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

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

энергетического и теплового полей [1-3]. Глубина зоны растворения включе-

ний зависит от режима лазерной обработки: чем больше энергия импульса W

и время воздействия τ

имп

, тем она больше (табл.1).

Таблица 1

Глубина зоны растворения включений h, мкм в колесной стали 60Г

при разных режимах лазерного воздействия

имп

⋅10

-3

, с

Включение

имп

Дж

1,0 2,5 3,6 4,2 6,0

MnO·Al

10 2,1 2,6 3,4 3,6 4,9

MnO·Al

25 3,1 3,1 3,8 4,5 4,7

(Fe,Mn)S 10 2,6 2,6 3,8 4,0 5,7

(Fe,Mn)S 25 3,9 4,0 5,7 5,7 6,5

В момент лазерного воздействия процесс растворения (и плавления)

включения происходит путем неупорядоченных переходов атомов включе-

ния через границу с расплавленной либо твердой матрицей. Механизм сверх-

скоростного растворения и плавления включений связан с взаимным (вклю-

чение↔матрица) скоростным массопереносом атомов через границы раздела,

которые тоже плавятся. При этом аномальный скоростной массоперенос че-

рез границы включение-матрица сопровождается обменом электронами меж-

ду включениями (доноры) и матрицей (акцептор) [4]. Следует отметить еще

один важный фактор, влияющий на условия массопереноса между включе-

ниями и стальной матрицей – это электромагнитное поле, индуцируемое ла-

зерным излучением [5]. Установлено, что при лазерной обработке железо-

углеродистых расплавов под действием этого поля на компоненты

сплавов

возникают определенные силы, направление которых зависит от магнитных

свойств этих компонентов; определены величины сил, действующих на ато-

мы диамагнетиков и парамагнетиков. В наших условиях локального плавле-

ния эти факторы также важны, поскольку действие сил, обусловленных элек-

тромагнитным полем, способствует аномальному перераспределению атомов

элементов включений и стальной матрицы, обладающих разными

магнитны-

ми свойствами (магнитным моментом). Таким образом, при лазерном воздей-

ствии электронное взаимодействие между включением и матрицей усложняет-

ся электромагнитным взаимодействием между атомами контактирующих фаз.

Высокоэнергетическая обработка материалов

Массоперенос компонентов из матрицы в поверхностный слой вклю-

чения может ускорить процесс растворения или плавления, если раствори-

мость этих элементов во включении достаточно велика. Изменение на по-

верхности включения химического состава и достижение предела раствори-

мости элементов матрицы создают условия для перехода поверхностного

слоя включения в жидкое состояние с минимальными

затратами энергии на

разрыв межатомных связей. По-видимому, это может быть связано с искаже-

нием решетки включения проникшими из матрицы атомами и возникновением

повышенной плотности дефектов кристаллического строения и значительных

напряжений в поверхностном слое, что согласуется с данными работ [6,7].

Таким образом, в гипернеравновесных условиях лазерного воздействия

в поверхностном слое включения, контактирующего

с расплавленной матри-

цей (или с твердой матрицей), образуется зона с повышенной плотностью

дислокаций и вакансий. Согласно дислокационной теории плавления [8,9],

участки этой зоны, представляющие собой сильно искаженные области с

практически разупорядоченной решеткой могут быть зародышами жидкой

фазы. В пределах сильно разупорядоченного участка на поверхности вклю-

чения (зародыша жидкой фазы) находятся

атомы с наиболее нарушенными

электронными конфигурациями. Проведя расчеты, аналогичные приведен-

ным в работе [10], можно определить критический размер зародыша жидкой

фазы в поверхностном слое включения. Энергия E

раз

сильно разупорядочен-

ного участка сферической формы на поверхности включения определяется:

раз

= (4π/3)

(1 – V/V

)

3 .

Q, (1)

где r – радиус зародыша, V/V

– прирост объема включения при переходе его

участков в сильно разупорядоченное состояние, Q – энергия, которая поглоща-

ется при переходе участков включения в сильно разупорядоченное состояние.

Последовательность образования сильно разупорядоченных участков

на поверхности включения, а также перемещения межфазной границы вклю-

чение-жидкая матрица в процессе плавления включения и самой границы

включение-матрица можно

представить следующим образом (рис. 1 а,б): на

поверхности включения, насыщенной элементами матрицы, образуются

сильно разупорядоченние участки – зародыши плавления, которые целиком

переходят в жидкую сталь, растворяясь в ней и насыщая прилегающие к

Высокоэнергетическая обработка материалов

включению участки матрицы элементами включения. Положение границы

включение-матрица изменяется, она искривляется в зависимости от характе-

ра взаимного массопереноса. На рис. 1 в,г показано изменение распределения

сил вблизи сильно разупорядоченного участка и после его перехода в жид-

кую матрицу в поверхностном слое включения: σ

т-раз

– поверхностное натя-

жение на границе твердое включение-сильно разупорядоченный участок; F

–

силы растяжения в кристаллической решетке включения вблизи сильно разу-

порядоченного участка; F

– силы растяжения в сильно разупорядоченном

участке; σ

т-ж

– поверхностное натяжение на границе твердое включение-

жидкий участок включения; F

– силы растяжения в решетке включения

вблизи расплавившегося участка включения. Действие жидкой матрицы вы-

зывает изменение поверхностного натяжения включения, что нарушает рав-

новесную форму границы включение-матрица.

