Соболев В.В., Шиман Л.Н. Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

181

Литература

1. Sobolev V., Chernay A., Studinski N. OPSIN – a new system of blast-

hole change blasting in explosives // 5-th International symposium on mine plan-

ning and equipment + selection. San Paulo. – Brazil, 1996. – P.441-443.

2. Пат. №52997 Україна, МПК(2006) С06В 45/00. Ініціювальна вибухо-

ва сполука / А.В. Чернай, М.О. Ілюшин, В.В. Соболєв, В.А. Чернай / Украї-

на/. – №2002010649; Заявл. 25.01.2002.; Опубл. 17.07.2006, Бюл.№7. – 4 с.

3. Декл. пат. №49732 А, Україна, МПК7 F42В 3/02. Оптический детонатор

/ А.В. Чернай, В.В. Соболев, В.

А. Чернай, М.А. Илюшин, С.Н. Пахомов / Укра-

їна/. – №2002040303; Заявл. 15.04.2002.; Опубл. 16.09.2002, Бюл.№9. – 4 с.

4. Пат. №17515 Україна, МПК7 F45В 3/02. Оптический детонатор /

Н.М. Студинский, А.В. Чернай, В.В. Соболев, В.В. Фомичев /. – №95031451;

Заявл. 31.03.1995; Опубл. 28.02.2000. Бюл №1. – 3 с.

5. Pat. №19546342 C2 Deutsland, Int. Cl.

C06B 31/08, C06B 49/00. Initii-

render Sprengstoff / A. Schneider, A.W. Cernay, W.V. Sobolev, M.A. Iliischin /. –

№19546342.0; Anmel. 12.12.95; Offenlegun. 2.01.97; Verof. der Pattntertei-lung

11.03.99. – 5 р.

6. Pat. №19546341 C2 Deutsland (4892037A US, 0289184 A-1 EP), Int.

Cl.

F42C 19/08, C06C 7/00. Optischer Sprengzunder / A. Schneider, W.V. Sobo-

lev, A.W. Cernay, E. Schneider /. – №19546342.0; Anmel. 12.12.95; Offenlegun.

2.01.97; Verof. der Pattntertei-lung 18.03.99. – 6 р.

УДК 669.11:620.193.55

АНОМАЛЬНОЕ СПОНТАННОЕ ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ

КАРБОНИЛЬНОГО ЖЕЛЕЗА В АТМОСФЕРЕ ВОДОРОДА

А.В. Толстенко

Днепропетровский государственный аграрный университет,

кафедра физики и материаловедения, ул. Ворошилова, 25,

г.Днепропетровск, 49600, Украина

e-mail: agrophismat@rumbler.ru

В статье приведены эксперименты по определению влияния растворенного водорода на

деформацию карбонильного железа (0,06 % С) при многократных α→γ полиморфных пре-

вращениях. Относительное удлинение образцов не зависит от внешнего механического

напряжения (до 0,3 МПа) и определяется градиентом температуры при γ→α превращении

Высокоэнергетическая обработка материалов

182

The article provides experiments to determine the effect of dissolved hydrogen on the defor-

mation of carbonyl iron (0.06% C) under multiple α→γ polymorphic transformation. The rela-

tive elongation of samples does not depend on external mechanical stresses (up to 0.3 MPa) and

is determined by the temperature gradient in the γ→α transformation.

Введение

Одной из задач по повышению пластичности металлических материа-

лов, т.е. их способности к изменению формы под действием внешних меха-

нических напряжений, является перевод их в сверхпластическое состояние.

Термин сверхпластичности был предложен А.А. Бочваром для обозначения

пластичности сплава цинка с алюминием, которая превышала пластичность

исходных материалов.

В настоящее время

установлено, что значительное формоизменение мо-

жет наблюдаться в ультрамелкозернистых сплавах (структурная сверхпла-

стичность) [1], при фазовых превращениях в процессе деформации (динамиче-

ская сверхпластичность) [2], аномальной спонтанной деформации [3] и т. д.

Проанализируем эксперименты, в которых изучалась сверхпластич-

ность при термоциклировании в диапазоне температур, соответствующих

наиболее полно исследованным превращениям α-Fe в γ-Fе.

Гринвуд

и Джонсон [2] определили деформацию, возникающую вслед-

ствие изменения объема при фазовом превращении, в направлении прило-

женного растягивающего напряжения. Модель не зависит от времени, т.к.

использует макроскопическую теорию пластичности.

≈

, (1)

где ε – деформация; σ – приложенное напряжение; σ

– предел текучести α –

железа;

VΔ

– изменение удельного объема.

