Исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики
Рассмотрены процессы, протекающие при сварке в твердой фазе разнородных материалов, содержащих легко окисляемые металлы и сплавы различного химического состава. Изучены силы, действующие на материалы, собранные в пакет, на примере многослойной структуры Ti-Nb-Cu-St.Steel. Исследован массоперенос одн...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2005 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2005
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80605 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики / Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, И.М. Неклюдов, А.Т. Лопата, С.В. Шевченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 156-158. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80605 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Неклюдов, И.М. Лопата, А.Т. Шевченко, С.В. 2015-04-19T16:37:50Z 2015-04-19T16:37:50Z 2005 Исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики / Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, И.М. Неклюдов, А.Т. Лопата, С.В. Шевченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 156-158. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80605 669.4 Рассмотрены процессы, протекающие при сварке в твердой фазе разнородных материалов, содержащих легко окисляемые металлы и сплавы различного химического состава. Изучены силы, действующие на материалы, собранные в пакет, на примере многослойной структуры Ti-Nb-Cu-St.Steel. Исследован массоперенос одного материала в другой с помощью электронной растровой микроскопии и металлографии. Перспективним методом виробництва композиційних матеріалів шаруватого типу є метод пакетної прокатки металів у вакуумі, у якому реалізується зварювання різнорідних матеріалів у твердій фазі утримуючих легко окисляємі метали і сплави. Розглянуто процеси, що протікають при зварюванні багатошарових структур різного хімічного складу. На прикладі багатошарової структури Ti-NbCu-St.Steel, вивчені сили, що діють на матеріали зібрані в пакет. Досліджена на металографічному мікроскопі зварювання шарів пластин і за допомогою електронної растрової мікроскопії вивчений масоперенос одного матеріалу в іншій. Promising method of laminated composite materials production is the method of metal pack rolling in vacuum. The proposed method is based on the welding of heterogeneous materials in solid phase, that contain easily oxidized metals and alloys. Processes occurring during multi layer structures of different chemical composition welding are examined. On the example of multi layer structure Ti-Nb-Cu steel forces operating on the materials in the pack are studied. The welding of strata of laminas is studied on a metallographic microscope and with the help of an electronic raster microscopy is learnt mass transfer of one material in other. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики Дослідження процесів зварювання багатошарових структур із кристаллитов різного хімічного складу за допомогою гарячої прокатки у вакуумі Investigation of welding processes of multilayer structures composed from different chemical composition crystallites by vacuum hot rolling Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики |
| spellingShingle |
Исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Неклюдов, И.М. Лопата, А.Т. Шевченко, С.В. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| title_short |
Исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики |
| title_full |
Исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики |
| title_fullStr |
Исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики |
| title_full_unstemmed |
Исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики |
| title_sort |
исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики |
| author |
Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Неклюдов, И.М. Лопата, А.Т. Шевченко, С.В. |
| author_facet |
Борц, Б.В. Ванжа, А.Ф. Неклюдов, И.М. Лопата, А.Т. Шевченко, С.В. |
| topic |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| topic_facet |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| publishDate |
2005 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Дослідження процесів зварювання багатошарових структур із кристаллитов різного хімічного складу за допомогою гарячої прокатки у вакуумі Investigation of welding processes of multilayer structures composed from different chemical composition crystallites by vacuum hot rolling |
| description |
Рассмотрены процессы, протекающие при сварке в твердой фазе разнородных материалов, содержащих легко окисляемые металлы и сплавы различного химического состава. Изучены силы, действующие на материалы, собранные в пакет, на примере многослойной структуры Ti-Nb-Cu-St.Steel. Исследован массоперенос одного материала в другой с помощью электронной растровой микроскопии и металлографии.
Перспективним методом виробництва композиційних матеріалів шаруватого типу є метод пакетної прокатки металів у вакуумі, у якому реалізується зварювання різнорідних матеріалів у твердій фазі утримуючих легко окисляємі метали і сплави. Розглянуто процеси, що протікають при зварюванні багатошарових структур різного хімічного складу. На прикладі багатошарової структури Ti-NbCu-St.Steel, вивчені сили, що діють на матеріали зібрані в пакет. Досліджена на металографічному мікроскопі зварювання шарів пластин і за допомогою електронної растрової мікроскопії вивчений масоперенос одного матеріалу в іншій.
