Многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом
Применение слоистых конструкционных материалов перспективно при решении проблемы повышения надежности и долговечности тяжелонагруженных машин и оборудования. В работе рассмотрена возможность исопльзования сварки
 взрывом с целью получения многослойных конструкций с высоким ресурсом трещиност...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112979 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом / Р.П. Дидык, В.А. Козечко // Автоматическая сварка. — 2015. — № 2 (740). — С. 54-57. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860137755374256128 |
|---|---|
| author | Дидык, Р.П. Козечко, В.С. |
| author_facet | Дидык, Р.П. Козечко, В.С. |
| citation_txt | Многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом / Р.П. Дидык, В.А. Козечко // Автоматическая сварка. — 2015. — № 2 (740). — С. 54-57. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Применение слоистых конструкционных материалов перспективно при решении проблемы повышения надежности и долговечности тяжелонагруженных машин и оборудования. В работе рассмотрена возможность исопльзования сварки
взрывом с целью получения многослойных конструкций с высоким ресурсом трещиностойкости, достигаемым за счет управления составом и свойствами зоны соединения путем введения барьерных слоев. В качестве барьерного слоя
предложено использовать металлы, не взаимодействующе в твердом состоянии или образующие твердые растворы замещения (ванадий, медь, никель). Анализ результатов испытаний слоистых образцов на многоцикловую усталость в
условиях пульсирующего растягивающего цикла позволил установить кинетику усталостного разрушения, зависящего от структурного состояния межслойной границы металлической композиции. Показано, что введение в структуру композиции промежуточного металлического слоя, характеризующегося резко отличными физико-механическими свойствами и повышенной вязкостью, приводит к повышению трещиностойкости материала по сравнению с одноименным эквивалентом.
Application of laminar structural materials is challenging in the solution of problem of increasing the reliability and life of heavy-loaded machines and equipment. The work deals with the possibility of application of explosion welding for producing myltilayer structures with a high reserve of crack resistance, achieved by control of composition and properties of the joining zone by adding barrier layers. As a barrier layer it was suggested to apply metals, not interacting in solid state or those, forming interstitial solid solutions (vanadium, copper, nickel). The analysis of test results of laminar specimens for low-cycle fatigue under conditions of pulsaring tensile cycle allowed establishing the kinetics of fatigue fracture, depending on structural state of interlayer interface of metal composition. It is shown that adding of an intermediate metal layer, characterized by greatly different properties and increased ductility, to the structure of composition leads to increase in crack resistance of material as compared to the similar equivalent.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:47:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
54 2/2015
УДК 621.791.76:621.7.044.2
МНОГОСЛОЙНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
ПОВЫШЕННОЙ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ,
СФОРМИРОВАННЫЕ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ
Р.П. ДИДЫК, В.А. КОЗЕЧКО
Нац. горный ун-т. 49027, г. Днепропетровск, просп. К.Маркса, 19. E-mail: didyk@nmu.org.ua
Применение слоистых конструкционных материалов перспективно при решении проблемы повышения надежности и
долговечности тяжелонагруженных машин и оборудования. В работе рассмотрена возможность исопльзования сварки
взрывом с целью получения многослойных конструкций с высоким ресурсом трещиностойкости, достигаемым за счет
управления составом и свойствами зоны соединения путем введения барьерных слоев. В качестве барьерного слоя
предложено использовать металлы, не взаимодействующе в твердом состоянии или образующие твердые растворы
замещения (ванадий, медь, никель). Анализ результатов испытаний слоистых образцов на многоцикловую усталость в
условиях пульсирующего растягивающего цикла позволил установить кинетику усталостного разрушения, зависящего
от структурного состояния межслойной границы металлической композиции. Показано, что введение в структуру ком-
позиции промежуточного металлического слоя, характеризующегося резко отличными физико-механическими свой-
ствами и повышенной вязкостью, приводит к повышению трещиностойкости материала по сравнению с одноименным
эквивалентом. Библиогр. 5, рис. 3.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка взрывом, слоистые композиционные материалы, многослойные конструкции, трещи-
ностойкость композиций, барьерные слои, медь, зона пластической деформации
Одним из основных путей решения проблемы по-
вышения надежности и долговечности конструк-
ций деталей машин, работающих в жестких усло-
виях нагружения, может быть создание слоистых
композиционных материалов, позволяющих фор-
мировать структуру и границы раздела слоев в
соответствии с условиями эксплуатации деталей.