Пуарье [4] предложил микроскопическую модель, где изменение фор-

мы (не только объема) сопровождается возникновением дополнительных

дислокаций, дающих добавочную скорость ползучести, под действием при-

ложенного напряжения. Скорость ползучести зависит от дислокационных

механизмов (образования, движения и исчезновения дислокаций).

Высокоэнергетическая обработка материалов

183

)1( XX

−

≈

σε

, (2)

где Х (t) – объемная доля дочерней фазы.

В работе В.И. Шаповалова [3] показано, что фазовое превращение в

присутствии водорода приводит к аномальному спонтанному формоизмене-

нию, причиной которого является возникновение метастабильных водородо-

насыщенных зон на границе γ→α превращения железа. В металле, содержа-

щем растворенный водород, происходит полиморфное превращение, приво-

дящее к

образованию кристаллической решетки, растворяющей меньшее ко-

личество водорода, остается избыточный водород, который концентрируется

вблизи межфазной границы. Скорость формоизменения определяется скоро-

стью движения фронта превращения. Толщина водородонасыщенного слоя

определяется скоростью фронта превращения и коэффициентом диффузии D

, (3)

где h – толщина водородонасыщенного слоя; ν – скорость фронта превраще-

ния; D

– коэффициент диффузии γ-железа.

Материалы и методы исследования. Материалом для исследования

служило карбонильное железо технической чистоты с 0,06 %С. Образцы для

испытаний (цилиндры диаметром 0,005 м, длина рабочей части 0,025 м ) кре-

пились в обойму из нержавеющей стали.

Исследование проводилось на установке, позволяющей автоматически

термоциклировать с различными скоростями нагрева и охлаждения. Размер

печи

выбирали из следующего условия: зона термоциклирования вокруг

α-γ превращений должна совпадать с рабочей частью образца. Температура

печи измерялась термопарой ВР5/ВР20 с точностью 10 К и регистрировалась

на КСП-4. Величина внешней механической нагрузки задавалась калибро-

ванными грузами. Давление в автоклаве измерялось манометром с классом

точности 0,1. Эксперименты проводились при давлении 0,1 МПа. Опыты

проводили в аргоне высокой чистоты (объемная доля аргона 99,997%) и во-

дорода (содержание примесей 0,007 объемных процента).

Высокоэнергетическая обработка материалов

184

Изучение влияния растягивающей нагрузки на формоизменение образ-

цов карбонильного железа проводилось при радиальном и аксиальном гради-

енте температуры в образце. Температурный интервал циклирования 1120-

1220 К, скорость нагрева 2 К/с, охлаждения 2,5 К/с.

Результаты и обсуждение

В условиях радиального градиента температуры в образце, независимо

от атмосферы в печи (аргон, водород) величина деформации

пропорциональ-

на величине одноосного растягивающего напряжения. Существует линейная

зависимость между относительной деформацией и количеством циклов. Без

внешней механической нагрузки формоизменение отсутствует.

Полученные результаты согласуются с экспериментами для условий

динамической сверхпластичности. Влияния водорода на деформацию при

радиальном движении фронта α→γ превращения не обнаружено.

Прямые α→γ и обратные γ→α полиморфные превращения в

железе от-

личаются не только величиной, но и направлением объемных эффектов. Это

наблюдалось в атмосфере аргона и водорода при аксиальном градиенте тем-

пературы в образцах карбонильного железа.

При аксиальном градиенте температуры, без нагрузки, в инертной ат-

мосфере наблюдается незначительная остаточная деформация, которая со-

ставляет 2% после 100 циклов α↔γ превращений. В водороде обнаружено

увеличение деформации за цикл, изменение нагрузки от 0 до 0,3 МПа мало

влияет на величину относительного удлинения.

В атмосфере водорода основное влияние на интенсивность формоиз-

менения оказывает градиент температуры, т.е. температурно-скоростные ус-

ловия на фронте γ→α превращения карбонильного железа. Это указывает на

принципиальное отличие явления спонтанной деформации в атмосфере во-

дорода от динамической сверхпластичности. Уравнение (2) микроскопиче-

ской теории рассматривает объемную долю растущей и исчезающей фаз, не

учитывая диффузионные процессы на границе фазового превращения. Для

карбонильного железа, при заданных условиях, полиморфное превращение

протекает по нормальному диффузионному механизму с перераспределением

водорода между растущей (α-Fe) и исчезающей фазой (γ-Fe), что и приводит

к спонтанному

формоизменению при градиенте температуры в образце.