Promising method of laminated composite materials production is the method of metal pack rolling in vacuum. The proposed method is based on the welding of heterogeneous materials in solid phase, that contain easily oxidized metals and alloys. Processes occurring during multi layer structures of different chemical composition welding are examined. On the example of multi layer structure Ti-Nb-Cu steel forces operating on the materials in the pack are studied. The welding of strata of laminas is studied on a metallographic microscope and with the help of an electronic raster microscopy is learnt mass transfer of one material in other.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80605 |
| citation_txt |
Исследование поцессов сварки многослойных структур из кристаллитов различного химическоо состава, получаемых горячей прокаткой в вакууме, для атомной энергетики / Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, И.М. Неклюдов, А.Т. Лопата, С.В. Шевченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 156-158. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT borcbv issledovaniepocessovsvarkimnogosloinyhstrukturizkristallitovrazličnogohimičeskoosostavapolučaemyhgorâčeiprokatkoivvakuumedlâatomnoiénergetiki AT vanžaaf issledovaniepocessovsvarkimnogosloinyhstrukturizkristallitovrazličnogohimičeskoosostavapolučaemyhgorâčeiprokatkoivvakuumedlâatomnoiénergetiki AT neklûdovim issledovaniepocessovsvarkimnogosloinyhstrukturizkristallitovrazličnogohimičeskoosostavapolučaemyhgorâčeiprokatkoivvakuumedlâatomnoiénergetiki AT lopataat issledovaniepocessovsvarkimnogosloinyhstrukturizkristallitovrazličnogohimičeskoosostavapolučaemyhgorâčeiprokatkoivvakuumedlâatomnoiénergetiki AT ševčenkosv issledovaniepocessovsvarkimnogosloinyhstrukturizkristallitovrazličnogohimičeskoosostavapolučaemyhgorâčeiprokatkoivvakuumedlâatomnoiénergetiki AT borcbv doslídžennâprocesívzvarûvannâbagatošarovihstrukturízkristallitovríznogohímíčnogoskladuzadopomogoûgarâčoíprokatkiuvakuumí AT vanžaaf doslídžennâprocesívzvarûvannâbagatošarovihstrukturízkristallitovríznogohímíčnogoskladuzadopomogoûgarâčoíprokatkiuvakuumí AT neklûdovim doslídžennâprocesívzvarûvannâbagatošarovihstrukturízkristallitovríznogohímíčnogoskladuzadopomogoûgarâčoíprokatkiuvakuumí AT lopataat doslídžennâprocesívzvarûvannâbagatošarovihstrukturízkristallitovríznogohímíčnogoskladuzadopomogoûgarâčoíprokatkiuvakuumí AT ševčenkosv doslídžennâprocesívzvarûvannâbagatošarovihstrukturízkristallitovríznogohímíčnogoskladuzadopomogoûgarâčoíprokatkiuvakuumí AT borcbv investigationofweldingprocessesofmultilayerstructurescomposedfromdifferentchemicalcompositioncrystallitesbyvacuumhotrolling AT vanžaaf investigationofweldingprocessesofmultilayerstructurescomposedfromdifferentchemicalcompositioncrystallitesbyvacuumhotrolling AT neklûdovim investigationofweldingprocessesofmultilayerstructurescomposedfromdifferentchemicalcompositioncrystallitesbyvacuumhotrolling AT lopataat investigationofweldingprocessesofmultilayerstructurescomposedfromdifferentchemicalcompositioncrystallitesbyvacuumhotrolling AT ševčenkosv investigationofweldingprocessesofmultilayerstructurescomposedfromdifferentchemicalcompositioncrystallitesbyvacuumhotrolling |
| first_indexed |
2025-11-25T20:25:26Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:25:26Z |
| _version_ |
1850520944408264704 |
| fulltext |
УДК 669.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ МНОГОСЛОЙНЫХ
СТРУКТУР ИЗ КРИСТАЛЛИТОВ РАЗЛИЧНОГО ХИМИЧЕСКОГО
СОСТАВА С ПОМОЩЬЮ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ В ВАКУУМЕ
Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, А.Т. Лопата, И.М. Неклюдов, С.В. Шевченко
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
г. Харьков, Украина
Рассмотрены процессы, протекающие при сварке в твердой фазе разнородных материалов, содержащих
легко окисляемые металлы и сплавы различного химического состава. Изучены силы, действующие на мате
риалы, собранные в пакет, на примере многослойной структуры Ti-Nb-Cu-St.Steel. Исследован массопере
нос одного материала в другой с помощью электронной растровой микроскопии и металлографии.