При переходе сильно разупорядоченного участка включения в жидкое

состояние изменяется площадь поверхности S и энергия межфазной границы

включение-матрица E

МФГ

(см. рис. 1, б):

S = π/4⋅r

⋅(V/V

)

2/3

МФГ

= 4πr

⋅(V/V

)

2/3

⋅σ

т- ж

(2)

Такой механизм контактного растворения и плавления неметаллического

включения и границы включение-матрица в расплавленной стальной матрице в

неравновесных условиях при лазерном воздействии является энергетически оп-

равданным, поскольку поверхностный слой включения, находящийся в напря-

женном состоянии с повышенной энергией, заменяется жидкой фазой с мень-

шей энергией. Представляется, что уменьшение поверхностной энергии при

контактном взаимодействии включения и матрицы в момент его плавления яв-

ляется довольно значительным, чтобы система включение-межфазная граница-

матрица оставалась термодинамически неустойчивой после лазерного воздей-

ствия. Реализация такого механизма растворения и плавления включений опре-

деляется величиной напряжений, создаваемых в поверхностном слое включе-

ния. По-видимому, в условиях высокоскоростного лазерного воздействия

при

возникновении больших напряжений возможно практически безактивационное

превращение сильно разупорядоченного поверхностного слоя включения в

жидкое состояние благодаря образованию зародышей жидкой фазы.

Высокоэнергетическая обработка материалов

а б

в г

Высокоэнергетическая обработка материалов

Рис. 1. Схемы лазерного плавления включений: 1 – граница включение-

матрица, 2 – зона насыщения жидкой матрицы элементами включения, 3 –

зона насыщения твердого включения элементами матрицы, 4 – исходное по-

ложение границы включение-матрица

В условиях импульсного лазерного воздействия релаксационные про-

цессы в поверхностном слое включения практически не имеют времени для

развития, поэтому значительно увеличивается время,

необходимое для дос-

тижения квазиравновесных условий на межфазной границе включение-

матрица. Внутренние напряжения в поверхностном слое включения контро-

Высокоэнергетическая обработка материалов

лируют развитие процесса плавления, которое происходит в ограниченном

объеме при сохранении контакта между включением и матрицей. Согласно

[11], элементарный акт релаксации напряжений вызывает одновременную

активацию значительного числа атомов включения в процесс разупорядоче-

ния, подобного плавлению.

Возможна также реализация механизма лазерного плавления (раство-

рения) включений, учитывающая тот факт, что многие включения являются

нанофазами [1], в которых велика протяженность и объемная доля зеренных

границ. В таких включениях при образовании сильно разупорядоченного по-

верхностного слоя в условиях массопереноса в поверхностный слой включе-

ния элементов жидкой матрицы, должно легко происходить растворение

(плавление) границ зерен включения и нанозерна включения с разупорядо-

ченной структурой целиком уходят в расплавленную

матрицу (рис.1, д). Для

такого механизма растворения включений-нанофаз, когда процесс ускоряется

на границах зерен, распределение поверхностных натяжений при контактном

взаимодействии с жидкой матрицей имеет следующий вид (рис. 1, е).

Следует отметить, что для включений, не представляющих собой на-

нофазы, также следует учитывать возможную роль границ зерен, контакти-

рующих с жидкой

матрицей, а значит, подверженных контактному взаимо-

действию и массопереносу элементов. По-видимому, границы зерен включе-

ния должны растворяться несколько быстрее, чем тело зерен, однако, скоро-

сти массопереноса элементов матрицы здесь сопоставимы и процесс плавле-

ния по границам зерен и телу зерен происходит более равномерно, чем в на-

нофазах. Распределение поверхностных натяжений

при контактном взаимо-

действии плавящегося включения с жидкой матрицей приведено на рис. 1, ж.