Можно предположить, что процесс формоизменения при термоцикли-

ровании у температур полиморфного превращения имеет двойственную при-

Высокоэнергетическая обработка материалов

185

роду. При нагреве (α→γ переход) наблюдается деформация, контролируемая

изменением объема при фазовом превращении, при охлаждении (γ→α пере-

ход) деформация определяется диффузионными процессами на границе пре-

вращения. Многократные полиморфные превращения при аксиальном гради-

енте в образце, протекающие нормальным диффузионным механизмом, вы-

зывают остаточную деформацию, которая контролируется диффузионными

процессами на фронте превращения.

Выводы

1. Относительное удлинение образцов карбонильного железа при мно-

гократных α↔γ превращениях в инертной атмосфере пропорционально при-

ложенной нагрузке;

2. В атмосфере водорода, при аксиальном градиенте наблюдается иной

механизм формоизменения, который определяется температурно-

скоростными условиями на фронте γ→α-превращения.

Литература

1. Кайбышев О. Сверхпластичность промышленных сплавов. – М.: Ме-

таллургия, 1984. – 264 с.

2. Greenwood G., Jonson R. The deformation of metals under small stress

during phase phase transformation // Proceeding of Royal Society. – 1965. –

V.A283, №1394. – P. 403–422.

3. Шаповалов В.И. Влияние водорода на структуру и свойства Fe-C

сплавов. – М.: Металлургия, 1982. – 232 с.

4. Пуарье Ж. Высокотемпературная пластичность кристаллических тел.

– М.: Металлургия, 1982. – 272 с.

Высокоэнергетическая обработка материалов

186

УДК 534.2

СВЕРХГЛУБОКОЕ ПРОНИКНОВЕНИЕ

ТВЕРДЫХ МИКРОЧАСТИЦ В МЕТАЛЛЫ

Ю.С. Ушеренко

, В.В. Соболев

,С.М. Ушеренко

Институт технологии металлов НАН Беларуси,

Могилев, Беларусь;

Национальный горный университет Украины, Днепропетровск;

Ilan Ramon youth physics centre at the Ben-Gurion University of the Negev, Israel

valeriysobolev@rambler.ru;

usherenko@gmail.com

Исследованы железные, медные и алюминиевые преграды после обработки в режиме

сверхглубокого проникания. Показано, что отношение энергии, затрачиваемой на дина-

мический массоперенос, к кинетической энергии удара сгустка микрочастиц E

в зави-

симости от их размера и материала преграды составляет 0,469-0,545. Проведены электро-

химические исследования полученных композиционных материалов.

The metallic iron, copper and aluminium barriers treated in the mode of the super-deep pene-

trating are investigated. It is shown that relation of energy, expended on dynamic mass transition,

to kinetic energy of microparticles clot of shock Et/Ek depending on size and barrier material is

0.469-0.545. Electrochemical researches of aluminium composition materials, got the method of

the super-deep penetrating are conducted.

Введение

Явление сверхглубокого проникновения (эффект Ушеренко) является

сложным процессом динамического взаимодействия сгустка дискретных по-

рошковых частиц с преградой. Ударники движутся в твердом теле, как будто

не встречая сопротивления. Создается впечатление, что материал металличе-

ской преграды теряет свои прочностные свойства и перестает взаимодейст-

вовать со сгустком ударников. Появились многочисленные модели и меха

низмы, пытающиеся объяснить данное явление уменьшением затрат энергии

на проникание [1].

Исследование металлических преград после обработки позволило вы-

явить многочисленные следы взаимодействия частиц с преградой на различных

структурных уровнях [2]. Например, имеются участки локального проплавле-

ния и зоны высокоэнергетического облучения потоками ионов, которые никак

нельзя объяснить гипотезой о

низкоэнергетическом взаимодействии между

ударниками и преградой. Наблюдаются значительные изменения структуры и

свойств металлов, благодаря чему сверхглубокое проникание (СГП) признается

как основа для новой технологии производства массивных композиционных

материалов [3]. Кажется очевидным, что без затрат значительного количества

Высокоэнергетическая обработка материалов

187

энергии нельзя изменить механические, физические и химические свойства в

макрообъеме преграды на десятки и сотни процентов [4].