Изготовление слоистых композиционных мате-
риалов осуществляется горячей и холодной пласти-
ческой деформацией заготовок прокаткой или прес-
сованием, термодиффузионной сваркой, литьем,
различными видами осаждения на поверхность од-
ного или нескольких компонентов либо сочетанием
этих методов. Однако существенными недостатками
перечисленных способов является их избиратель-
ность, связанная с проблемой получения прочной
физической связи металлов и сплавов, резко отли-
чающихся по комплексу физико-механических и хи-
мических характеристик [1]. В этой связи актуаль-
ность технологических процессов, основанных на
возможности получения прочных металлических
композиций практически из любых сочетаний и
управление строением и свойствами границы сое-
динения не вызывают сомнений. К таким процессам
можно отнести сварку взрывом [2].
Сварка взрывом имеет ряд особенностей, яв-
ляющихся следствием высокой интенсивности
пластического течения и кратковременности дей-
ствия высоких градиентов давлений и температур
в приконтактних слоях соударяющихся пластин. В
специфических условиях сварки взрывом как од-
ной из наиболее выгодных форм превращения ки-
нетической энергии соударяющихся тел в работу
пластической деформации является процесс вол-
нообразования, который существенно влияет на
строение контактной зоны и, соответственно, на
свойства соединения [3]. Следует отметить, что
уникальные возможности сварки взрывом в ос-
новном были реализованы как эффективное сред-
ство в технологии производства биметаллической
продукции с целью экономии дефицитных цвет-
ных металлов и сплавов.
В предлагаемой работе впервые рассматрива-
ется возможность использования сварки взры-
вом для получения многослойных конструк-
ций, характеризующихся высоким ресурсом
трещиностойкости.
При сварке взрывом многослойных компози-
ций возможно как последовательное соединение
пластин, так и одновременное соединение всего
пакета за одну операцию, реализуемых как для
получения плоских многослойных конструкций,
так и пространственных с цилиндрической и ко-
нической симметрией. Наибольшее распростра-
нение получило одновременное многослойное
соединение при параллельной схеме ориентации
свариваемых элементов. При этом вначале проис-
ходит соударение верхней пластины с промежу-
точной, затем промежуточная пластина приобре-
тает скорость верхней пластины и осуществляется
совместный полет двух пластин, и так далее. Од-
© Р.П. Дидык, В.А. Козечко, 2015
552/2015
нако при сварке взрывом многолистовых компо-
зиций возникают проблемы, связанные с изме-
нением параметров процесса: уменьшением угла
соударения, снижением давления при переходе от
верхнего к нижнему листу, что, в свою очередь,
вызывает изменение границы соединения слоев –
от непрерывного слоя расплавов вдоль всей гра-
ницы контактирования к синусоидальной границе
с наличием вихревых зон или прямолинейной гра-
нице без образования участков литой структуры и,
следовательно, к изменению прочности сцепления
слоев. Этот недостаток можно исключить исполь-
зованием направляющего элемента соответствую-
щей массы. В этом случае угол соударения зада-
ется направляющей пластиной, импульс которой
практически не изменяется при взаимодействии с
первым листом, имеющим меньшую массу. Угол
соударения направляющей пластины повторяется
первым листом, скорость полета которого также
равна скорости направляющей пластины, что по-
вторяется и для следующих листов практически
без изменения параметров соударения, т. е. взрыв-
ная технология позволяет получать качественные
соединения как двухслойных, так и многослойных
композиций (рис. 1).
Создание новых слоистых композиций с задан-
ным уровнем свойств и рациональной структурой
материала требует обоснованного выбора компо-
нентов и технологии их изготовления. Выбор ма-
териала слоев осуществляется исходя из условий
эксплуатации изделия, а также химической (тер-
модинамической и кинетической) и механической
совместимости компонентов. Термодинамически
совместимыми компонентами считаются нера-
створимые друг в друге и не образующие хими-
ческих соединений металлы (например, Мо–Си,
Nb–Си). Большинство термодинамически несо-
вместимых компонентов в определенных темпе-
ратурно-временных условиях могут быть совме-
стимы кинетически (метастабильное равновесие)
и обеспечить надежность работы конструкции.
Механическая совместимость, заключающаяся в
соответствии упругих постоянных, коэффициен-
тов термического расширения и показателей пла-
стичности составляющих материала, определяет
напряженно-деформированное состояние слоис-
тых материалов.