Многослойные структуры с кристаллитами раз
личного химического состава являются специфиче
ским типом композиционных полиметаллов и игра
ют важную роль в современном технологическом
прогрессе, особенно в таких областях, как атомная
энергетика, аэрокосмическая, криогенная [1-3]. Хи
мический и фазовый состав, форма, размеры и дру
гие характеристики кристаллитов и границ раздела
оказывают определяющее влияние на свойства мате
риалов [4]. Необходимость получения объемных
многослойных заготовок весом до 10 кг и более, не
содержащих в местах соединений интерметаллид
ных включений, пор, микротрещин и других дефек
тов структуры – актуальная задача, решение кото
рой позволит расширить применение многослойных
материалов конструкционного назначения. Перспек
тивным методом производства композиционных ма
териалов слоистого типа является метод пакетной
прокатки металлов в вакууме. В этом случае реали
зуется сварка в твердой фазе разнородных материа
лов, содержащих легко окисляемые металлы и спла
вы [2,5].
Особенно важным при создании новых перспек
тивных материалов является понимание процессов,
протекающих при сварке многослойных структур
различного химического состава.
Одним из аспектов в исследовании процессов,
возникающих при сварке материалов при прокате,
является изучение сил, действующих на материалы,
собранные в пакет. В зависимости от свойств этих
материалов возможно существование двух вариан
тов:
1 – собранные в пакет для сварки плиты или ли
сты состоят из разнородных материалов, находя
щихся в соотношении σs1(T) > σs2(T), при температу
ре прокатки (T), где σs1, σs2 – предел текучести сва
риваемых материалов 1 и 2.
2 – вариант, когда свариваются в пакете материа
лы, для которых выполняется условие σs1(T) = σs2
(T).
Для первого случая рассмотрение сил, действую
щих на пакет материалов (рис. 1), показывает, что
на плиты воздействуют силы не только направлен
ные на деформацию материала, но и на смещение
плиты одной относительно другой вдоль оси про
катки.
Рис. 1. Силы, действующие на пластины материала
в пакете при прокатке
Fs1 , Fs2 – силы, действующие на пластины в пакете в
зависимости от прочностных свойств материалов;
Ms, Mh, – моменты, возникающие при деформации
мягкого и твердого материалов в пакете при свар
ке;
P1, P2 – силы, действующие в точке приложения
усилий при деформации пластин; L1, L2 – плечо при
ложения сил P1, P2; Ft1, Ft2 – тангенциальные силы,
возникающие при вращении и деформации валками
пластин
В процессе совместной прокатки двухслойной
полосы из разнородных металлов в очаге деформа
ции в общем случае имеются три зоны:
_________________________________________________________________________________
156 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №5.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 156-158.
Первая зона расположена на входе в очаг дефор
мации, где твёрдый металл остаётся жёстким и его
толщина не меняется. Вторая зона – где оба металла
деформируются пластически и существует меж
слойное относительное скольжение. Третья – где
разнородные металлы соединены друг с другом и
межслойное относительное проскальзывание отсут
ствует.
Проведенный анализ показывает, что разность
сил, действующих на каждый из материалов, нахо
дящихся в пакете, влияет на качество его сварки.
Что же происходит в пакете при действии соответ
ствующих сил на каждый материал?
При прокатке пакета на каждый материал дей
ствует усилие (Fi), возникающее от крутящих мо
ментов, передающихся от валков.