Если при обычном ударе энергия затрачивается на формирование макро-

кратера и на осадку металлической преграды, то при СГП энергия в основном

расходуется на формирование элементов армирующей структуры композици-

онного материала. Полученный баланс

энергии был сделан на допущении от-

сутствия статического сопротивления в материале преграды и многократном

перераспределении полей давления между элементами структуры. За счет до-

полнительной энергии, генерируемой в процессе формирования армирующей

(канальной) структуры, происходит компенсация дисбаланса энергии [1]. Та-

кой подход впервые позволил рассматривать процесс формирования новых

композиционных материалов при

сверхглубоком проникании в рамках извест-

ных физических процессов. Создание армирующих элементов структуры в ме-

таллических преградах происходит при пульсации каналов в поперечном и

продольном сечении, что приводит к интенсивному динамическому массопе-

реносу материала преграды и изменению его структурного состояния.

На данной стадии исследований целесообразно рассмотреть процессы

динамического массопереноса в канальных элементах

в упрощенной форме,

т.е. только с учетом процесса перераспределения кинетической энергии уда-

ра в зонах динамической перестройки структуры и при релаксации материала

преграды за счет формирования плазменных струй.

Целью данной работы является описание этапа захлопывания каналов в

металлах и сплавах и изменение электрохимических свойств нового массив-

ного композиционного материала.

1. Формирование канальных элементов в процессе сверхглубокого

проникновения

Допустим, что падение статического сопротивления происходит в пе-

риод динамического фазового перехода. Параметры динамических фазовых

переходов могут быть определены по структурным изменениям материала

преграды. На фоне высокого локального давления реализуются интенсивные

деформационные процессы, приводящие к устойчивому деструктурирован-

ному состоянию вещества. Эти условия в точности соответствуют необходи-

мым требованиям для возникновения состояния "сверхпластичности". Ранее

подобную возможность рассматривали только как теоретически достижи-

Высокоэнергетическая обработка материалов

188

мую. В результате ударно-волнового нагружения в образце возникают резко

очерченные зоны, отличающиеся от остальной массы металла цветом трав-

ления, повышенной твердостью и структурой.

1.1 Формирование каналов в железной преграде

Формирование микроструктуры композита происходит при давлении,

необходимом для инициирования фазового перехода. В качестве эталона для

проведения расчетов выбрали железо, для которого величина давления дина-

мического фазового перехода составляет 12 ГПа. Кривая Гюгонио для желе-

за, определяющая зависимость удельного объема от ударного давления, ис-

пытывает излом при 12 ГПа и 298 К. Этот излом возникает вследствие резко-

го изменения сжимаемости или удельного объема и объясняется переходом

от объемно центрированной кубической решетки α-фазы к плотноупакован-

ной гранецентрированной кубической решетке ε-фазы.

Учитывая, что процесс СГП протекает в объеме металлической матри-

цы, а время его реализации не превышает времени нагружения преграды по-

током, т. е. сотен микросекунд. Поэтому нереально восстановление исходно-

го малодефектного состояния материала канальной зоны диффузионным пу-

тем. Более вероятным представляется удаление дефектного материала за счет

выброса прямых и обратных струй при схлопывании многочисленных кана-

лов [5]. При прохождении частицы-ударника по зоне материала, испыты-

вающей фазовое превращение, происходит вынос вещества матрицы, нахо-

дящегося в состоянии плазмы. В период нагружения существует множество

канальных элементов, работающих асинхронно. При пульсации канальных

элементов между ними реализуется обмен полями давлений. Формирование

сверхпластичного состояния материала может происходить за счет кинетиче-

ской энергии потока. При проведении расчетов авторы заведомо минимизи-

ровали затраты энергии на массоперенос и формоизменение. Металлографи-

ческая картина распределения дефектов по объему преграды отражает сово-

купность реальных процессов, протекающих при сверхглубоком проникании.

Для варианта с увеличением плотности фазы реализуется трехстадий-

ный подход. Рассмотрим это на примере железа: где кинетическая энергия

при ударе – E

=5,88⋅10

Дж, остаточный объем дефектного материала –

=2,73⋅10

–6

, исходный объем дефектного материала – V

=4,9⋅10

–6

, доля

остаточного дефектного материала – Z

avFe

=0,543, а давление инициирования

Высокоэнергетическая обработка материалов

189

динамического фазового перехода примем P

=1,2⋅10

Н/м

. Внутри железной

(стальной) преграды за счет кинетической энергии соударения сгустка частиц

– E

в преграде формируется закрытая зона высокого давления P

, иниции-

рующая в ней динамический фазовый переход.