Работоспособность композиционных изде-
лий определяется неоднородной по составу зо-
ной соединения, структура и свойства которой
формируются в процессе сварки взрывом за счет
расплавления приповерхностных слоев, их пе-
ремешивания и диффузии элементов. В зоне со-
единения возможно получение переходных сло-
ев с пониженной или повышенной, относительно
исходных материалов, микротвердостью, обра-
зование хрупких интерметаллидов и т.д. В зави-
симости от этого меняется характер разрушения
переходной зоны: от вязко-пластичного к сколу с
участками поверхности вязкого разрушения или
хрупкому сколу [3]. Из сказанного выше следует
необходимость получения сочетания прочности
материала переходных слоев с его достаточно вы-
сокой пластичностью, что может быть обеспечено
технологическими параметрами сварки взрывом.
При создании трещиностойких слоистых ком-
позиций рассмотрена возможность управления
составом и свойствами зоны соединения путем
введения барьерных слоев. Применение этих сло-
ев при создании слоистых материалов для хими-
чески взаимодействующих компонентов является
достаточно известным методом [4, 5]. Барьерный
слой играет роль инертной прослойки, не позво-
ляющей взаимодействовать свариваемым слоям.
В задачу исследования входила оценка возмож-
ности использования вязкой прослойки в каче-
стве барьерного слоя, препятствующего развитию
трещины, изучение взаимодействия трещины с
прослойкой и создание рациональной структуры
композиционного материала, способствующей
снижению скорости распространения трещин,
изменению ее направления и остановке. В каче-
стве барьерного слоя предлагается использовать
металлы, не взаимодействующие в твердом со-
стоянии или образующие твердые растворы за-
мещения, ванадий, медь, никель. Наиболее пер-
спективным материалом является медь, которая
исключает возможность образования интерметал-
лидных и карбидных соединений.
С целью изучения трещиностойкости слоистых
композиционных материалов, полученных свар-
кой взрывом, проведены исследования компози-
тов на основе стали 45: биметалла сталь–сталь и
триметалла сталь–медь–сталь на многоцикловую
усталость на машине УРМ-2000 по схеме пульси-
рующего растяжения с максимальным напряжени-
Рис. 1. Двух- и трехслойные трубы, сваренные взрывом
56 2/2015
ем цикла 250 МПа, коэффициентом асимметрии
цикла 0,2 и частотой нагружения 400 цикл/мин.
Вид и форма образца приведены на рис. 2.
Испытания проводили при постоянной на-
грузке, т. е. с развитием усталостной трещины в
оставшейся части сечения напряжения возраста-
ли. Процесс роста усталостной трещины исследо-
вали на плоских прямоугольных образцах с боко-
вым надрезом. Наличие острого бокового надреза
предопределяло зарождение и распространение
трещины в поперечном направлении. Надрез про-
водили в стали 45, дно надреза в биметаллах рас-
полагалось на расстоянии 3 мм от границы сое-
динения слоев, в триметаллах — на расстоянии
2,5 мм. При одних и тех же условиях испытывали
не менее шести образцов. Лицевые поверхности
образцов полировали от вершины инициирующе-
го надреза в направлении будущей усталостной
трещины (шероховатость в местах полировки со-
ставляла 0,05…0,08 мкм), а затем на пути роста
трещины наносили измерительную шкалу с ценой
деления 1 мм. Наблюдение за развитием усталост-
ной трещины осуществлялось с помощью микро-
скопа типа МВТ, установленном на специальном
кронштейне на станине машины. Длину трещины,
которую она приобрела за определенное количество
циклов нагружения образца, измеряли при останов-
ке машины, перемещая по горизонтали и вертикали
объектив микроскопа с помощью микрометриче-
ских винтов. Замер длины трещины проводили по
лимбу микроскопа с точностью 0,01 мм.
Анализ полученных результатов показал, что
начальная усталостная трещина в стали 45 заро-
ждалась за время 9·10–4 циклов. Период распро-
странения трещин усталости до границы раздела
сталь–сталь в биметалле и сталь–медь (граница
А) в триметалле практически одинаков и соста-
вил 140700 циклов. После перехода усталостной
трещины через границу раздела во второй слой в
биметалле быстро наступал долом образца, а три-
металл простоял еще 122262 цикла, из которых
18962 цикла трещина просто распространялась
по медной прослойке и 103300 циклов потребова-
лось на расслоение по границе медь–сталь (гра-
ница Б) и на зарождение усталостной трещины во
втором стальном слое. Долговечность трехслой-
ных образцов составила 348000 циклов, а двух-
слойных — 237700 циклов.