F1 =C1 σs1(T) sinα1cosα1;
F2 =C2 σs2(T) sinα2cosα2,
где F1 и F2 – силы, действующие на пластины пакета;
C1 =ℓd1 ℓв – текущая площадь взаимодействия между
пластиной пакета и валком, ℓв – длина валка, участ
вующего в прокатке (как правило, при равномерной
толщине листа, эта величина постоянна в процессе
прокатки всего пакета); ℓd1 и ℓd2 – длины дуг кон
такта между валками и деформированными листами
металлов
ℓd1 = Rвƒ(α1);
ℓd2 = Rвƒ(α2),
где Rв – радиусы валков; α1, α2 – углы охвата дуги
деформации пластины металла валками.
При разности усилий F1 > F2 один материал начи
нает скользить по другому, что приводит к очистке
от окислов поверхностей, разогретых до температу
ры прокатки (T),. Это способствует созданию по
верхностей, близких к идеально чистым от окислов,
содействует установлению межатомных связей и об
разованию адгезионного сварного соединения.
Для второго случая, когда σs1(T) = σs2(T) нет раз
ности сил, действующих на материалы, собранные в
пакет. Схватывание металлических поверхностей
может произойти при условии физического контакта
активированных чистых поверхностей металлов.
Одним из необходимых условий соединения метал
лических поверхностей является очищение их по
верхностей от окисных плёнок. В период прокатки в
процессе деформации окисная пленка начинает рас
текаться по поверхности свареваемых пластин, а за
тем при деформировании рвется на фрагменты, рас
крывая чистые поверхности, пригодные для сварки.
При этом существует вероятность не проваров
отдельных мест, на которых сохранилась окисная
пленка. Условием проникновения металла между
фрагментами разрушенной окисной плёнки может
быть равенство давления нормального к межслой
ной поверхности и давления схватывания.
Для оценки усилий, действующих при прокатке
на свариваемые пластины, разработан алгоритм рас
чета напряженного состояния двухслойной полосы в
очаге деформации. С его помощью по эксперимен
тально полученным значениям обжатия полос ε1, ε2,
толщине полос на входе h01 и h02 и измеренному зна
чению осевой силы Р были найдены фактические
значения пределов текучести свариваемых материа
лов σS1 и σS2 в условиях прокатки. Затем рассчиты
вались контактные касательные и нормальные
напряжения, а также продольные составляющие сил
в слоях и их разность.
Выражение для оценки разности продольных сил
∆F в рамках предложенной модели расчета имеет
следующий вид:
∆F = (D/2)⋅b⋅[τ1 sin(α1)+p1 (cos(α1) – 1) - τ2 sin(α2) –
p2 (cos(α2) – 1)],
где α1 и α2 – углы контакта валков с пластинами в
процессе деформации; τ1, τ2, p1, р2 – средние значения
по дугам линии взаимодействия между листами и
валками контактных касательных и нормальных
напряжений соответственно. Эти величины являют
ся функциями пределов текучести σS1 и σS2 материа
лов пластин и углов контакта диаметром (D) и ши
риной (b) валков. Расчетная оценка выполнена для
случая прокатки сплава титана ВТ-1 и стали
12Х18Н10Т при исходных данных: D=170 мм;
b=100 мм; h01=36 мм; h02= 20 мм; ε1а= 22 %; ε2= 13 %;
Р= 30 т.
Получены значения для фактических пределов
текучести, соответствующие ∼89 (титан ВТ-1) и ∼
140 Мпа (сталь 12Х18Н10Т). Разность продольных
сил ∆F равна примерно ∼ 90 кг.
Силовое воздействие одного материала на дру
гой при температуре 1020…10500С и быстрой про
катке обеспечивает массоперенос одного материала
в другой. После сварки пакет длительное время на
ходиться в вакууме для снижения температуры. В
этот период в многослойном пакете устанавливают
ся, межатомные связи между разнородными свари
ваемыми материалами [6,7]. Проведенные исследо
вания микроструктуры на оптическом (рис. 2) и ра
стровом микроскопе (рис. 3-5) подтверждают эти
предпосылки. Видны структура и химическое рас
пределение материала в местах сварки и проникно
вение одного материала в другой.
Для исследований использовалась многослойная
структура Ti-Nb-Cu-St.Steel.
Рис. 2. Микроструктура соединения Ti-Nb-Cu-Steel
Анализ мест сварки на предмет образования ин
терметаллидных соединений не проводился. Одна
ко, судя по диаграммам состояния свариваемых ма
териалов, Cu – Fe, Cu – Ni, Cu – Nb, Nb – Ti можно
полагать, что при выбранной температуре прокатки
157
интерметаллидные соединения не должны образо
вываться.