При лазерном растворении (плавлении) эвтектического включения его

фазы должны растворяться одновременно, хотя одна из них всегда менее

стойкая и (или) более легкоплавкая. Очевидно, при лазерном плавлении и

контактном взаимодействии с жидкой матрицей должно происходить пре-

имущественное растворение (

плавление) границ включение-включение

(межфазных границ эвтектик). Именно распределение поверхностных натя-

жений в зоне контактного взаимодействия, когда в поверхностных участках

фаз эвтектики создается сильно разупорядоченное состояние, а в жидкой

матрице не успевает проходить диффузионное выравнивание состава, созда-

ются сильно неравновесные условия и появляется термодинамический сти-

Высокоэнергетическая обработка материалов

мул для быстрого одновременного или избирательного растворения фаз

включения (рис. 1, з). Кроме того, поскольку скорость массопереноса и сте-

пень насыщения фаз эвтектического включения элементами матрицы, в пер-

вую очередь железа, различна, та фаза включения, где насыщение железом

происходит в большей степени, растворяется быстрее.

Расплавленное неметаллическое включение (или оплавленное с по-

верхности) находится в расплавленной стальной матрице и образуется ло-

кальная микрометаллургическая ванна, в которой под действием лазерного

излучения возникают гидродинамические потоки в условиях вихревого тер-

мокапиллярного перемешивания [5], что вызывает перемещение включения.

Это вносит элементы конвективного массопереноса элементов включения и

матрицы в общий процесс аномального скоростного массопереноса.

Для всех рассмотренных видов неметаллических

включений, на ско-

рость лазерного растворения должна влиять анизотропия поверхностных

свойств включения (или его фаз). Вероятность массопереноса от включения в

матрицу через границу их раздела тем больше, чем меньше разрывается меж-

атомных связей, т.е., чем менее плотно упакована плоскость. Включения с

ярко выраженной анизотропией поверхностных свойств должны характери-

зоваться

более высокой скоростью растворения, чем включения с меньшей

анизотропией поверхностных свойств. Процесс плавления включения сопро-

вождается скоростным перераспределением сил межатомных связей в пользу

атомов разного типа, имеющих благоприятное соотношение электроотрица-

тельностей [12]. Известно, что большая разница электроотрицательности

компонентов вызывает усиление связей между разнородными атомами и по-

зволяет объяснить преимущественный массоперенос одних компонентов

из

включения в матрицу и наоборот.

Стойкость неметаллического включения при контактном взаимодейст-

вии с жидкой матрицей зависит от степени отклонения системы от квазирав-

новесного состояния в момент лазерного воздействия, т.е. от разницы хими-

ческих потенциалов компонентов во включении и матрице. Метастабильные

включения (или их фазы) более чувствительны к контактному

взаимодейст-

вию с жидкой матрицей при лазерном воздействии, и это связано с тем, что

при растворении метастабильной фазы свободная энергия уменьшается в

большей степени, чем при растворении стабильной фазы. Дальнейшее изуче-

ние термодинамических характеристик компонентов включения и матрицы и

Высокоэнергетическая обработка материалов

их влияния на характер процессов контактного взаимодействия в пределах

границы включение-матрица позволит целенаправленно влиять на это взаи-

модействие при лазерном воздействии.

При закалке из жидкого состояния в поверхностном слое включений

либо во всем объеме формируется зона лазерной кристаллизации, для кото-

рой характерны ультрамелкозернистость, столбчатая форма зерен, в также

наличие

зон сдвига. При лазерном плавлении включений возникают высокая

степень неравновесности жидкой фазы, бифуркационная неустойчивость

расплава и переход от ламинарного течения жидкости к турбулентному, что

обеспечивает градиент колебательного давления на границе включение-

матрица (полностью жидкой, если расплавились и включение, и матрица, ли-

бо полужидкой, если матрица осталась твердой), контролирующий конвек-

тивные и

аномальные потоки массопереноса. Значительные напряжения,

возникающие в тонких поверхностных слоях включения и матрицы, в ре-

зультате локальных тепловых вспышек лазерного излучения [3] в совокуп-

ности с действием реактивных сил отдачи при выбросе из зоны обработки

жидкости приводят к высокотемпературной деформации жидких прослоек,

продолжающейся при кристаллизации в процессе охлаждения.

В ряде включений,

бывших до лазерного воздействия однофазными, в

процессе неравновесной кристаллизации произошел фазовый распад, обу-

словленный перемешиванием жидкости под действием гидродинамических

сил и температурных градиентов. Во включениях появились дисперсные час-

тицы второй фазы либо прослойки разного химического состава. Размер этих

новообразований практически не зависел от энергии импульса, однако воз-

растал с увеличением длительности

лазерного воздействия (табл. 2).

