распределение микротвердости по глубине и диаметру образцов.
3. Экспериментальное исследование влияния материала частиц, на распределение микротвердости по глубине и диаметру образцов, обработанных потоками частиц с различными углами соударения с поверхностью образца.
4. Исследование особенностей микроструктуры стали, обработанной потоком высокоскоростных тугоплавких частиц, при различных углах соударения тугоплавких частиц с поверхностью обработки.
5
5. Определение давления и температуры взаимодействия потока частиц при соударении с поверхностью преграды.
Объекты исследования.
Конструкционная углеродистая сталь — Ст. 3, инструментальная углеродистая сталь - сталь У8. Образцы представляли собой: цилиндры к = 60 мм и 0 = 24 мм для Ст.З; к = 40 мм и в — 24 мм для стали У8; пластины 150 х 200 мм и толщиной 10 мм. Микропорошки нитрида титана и вольфрама.
Научная новизна работы.
- Разработана методика взрывной обработки стальных преград потоком тугоплавких частиц, разогнанных энергией взрыва, при различных углах соударения потока частиц с поверхностью обработки.
- Впервые экспериментально изучено распределение микротвердости по глубине и диаметру образцов, после обработки потоком тугоплавких частиц порошков при различных углах соударения потока частиц с поверхностью образцов.
-Установлено, что с изменением угла соударения потока частиц, разогнанных энергией взрыва, с поверхностью обработки меняется характер распределения микротвердости по глубине и диаметру преграды, причем распределение значений твердости зависит и от материала частиц порошков.
-При исследовании микроструктуры стальной преграды, показано измельчение структуры перлита с переходом от пластинчатого перлита в приповерхностном слое преграды к крупнопластинчатому перлиту в объеме преграды при различных углах соударения.
- Определены давления взаимодействия потока частиц с материалом преграды и температуры разогрева частиц продуктами детонации и при соударении частиц с поверхностью преграды, которые показали, что не достигается температура плавления и частицы соударяются с преградой в нерасплавленном состоянии.
6
Практическая значимость работы.
Разработана методика обработки материалов воздействием потока тугоплавких частиц на стальные преграды с направляющим каналом и без него с различными углами соударения потока частиц с поверхностью преграды, которые позволяют обрабатывать поверхность преград потоком частиц, разогнанных энергией взрыва. Показано, что наибольшее качественное упрочнение достигается при угле соударения 45°.
Методика использована в учебном процессе по дисциплинам: «Техника и безопасность взрывных работ» на кафедре «Общая физика и физика нефтегазового производства» нефтетехнологического факультета; «Средства взрывания и взрывные технологии» на кафедре «Защита в чрезвычайных ситуациях» и «Техника и технология взрывных работ» на кафедре «Технология твердых химических веществ», инженерно-технологического факультета СамГТУ.
Результаты, полученные в работе, направлены на использование воздействия потока тугоплавких частиц, разогнанных энергией взрыва, для обработки стали, которые позволяют разработать высокоэффективные технологии упрочнения стальных изделий.
Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:
- Результаты распределения значений микротвердости по глубине и диаметру образцов, после обработки потоком тугоплавких частиц порошков, разогнанных энергией взрыва, с различными углами соударения потока частиц с поверхностью образца.
- Результаты изменения микроструктуры образцов, после обработки потоком тугоплавких частиц порошков, разогнанных энергией взрыва, при различных углах соударения потока частиц с поверхностью обработки.
-Методика обработки стальных преград с использованием направляющего канала и без него, при различных углах соударения потока частиц с поверхностью обработки, которые позволяют воздействовать на поверхность образцов потоком тугоплавких частиц, разогнанных энергией взрыва.
- Результаты расчетов давления и температур нагрева частиц при соударении с поверхностью преграды.
Достоверность научных результатов работы.
Достоверность результатов работы обеспечена использованием современных аттестованных методов и методик: растровая электронная микроскопия, рентгеновский спектральный микроанализ, рентгенофазовый анализ, методика измерения твердости и др. Исследования проводились с использованием оборудования: растровый электронный микроскоп LEO-1450 в комбинации с энергодисперсионным микроанализатором INCA Energy, металлографический микроскоп Axiovert 200 МАТ, микротвердомер ПМТ-3, рентгеновский дифрактометр ДРОН-ЗМ и др.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах и конференциях: 4-7 Всероссийских школах-
семинарах по структурной макрокинстикс для молодых ученых (2006-2009), г. Черноголовка; 8 Международном симпозиуме «Использование энергии взрыва для получения материалов с новыми свойствами» (2006), г. Москва; Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения НПМ-2007» (2007), г. Волгоград; 9 Международном симпозиуме «Использование энергии взрыва для получения материалов с новыми свойствами: наука, технология, бизнес, инновации» (2008), г. Лисс, Нидерланды; 47 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (2008), г. Н.Новгород; 14 Симпозиуме по горению и взрыву (2008), г. Черноголовка; Международной конференции «Ударные волны в конденсированных средах» (2008), г. Санкт-Петербург; IX Харитоновских тематических научных чтениях - Международная конференция «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (2009), г. Саров; 17 Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов»
(2009), г. Самара; 3 Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (2009), г. Москва; 19 Петербургские чте-
8
ния по проблемам прочности (2010), г. Санкт-Петербург; Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2010» (2010), г. Одесса, Украина; 10 Международном симпозиуме «Использование энергии взрыва для получения материалов с новыми свойствами: наука, технология, бизнес, инновации»
(2010), г. Бечичи, Черногория.