Nb Ti
Рис. 3. Соединение материалов Nb-Ti
и массоперенос одного материала в другой
Fe Cu
Рис. 4. Соединение материалов Steel-Cu
и массоперенос одного материала в другой
Cu Nb
Рис. 5. Соединение материалов Cu-Nb
и массоперенос одного материала в другой
Таким образом, получаемый многослойный ма
териал, свариваемый из кристаллитов различного
химического состава методом горячей прокатки в
вакууме, представляет собой новый материал, со
зданный на основе образования межатомных связей
между разнородными материалами.
ЛИТЕРАТУРА
1.Современные композиционные материалы. М.:
«Мир», 1970, 672 с.
2.В.Е. Иванов, В.М. Амоненко, А.С. Тронь. Высоко
температурная прокатка в вакууме металлов, спла
вов и многослойных материалов //Украинский физи
ческий журнал. 1978, т. 23, №11, с. 1782–1789.
3.В.С. Смирнов, В.М. Амоненко, А.С. Тронь и др.
Влияние прокатки в вакууме на свойства металлов
//Сб. трудов ЛПИ. Обработка металлов давлением.
1964, № 238, с. 95–100.
4.В.Е. Иванов, В.М. Амоненко и др. Свойства тита
новых сплавов со сталью, полученных через тонкие
металлические прослойки //Физика и химия обра
ботки материалов. 1971, № 2, с. 101–105.
5.Н.Д. Рыбальченко, А.С. Тронь. Исследование
упрочнения тонких прослоек пластичных металлов
в композициях //Физика металлов и металловеде
ние АН СССР. 1977, т. 44, № 4, с. 888–891.
6.А.С. Тронь, Л.А. Забашта и др. Параметры взаим
ной диффузии в слоистом композите ниобий-тантал
//Физика и химия обработки материалов. 1983, № 5,
с. 100–104.
7.A.T. Lopata, I.M. Neklyudov, B.V. Borts. Vacu
umtight multilayer materials production by hot rolling
in vacuum //6-th European Vacuum Conference-Leon
(France) - December 7-10, 1999, p. 35.
ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ЗВАРЮВАННЯ БАГАТОШАРОВИХ СТРУКТУР ІЗ КРИСТАЛЛИТОВ РІЗНО
ГО ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ЗА ДОПОМОГОЮ ГАРЯЧОЇ ПРОКАТКИ У ВАКУУМІ
Б.В. Борц, А.Ф. Ванжа, А.Т. Лопата, И.М. Неклюдов, С.В. Шевченко
Перспективним методом виробництва композиційних матеріалів шаруватого типу є метод пакетної прокатки металів у вакуумі, у
якому реалізується зварювання різнорідних матеріалів у твердій фазі утримуючих легко окисляємі метали і сплави. Розглянуто про
цеси, що протікають при зварюванні багатошарових структур різного хімічного складу. На прикладі багатошарової структури Ti-Nb-
Cu-St.Steel, вивчені сили, що діють на матеріали зібрані в пакет. Досліджена на металографічному мікроскопі зварювання шарів пла
стин і за допомогою електронної растрової мікроскопії вивчений масоперенос одного матеріалу в іншій.
INVESTIGATION OF WELDING PROCESSES OF MULTILAYER STRUCTURES COMPOSED FROM DIFFERENT
CHEMICAL COMPOSITION CRYSTALLITES BY VACUUM HOT ROLLING
B.V. Borts, A.F. Vanzha, A.T. Lopata, I.M. Neklyudov, S.V. Shevtchenko
Promising method of laminated composite materials production is the method of metal pack rolling in vacuum. The proposed method is
based on the welding of heterogeneous materials in solid phase, that contain easily oxidized metals and alloys. Processes occurring during multi
158
layer structures of different chemical composition welding are examined. On the example of multi layer structure Ti-Nb-Cu steel forces operating
on the materials in the pack are studied. The welding of strata of laminas is studied on a metallographic microscope and with the help of an elec
tronic raster microscopy is learnt mass transfer of one material in other.
159
|