Результаты экспериментов, приведенные на
рис. 3, позволили установить кинетику роста
усталостных трещин. Полученная зависимость
длины усталостной трещины от количества ци-
клов нагружения показывает, что изменение ско-
рости распространения трещины в биметалле до
границы соединения совпадает с изменением ско-
рости в триметалле до границы сталь-медь. В би-
металле, в котором и основной, и плакирующий
слой выполнены из одного материала, прочное со-
единение слоев, исключающее возможность рас-
слоений по границе соединения, обусловило пере-
ход трещины из одного слоя в другой с некоторой
задержкой. В трехслойной же композиции ско-
рость усталостной трещины, перешедшей в мед-
ную прослойку, сразу падает. Скорость трещины,
достигшей середины прослойки, снижается на
40 % по сравнению со скоростью трещины на гра-
нице сталь–медь. По мере приближения трещины
к границе медь–сталь ее скорость постоянно пада-
ет, происходит торможение трещины, и на грани-
це медь–сталь скорость соответствует началу ро-
ста трещины в основном стальном слое.
Перешедшая в медную прослойку трещина из-
меняет направление своего распространения, от-
клоняется от плоскости влияния максимальных
растягивающих напряжений и развивается в на-
правлении влияния максимальных касательных
напряжений. Изменение направления распростра-
нения усталостной трещины в медной прослой-
ке вызвано изменением типа усталостного тре-
щинообразования. Медь — материал с большой
энергией дефектов упаковки, у которой в связи с
высокой способностью переползания винтовых
дислокаций из одной кристаллографической пло-
скости в другую обеспечено поперечное сколь-
жение. В медной прослойке при циклическом на-
гружении наблюдается значительное количество
микротрещин, происходит ветвление трещины,
большинство из которых прекращает свой рост,
однако часть микротрещин продолжает свое раз-
витие, соединяясь между собой и образуя маги-
стральную макротрещину.
Приблизившись к границе медь–сталь, уста-
лостная трещина отклоняется от первоначаль-
Рис. 2. Вид образца триметалла сталь–медь–сталь для испытания на многоцикловую усталость
572/2015
ного направления движения и распространяется
в обе стороны вдоль границы раздела. При этом
рост магистральной трещины прекращается, а
сама трещина остается в вязкой прослойке (гори-
зонтальный участок кривой 2 на рис. 3). Задерж-
ка движения трещины при переходе из медного
в стальной слой связана с движением трещины
вдоль границы медь–сталь и с механизмом ее за-
рождения в стальном слое. Граница медь–сталь
стала препятствием, остановившим рост уста-
лостной трещины и значительно увеличившим
долговечность металлической композиции. Про-
цесс разрушения второго слоя стали происходит
аналогично разрушению в первом стальном слое.
Физическая природа разрушения металла при
циклическом нагружении связана с накапливае-
мой пластической деформацией [5]. Формирова-
ние зон локальной пластической деформации у
вершины надреза при испытаниях образцов в ус-
ловиях пульсирующего растяжения изучалось ви-
зуальным наблюдением шлифованной поверхно-
сти. Зона деформации и поверхность разрушения
дополнительно исследовались с помощью оптиче-
ского микроскопа.
Таким образом, установлены следующие зако-
номерности формирования зон локальной пласти-
ческой деформации и движения трещины: в про-
цессе нагружения у вершины надреза под углом 45°
относительно оси приложения нагрузки формиру-
ются две симметричные зоны локальной пластиче-
ской деформации в форме лепестков, представля-
ющие собой концентрацию фронта пластической
деформации, размеры которых возрастают с ростом
нагрузки; развитие зон до момента достижения на-
грузкой величины, близкой к максимальной, проис-
ходит симметрично, затем рост одной из них замед-
ляется, а второй — интенсивно увеличивается и в
ней начинает формироваться магистральная трещи-
на; локальная пластическая деформация при сварке
взрывом развивается в поверхностных слоях с обра-
зованием бугра деформации и впадины; возникнове-
ние трещины наблюдается на поверхности образца
у кромки надреза в области максимального течения
металла (переход от бугра деформации во впадину);
разрушение носит дискретный характер и представ-
ляет собой соединение пор и разрывов в области
локальной пластиче ской деформации; траектория
движения трещины имеет сложную конфигурацию
и зависит от количества и свойств слоев; при пере-
ходе трещины из материала с близкими значениями
модулей упругости наблюдается переход трещины
через границу раздела в другой материал без изме-
нения направления распространения; переход тре-
щины из материала с более низким модулем упруго-
сти в материал с более высоким модулем затруднен,
наблюдается длительное движение трещины по
границе раздела; введение в структуру композиции
промежуточного металлического слоя, характеризу-
ющегося резко отличными физико-механическими
свойствами и повышенной вязкостью, приводит к
повышению трещиностойкости материала по срав-
нению с одноименным эквивалентом.