Публикации.
Основные научные результаты диссертации опубликованы в 24 работах, из них 6 статей, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.
Личный вклад автора.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в данной работе, получены автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное участие в обсуждении идей, экспериментов, обработке полученных результатов, написании статей, докладов, формулировке выводов.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографического списка и приложения. Общий объем работы составляет 144 страницы, включая 44 рисунка, 17 таблиц, библиографического списка, включающего 113 наименований и приложения наЗ страницах.
9
ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Высокодинамичные процессы, происходящие при воздействии на материалы ударных волн и потоков высокоскоростных частиц
Проблемы сверхглубокого проникания высокоскоростных дискретных частиц непосредственно связаны с высокодинамичными процессами, происходящими при воздействии на материалы ударных волн.
Ударные волны распространяются со сверхзвуковой скоростью. Пластические волны сопровождаются остаточными изменениями материалов, возникающих на фронте ударной волны.
Очевидно, что поведение материала, при импульсном и статическом сжатиях различаются: при ударно-волновом нагружении время является величиной, существенно определяющей реакцию материала. На фронте ударной волны сжатие вещества происходит так быстро (сопровождаясь массопе-реносом), что его поведение просто не может быть эквивалентным статическому случаю. В частности, характер деформаций (например, двойникование, имеющего место при нагружении железа) специфичен для ударного воздействия и не наблюдается при статическом сжатии (и в обычных условиях достигается только при низкотемпературной деформации). Именно поэтому, состояние вещества на фронте ударной волны нуждается в описании, соответствующем характеру на!ружеиия.
Ударное сжатие пористых и порошкообразных материалов приводит к уплотнению, которое сохраняется после снятия нагрузки. Если ударная волна входит в порошок, то плотность за фронтом оказывается более высокой, чем в исходном состоянии. На фронте ударной волны протекает гораздо больше необратимых процессов, чем в монолитных телах, таких как: переориентация частиц, трение зерен друг друга, пластическая деформация частиц, упрочнение материала.
10
Известно, что кривые Гюгонио в области уплотнения по мере увеличения интенсивности ударных волн, асимптотически приближаются к ударным адиабатам монолитных тел. Так, для меди с исходной плотностью рр - 6,43 г/см3 полное уплотнение достигается при давлении 2,1 ГПа [1]. При этом четкой зависимости хода ударной адиабаты от размеров зерен частиц порошка не установлено. Качественно такие же результаты были получены на порошках вольфрама и железа. Кроме того, перед волной уплотнения наблюдалось появление упругой волны, которая движется приблизительно со скоростью звука от частицы к частице, не производя заметной деформации (эффект биллиардного шара). В работе [2] кривые Гюгонио пористых материалов описываются р — а — моделью, где а — отношение объемов порошка и сплошного тела при одинаковых давлениях р и внутренней энергии Е. Хорошие результаты получаются, если в качестве зависимости о.-/(р) выбрана экспоненциальная функция. Такой способ описания учитывает, что увеличение внутренней энергии при динамическом уплотнении сплошного тела из того же материала при том же давлении.
Факт того, что кривые Гюгонио сплошных тел и порошков приближаются друг к другу асимптотически и никогда (даже при самых высоких давлениях) не соприкасаются, есть следствие более высокой внутренней энергии в уплотненном порошке по сравнению с ударно-сжатым сплошным телом [1].
1.2. Образование дефектов при деформации ударной волной
Изменения, происходящие в металлах при динамическом нагружении, впервые описаны Райнхартом и Пирсоном. Первое систематическое исследование субструктурных изменений, вызванных распространением ударной волны, было описано в терминах основных параметров деформированного состояния С. Смитом. В результате исследований было выявлено, что параметры самой ударной волны могут играть важную роль в формировании субструктуры и обусловленных ею механических свойств [3]. Присутствие де-
- Київ+380960830922