Раздел 2
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Краткая характеристика материалов
Исследования проведены на материалах, отличающихся по типу решетки и энергии
дефектов упаковки (ЭДУ) - алюминии, железе, меди, цирконии, никеле, титане и их
сплавах, таких как:
Железо и стали:
Армко: 99,95 % Fe.
СтЗ: 99,1ё99,5 % Fе; 0,14ё0,22 % С; 0,4ё0,65 % Мn; 0,12ё0,3 % Si.
12Х18Н9Т: Ј 0,12% С; Ј 0,8 % Si; Ј 2,0 % Мn; 17,0ё19,0 % Сг; 8,0ё9,5 % Ni;
5·С–0,8 Ti.
12Х18Н10Т: Ј 0,12% С; Ј 0,8 % Si; Ј 2,0 % Мn; 17,0ё19,0 % Сг; 9,0ё11,0 % Ni;
5·С–0,8 Ti.
Медь:
М0: і 99,95 % Сu, 0,001 % Вi; 0,002 % Sb; 0,002 % Аs; 0,004 % Fе; 0,002 % Ni;
0,004 % Рs; 0,002 % Sn; 0,004 % S; 0,004 % Zn.
M1 : і 99,90 % Сu; 0,001 % Вi; 0,002 % Sb; 0,002 % Аs; 0,005 % Fе; 0,002 % Ni;
0,005 % Рs; 0,002 % Sn; 0,005 % S; 0,005 % Zn.
Алюминий и сплавы:
АДО: і 99,5 % Аl; 0,3 % Fe; 0,3 % Si; 0,02 % Cu; 0,06 % Zn; 0,03 % Ti.
АД1: і 99,3 % Аl ; 0,5 % Fe; 0,5 % Si; 0,02 % Cu; 0,08 % Zn; 0,03 % Ti.
АМг2: 96,7ё97,9 % А1; 1,8ё2,6 % Мg; 0,2ё0,6 % Мn.
Краткие характеристики механических свойств исследуемых материалов приведены в
таблицах 2.1–2.3.
Учитывая тот факт, что сварка давлением характеризуется сочетанием комплекса
физических процессов, ответственных за образование качественного соединения,
для исследования основных физико-химических закономерностей в качестве
модельных материалов были выбраны более чистые и однородные по фазовому составу
с хорошо изученными физическими константами.
Таблица 2.1
Механические свойства исследуемых материалов
Материал
Температу
ра испытаний,
°С
sт, МПа
sв, МПа
d, %
y, %
ан, кгсЧм/см2
Литература
железо Армко
20
150
250
50
72
30,0
[137]
Ст3
20
240
380…500
36…50
58…65
[137]
12Х18Н9Т**
20
700
800
900
1000
1100
1200
290
160
100
91
620
280
185
91
55
38
18
41
27,3
23,7
36,3
43,0
37,0
76,7
63
43,5
51,5
69,6
71,6
70,6
98,0
28,0
27,0
25,9*
23,6*
20,6*
15,1*
10,0*
[138]
Примечания:
1.* образцы не разрушились, а согнулись;
2.** закалка 1050-1100 °С, воздух, масло, вода.
Использование ряда других материалов, преимущественно сплавов на различной
основе, продиктовано, прежде всего, широким практическим применением именно
такого типа материалов в разнородных и композиционных соединениях при
изготовлении многих узлов и конструкций в различных отраслях машино- и
приборостроения.
Таблица 2.2
Механические свойства меди * [139]
Материал
Температура испытаний, °С
sт, МПа
sв, МПа
d, %
y, %
М0
20
22
48
76
М1
20
150
250
375
500
625
750
875
1000
180
160
155
125
75
338
294
224
107
62
36
22
14
18
15
14
54
58
56
52
79
77
58
60
47
72
94
96
98
95
100
Примечание: * свойства меди после отжига.
Таблица 2.3
Механические свойства алюминиевых сплавов [139]
Металл
sт, МПа
sв, МПа
d, %
АД0
30
60…120
25…30
АД1
30
96
45
АМг2*
190…250
180…250
6…23
Примечание: * отожженный перед испытаниями.
2.2. Способы сварки
Исследования проводились на сварных соединениях, выполненных при различных
способах сварки, охватывающих достаточно широкий круг скоростей сварного
нагружения (Э от » 102 с-1 до » 105 с-1), что соответствует диапазону режимов
сварки от ударной до сварки взрывом.
Ударная сварка в вакууме (УСВ). Способ заключается в том, что на локально
нагретые в зоне контакта детали воздействует одиночный импульс силы (скорость
1…30 м/с). Нагрев свариваемых деталей осуществлялся кольцевым электронным
пучком. Под воздействием динамической нагрузки в результате локальной
пластической деформации металла в зоне контакта формировалось сварное
соединение. Для сварки использовали установку У-394М с энергией удара, равной
2...4 кДж (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Циклограмма процесса при ударной сварке:
Т – температура нагрева;
W – энергия удара;
t1 – время нагрева до Тсв;
t2 – продолжительность нагрева при Тсв;
t3 и t4 – время сварки и охлаждения.
Магнитно-импульсная сварка (МИС) разнородных соединений осуществлялась при
помощи одновиткового индуктора с индуктивностью 48 нГн (при максимальной
энергоемкости 13 кДж) на двух режимах: 1) энергия импульса разрядного контура
10,9 кДж; 2) то же, 13 кДж. Метаемой деталью, например для соединения алюминия,
являлась медная трубка (рис. 2.2).
Сущность МИС состоит в том, что разъединенные детали приводятся в быстрое
движение и соударение со скоростью нескольких сотен м/с. Соединение металлов в
твердом состоянии происходит вследствие мощного разряда конденсаторной батареи
на рабочий инструмент – индуктор, внутри которого находятся соединяемые детали.
При пропускании электрического тока по обмотке индуктора в ней и в той части
трубы, которая расположена внутри обмотки, создается магнитное поле.
Взаимодействие двух магнитных полей создает механическую или электрическую
силу, вызывающую при разгоне деталей до скорости 150…300 м/с деформацию
соединяемых металлов, завершающую формирование качественного сварного
соединения.
Рис. 2.2. Принципиальная схема магнитно-импульсной сварки:
1 – зарядное устройство;
2 – батарея конденсаторов;
3 – коммутирующее устройство;
4 – индуктор;
5 – неподвижная деталь;
6 – подвижная деталь.
Сварка взрывом (СВз). Сварку осуществляли по угловой схеме (рис. 2.3). Для
предотвращения влияния усредненной единичной массы на закономерности
образования соединения толщины метаемой и основной пластин (3 и 8 мм) во всех
опытах оставляли неизменными. Минимально допустимое (критическое) значение
энергии соударения Wr в этом случае составляет ~ 1,2 МДж/м2. Сохраняя
постоянной скорость метания U0 @ 730 м/с, значения скорости точки контакта Uк и
Wr варьировали путем изменения устан