1. Биметаллические трубы / М.И. Чепурко, Е.А. Резников,
А.М. Буйновский, Р.П. Дидык. – М.: Металлургиздат,
1974. – 374 с.
2. Дидык Р.П. Высокоэнергетическая обработка материалов
– технология XXI века // Тяж. машиностроение. – 2006.
– С. 17–20.
3. Mali V.I. Strucrural fentures of wave formation in explosive
welding. – Moscow, 2010. – P. 42–43.
4. Батаев И.А., Батаев А.А., Мали В.И. Увеличение удар-
ной вязкости слоистых композитов, полученных мето-
дом сварки взрывом стальных пластин // Забабахинские
науч. чтения. – Снежинск, 2010. – С. 24–28.
5. Ковалевский В.Н. Оценка рабоспособности и разруше-
ния слоистых материалов, полученных сваркой взрывом
// Сварка и родственные технологии: Республ. межвед.
сб. науч. тр. – Минск. – 1999. – Вып. 2. – С. 50–52.
Поступила в редакцию 02.09.2014
Рис. 3. Кинетика роста усталостной трещины в слоистых образцах на основе стали 45 при испытании в условиях пульсирую-
щего растяжения (а): 1 — сталь–сталь; 2 — сталь–медь–сталь; А — граница соединения в биметалле сталь–сталь; А-Б — мед-
ная прослойка в биметалле сталь–медь–сталь; б — вид границы соединения сталь 45–М3–сталь 45
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112979 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:47:59Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Дидык, Р.П. Козечко, В.С. 2017-01-30T18:35:41Z 2017-01-30T18:35:41Z 2015 Многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом / Р.П. Дидык, В.А. Козечко // Автоматическая сварка. — 2015. — № 2 (740). — С. 54-57. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112979 621.791.76:621.7.044.2 Применение слоистых конструкционных материалов перспективно при решении проблемы повышения надежности и долговечности тяжелонагруженных машин и оборудования. В работе рассмотрена возможность исопльзования сварки
 взрывом с целью получения многослойных конструкций с высоким ресурсом трещиностойкости, достигаемым за счет управления составом и свойствами зоны соединения путем введения барьерных слоев. В качестве барьерного слоя
 предложено использовать металлы, не взаимодействующе в твердом состоянии или образующие твердые растворы замещения (ванадий, медь, никель). Анализ результатов испытаний слоистых образцов на многоцикловую усталость в
 условиях пульсирующего растягивающего цикла позволил установить кинетику усталостного разрушения, зависящего от структурного состояния межслойной границы металлической композиции. Показано, что введение в структуру композиции промежуточного металлического слоя, характеризующегося резко отличными физико-механическими свойствами и повышенной вязкостью, приводит к повышению трещиностойкости материала по сравнению с одноименным эквивалентом. Application of laminar structural materials is challenging in the solution of problem of increasing the reliability and life of heavy-loaded machines and equipment. The work deals with the possibility of application of explosion welding for producing myltilayer structures with a high reserve of crack resistance, achieved by control of composition and properties of the joining zone by adding barrier layers. As a barrier layer it was suggested to apply metals, not interacting in solid state or those, forming interstitial solid solutions (vanadium, copper, nickel). The analysis of test results of laminar specimens for low-cycle fatigue under conditions of pulsaring tensile cycle allowed establishing the kinetics of fatigue fracture, depending on structural state of interlayer interface of metal composition. It is shown that adding of an intermediate metal layer, characterized by greatly different properties and increased ductility, to the structure of composition leads to increase in crack resistance of material as compared to the similar equivalent. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом Multilayer structures of increased crack resistance formed by explosion welding Article published earlier |
| spellingShingle | Многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом Дидык, Р.П. Козечко, В.С. Производственный раздел |
| title | Многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом |
| title_alt | Multilayer structures of increased crack resistance formed by explosion welding |
| title_full | Многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом |
| title_fullStr | Многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом |
| title_full_unstemmed | Многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом |
| title_short | Многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом |
| title_sort | многослойные конструкции повышенной трещиностойкости, сформированные сваркой взрывом |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112979 |
| work_keys_str_mv | AT didykrp mnogosloinyekonstrukciipovyšennoitreŝinostoikostisformirovannyesvarkoivzryvom AT kozečkovs mnogosloinyekonstrukciipovyšennoitreŝinostoikostisformirovannyesvarkoivzryvom AT didykrp multilayerstructuresofincreasedcrackresistanceformedbyexplosionwelding AT kozečkovs multilayerstructuresofincreasedcrackresistanceformedbyexplosionwelding |