Таблица 2

Размеры дисперсных выделений (мкм) при распаде включений в процессе

кристаллизации стали 60Г, стимулированной лазерной обработкой

имп

⋅10

–3

, с

Включение

имп

Дж

1,0 2,5 3,6 4,2 6,0

MnO·Al

10 1,5 2,1 2,7 2,6 3,5

MnO·Al

25 1,6 2,1 2,8 2,5 3,7

(Fe,Mn)S 10 1,6 2,6 2,8 2,6 3,7

(Fe,Mn)S 25 1,7 2,3 2,7 2,7 3,5

Высокоэнергетическая обработка материалов

По-видимому, при лазерной кристаллизации во включениях может со-

храняться концентрационная неоднородность, возникшая в жидком состоя-

нии, из-за ограниченного времени воздействия и это приводит к локальным

пересыщениям и формированию новых метастабильных фаз. Как показали

исследования, их состав соответствует неравновесным включениям типа

3MnO

2Al

, CrO, AlO, mFeO-nMnO и др. Фазовый распад в процессе лазер-

ной кристаллизации приводит к формированию во включениях квазимодули-

рованных структур, связанных как с направленной кристаллизацией, так и с

формированием дисперсных выделений на дефектах кристаллического

строения в зонах химической неоднородности.

Выводы. В результате проведенных исследований предложен меха-

низм плавления неметаллических включений и границ включение-

матрица

при контактном лазерном плавлении включений и стальной матрицы в усло-

виях аномального массопереноса, связанный с образованием в гипернеравно-

весных условиях зон с повышенной плотностью дислокаций, а также элек-

тронным и электромагнитным взаимодействием включений и матрицы, в том

числе нанофазных и квазиэвтектических. Это позволяет создать предпосылки

для целенаправленного влияния на границы

включение-матрица, а также хи-

мический и фазовый состав поверхностного слоя неметаллических включе-

ний. Изучены особенности структуры включений после лазерной кристалли-

зации, позволяющие прогнозировать изменение сопряжения решеток на гра-

нице включение-матрица.

Литература

1. Губенко С.И., Парусов В.В., Деревянченко И.В. Неметаллические

включения в стали. – Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2005. – 536 с.

2. Губенко С.И. Трансформация неметаллических включений в стали. –

М.: Металлургия, 1991. – 225 с.

3. Упрочнение деталей лучом лазера / В.С. Коваленко, Л.Ф. Головко,

Г.В. Меркулов, А.И. Стрижак. – К.: Техника, 1981. – 131 с.

4. Самсонов Г

.В., Прядко И.Ф., Прядко Л.Ф. Конфигурационная мо-

дель вещества. – К.: Наук. думка, 1971. – 230 с.

Высокоэнергетическая обработка материалов

5. Лихошва В.П. Процессы взаимодействия лазерного излучения с дис-

персными частицами в гетерогенных материалах: Автореф. дис… д-ра техн.

наук: 05.03.05 / НТУУ–КПИ–Физико-технологический Институт металлов и

сплавов. – К., 2005. – 40 с.

6. Найдич Ю.В., Колесниченко Г.А. Исследование смачивания графита

медно-никелевыми и олово-никелевыми расплавами // Поверхностные явле-

ния в

расплавах и возникающих из них твердых фазах. – Нальчик: КБКИ,

1965. – С. 564–566.

7. Розякин В.В., Скрыпнюк В.М., Клюшкин В.П. Исследование смачи-

вания титана, Ст 3 и 1Х18Н9Т магнием и хлористым магнием // Поверхност-

ные явления в расплавах и возникающих из них твердых фазах. – Нальчик:

КБКИ, 1965. – -С. 634–638.

8. Уббелоде А. Расплавленное

состояние вещества. – М.: Металлургия,

1982. – 376 с.

9. Найдич Ю.В., Перевертайло В.М., Григоренко Н.Ф. Капиллярные яв-

ления в процессах роста и плавления кристаллов – К.: Наук. думка, 1983.– 100 с.

10. Ивенсен В.А. Феноменология спекания. – М.: Металлургия, 1985. – 247 с.

11. Постников В.С. Физика и химия твердого состояния. – М.: Метал-

лургия, 1978. – 544 с.

12. Смитлз

К.Дж. Металлы. – М.: Металлургия, 1980. – 446 с.

УДК 622.235.38:622.235.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕДАЧИ ДЕТОНАЦИИ

МЕЖДУ ПАТРОНАМИ ВВ В РАССРЕДОТОЧЕННОМ ЗАРЯДЕ

С.А. Калякин, К.Н. Лабинский

Донецкий национальный технический университет (ДонНТУ),

ул. Атрема, 58, г. Донецк, 83000, Украина

E-mail: yglenit@gmail.com

, bootor@gmail.com

В статье исследован механизм передачи детонации между патронами ВВ в рассредото-

ченном заряде и разработаны конструкции монозарядов и зарядов, состоящих из отдель-

ных патронов ВВ, устойчиво детонирующих при замедленном взрывании.

The mechanism of transmission of detonation between explosives’ cartridges in deconcentrated

charge was analyzed in this article. The constructions of mono-charges and charges from separated

explosives’ cartridges, which stably detonate in delayed explosion, were developed in this article.