I стадия: при ρ

> ρ

, V

, Р

>Р

, m

=m=ρ

=ρ

; P

= P

+ρ

E(α↔ε)

, Р

– Р

=ΔP. При инициировании за счет высокого импульсного

давления α→ε перехода часть энергии высокого давления в объеме V

преоб-

разуется в потенциальную энергию фазового перехода. Потенциальная энер-

гия, поглощаемая или выделяемая при α↔ε фазовом переходе единичной

массой железа, составляет ρ

E(α↔ε)

≈7,875⋅10

Дж/кг. Тогда V

=4,65⋅10

–6

⋅ρ

=38,36⋅10

–3

кг, ρ

=8,249⋅10

кг/м

. Таким образом, плот-

ность фазы высокого давления при СГП больше, чем плотность фазы низкого

давления (ρ

>ρ

) не более чем на 5,3%.

II стадия: при уменьшении фонового давления (этап разгрузки) начина-

ется обратный фазовый переход ε→α в границах объема V

. Предположим,

что при этом происходит преобразование потенциальной энергии фазового

перехода в повышение давления в этом объеме – P

+ΔP=12,649⋅10

Н/м

при ρ

=ρ

, m

=m, V

, P

+ΔP⋅V

, т.е. ΔP⋅V

=ρE

(α↔ε)

или

=12,645⋅10

Н/м

, ΔP=ρE

(α↔ε)

= 0,6496⋅10

Н /м

III стадия: при ρ

=ρ

, V

– ΔV, m

= m – Δm, Δm = ΔVρ

⋅ΔV ΔP=E

/ΔV, P

⋅V

+ΔV⋅P

⋅V

, P

Энергия на выброс материала E

равна энергии на II стадии (до выбро-

са) без энергии в оставшемся материале на 3 стадии: P

– P

atm

Давление на II стадии равно давлению на I стадии (т.к. фазовый пере-

ход уже прошел, а выброса еще не было): V

=4,65⋅10

–6

=12,645⋅10

Н/м

. Выброс происходит в открытое пространство, где давле-

ние P

atm

=760 мм рт. ст = 101325 Н/м

. Плотность материала на III стадии рав-

на плотности на I стадии (после фазового перехода) ρ

=ρ

=8,248 м

/кг, т.е.

материал еще не возвратился в исходную фазу. На III стадии выброс уже

произошел, а следовательно V

= V

105972

−

⋅=

⋅

= ,

Высокоэнергетическая обработка материалов

190

Отсюда объем выброшенного материала, находящийся вне образца уже

при нормальном давлении равен:

(

)

2560

3223222

VVP

VPVP

atmatm

−

Поэтому плотность материала струи упала до 66,1⋅10

–3

кг/м

Процесс сверхглубокого проникновения меняется в зависимости от

размера микрочастицы (ударника). Рассмотрим 4 варианта размеров ударни-

ков: 12,5, 66,5, 100, 180 мкм, а также усредненную величину – 89,75 мкм. В

зависимости от размера исходного ударника масса дефектного материала, ос-

тавшегося после СГП в железной преграде (сталь 40) составляет:

=15,135⋅10

–3

кг, M

=21,3⋅10

–3

кг, M

=25,99⋅10

–3

кг, M

=37,2⋅10

–3

кг,

dav

=25,760⋅10

–3

кг. Масса железа, испытавшего динамический переход –

=38,36⋅10

-3

кг. Масса выброшенного материала в зависимости от диаметра

ударника составляет: M

=23,22⋅10

–3

кг, M

=17,06⋅10

–3

кг, M

=12,37⋅10

–3

кг,

=1,16⋅10

–3

кг, M

t av

=12,6⋅10

–3

кг; α

1-2

= (M

– М

)/М

= 0.2652, α

1-3

= (M

–

–М

)/М

= 0.4672, α

1-4

= (M

– М

)/М

= 0.95, α

1- av

= (M

– М

t av

)/М

= 0.4573.

Из работы [5] следует, что при α

/α

=0,514 наблюдается полное блоки-

рование вывода обратных струй за счет закрытия выходных отверстий на пе-

редней поверхности преграды балластными пластинами. Если за точку от-

счета использовать α

1- av

, тогда α

1- ave

/α

1-4

= 0,270. Следовательно, при среднем

размере ударника 180 мкм также происходит частичное блокирование вы-

броса обратной струи в железе. Частичное блокирование, по-видимому, про-

исходит за счет дробления SiC частиц.

В таблицах 1 и 2 показано изменение параметров сверхглубокого про-

никания в зависимости от средних размеров исходных частиц SiC. Скорости

обжатия и выброса определены [6] из

уравнения

)MM(M

tdfcomf

υυ

−

Из табл. 2 следует, что время захлопывания канальных элементов в за-

висимости от размера ударника составляет доли микросекунды, т.е. этого вре-

мени недостаточно для завершения динамического фазового перехода ε→α.