Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Физика, Техника
Размещена 28.04.2020. Последняя правка: 25.04.2020.
Просмотров - 180

СТРУКТУРА ЗОНЫ КОСОГО СОУДАРЕНИЯ УРАНОВЫХ, МЕДНЫХ И СТАЛЬНЫХ ПЛАСТИН

Голубев Владимир Константинович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Нижний Новгород; Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен

Независимый эксперт; приглашенный ученый

Аннотация:
Приведены результаты металлографического изучения структуры зоны косого соударения урановых, медных и стальных пластин. При соударении медных и стальных пластин отмечена их сварка по классической схеме с образованием волновой поверхности соединения. При соударении урановых пластин с урановыми, медными и стальными пластинами явление волнообразования проявлялось на поверхности соударения, но сварки пластин не происходило. В случае соударения урановых пластин это может быть объяснено хрупкостью высокотемпературной β-фазы урана, а в случае соударения урановых пластин с пластинами из меди и стали – образованием в зоне соударения хрупких интерметаллических соединений. В одном из опытов по соударению урановых и медных пластин было обнаружено безволновое сваривание пластин на довольно значительном участке поверхности соударения. Это явление было отмечено в пограничной для параметров волнообразования зоне и по своей природе больше напоминает не сварку взрывом, а сварку давлением.


Abstract:
Metallographic study results on the structure of the oblique collision zone of uranium, copper and steel plates are presented. Under the collision of copper and steel plates, their welding with the wave surface of joining was noted. On the collision of uranium plates with uranium, copper and steel plates, the wave formation appeared on the surface of the collision, but the plates did not weld. In the case of collision of uranium plates, this can be explained by the brittleness of the high-temperature β-phase of uranium, and in the case of collision of uranium plates with plates of copper and steel, this can be explained by the brittle intermetallic compounds in the collision zone. In one of the tests on the collision of uranium and copper plates, waveless welding of the plates was detected on the surface of collision. This phenomenon was noted in the zone bordering for the parameters of wave formation and, by its nature, was more reminiscent of pressure welding than explosion weld


Ключевые слова:
структура; косое соударение; пластина; волнообразование; безволновая сварка; урановая пластина

Keywords:
structure; oblique collision; plate; wave formation; waveless welding; uranium plate


УДК 621.791.13

Введение

Изучение поведения металлических пластин при высокоскоростных соударениях в значительной степени обусловлено задачами разработки высокоинтенсивных технологических операций, таких как штамповка, сварка, упрочнение и прессование взрывом. Широкий круг вопросов, связанных со сваркой металлических пластин при косых соударениях обобщен в ряде монографий [1, 2] и рассматривался в ряде последующих оригинальных работ. Было показано, что сварка взрывом дает возможность соединять разнородные металлы, которые соединить другими видами сварки просто невозможно. Соударение металлических пластин осуществляется таким образом, чтобы в зоне соединения протекала значительная пластическая деформация, а при некоторых режимах соударения и плавление свариваемых металлов. При этом контактная граница сваренных металлов приобретает регулярную волнообразную форму.

Автором также проводилась определенная работа по изучению процессов соударения пластин в условиях различных испытаний. В частности, в сообщении [3] указывалось на выявление эффекта безволновой сварки урановой и медной пластин при определенном режиме их косого соударения. Был показан характер такого довольно необычного соединения этих металлов и указана предполагаемая причина невозможности в этом случае классического волнового режима сварки взрывом. В данной работе представлены более полные результаты выполненного при проведении той работы металлографического изучения структуры зоны косого соударения урановых пластин с пластинами из урана, меди и низкоуглеродистой стали Ст3.

Результаты и обсуждение

Постановка проведенных опытов по косому соударению пластин показана на схеме рис. 1. Все пластины имели поперечные размеры 60×40 мм и толщины в пределах 2.5-3.0 мм. Пластину-лайнер устанавливали под углом α по отношению к пластине-приемнику. Ее разгон осуществляли скользящей детонацией слоя пластического взрывчатого вещества ТП83 [4], инициируемого со стороны вершины указанного угла. Наряду с углом α задавали также параметр R=ρ1h1/ρ2h2, где h1 и h2 – толщины слоя взрывчатого вещества и пластины-лайнера, а ρ1 и ρ2 – их плотности. Оценки скорости движения лайнера w, угла соударения γ и скорости точки контакта v проводили согласно рекомендациям [1]: w=0.612D[R/(R+2)], γ=α+β, v=sinβ/sinγ, где D=7.8 км/с – скорость детонации взрывчатого вещества, β=arcsin(w/D) – угол поворота лайнера.

Рисунок 1. Cхема проведения опытов по косому соударению пластин: 1 – электродетонатор, 2 – линейный распределитель из перфорированного пластического ВВ, 3 – слой пластического ВВ ТП-83, 4 – демпфирующий слой технического сукна, 5 – пластина-лайнер, 6 – пластина-приемник, 7 – массивное стальное основание.

Используемые в опытах пластины из урана, меди и стали Ст3 изготавливали из материалов в состоянии заводской поставки и не подвергали никакой дополнительной термообработке. Исходная структура урановой и медной пластин показана на рис. 2. Здесь и далее L – горизонтальный размер указанного фрагмента структуры. Измеряли значения микротвердости материалов в исходном состоянии. Для меди и урана эти значения составляли соответственно 0.8 и 3.6 ГПа.

  

Рисунок 2. Исходная структура урановой (слева, L = 266 мкм) и медной (справа, L = 266 мкм) пластин.

Основной интерес работы был связан с рассмотрением возможности сварки взрывом урановых пластин с пластинами из урана, меди и низкоуглеродистой стали и с изучением структуры зоны их косого соударения. Однако проводились также и опыты по соударению двух медных пластин и двух стальных пластин. Результаты наблюдения структуры меди в зоне сварки при соударении двух медных пластин показаны на рис. 3, 4. Структура вихря, наблюдаемого на рис. 3 при двух увеличениях, указывает, что он практически полностью характеризуется дендритной структурой. Два участка дендритной структуры наблюдаются и на участке волны, показанной на рис. 4. Это указывает на тот факт, что при рассматриваемых условиях соударения медных пластин процесс волнообразования и сварки связан с расплавлением меди в процессе соударения. Аналогичный процесс сваривания наблюдался и для стальных пластин, хотя эффекты плавления стали в зоне соударения и волнообразования не наблюдались так явно.

  

Рисунок 3. Структура меди в зоне сварки с вихревым волнообразованием: слева L = 2660 мкм, справа L = 550 мкм.

 

Рисунок 4. Структура меди в зоне сварки с безвихревым волнообразованием, L = 575 мкм.

Результаты наблюдения структуры урана в зоне соударения двух урановых пластин показаны на рис. 3, 4. Структура образующихся при соударении волн показана на рис. 3, а структура материала, непосредственно примыкающего к зоне волнообразования, показана на следующем рис. 4. Ни в одном из проведенных опытов не было отмечено сваривания пластин урана в волновом режиме соударения. Это может быть обусловлено тем фактом, что первоначально образующееся сцепление пластин урана при его интенсивной деформации и плавлении может разрушаться в фазе растяжения, следующей за фазой сжатия, при последующем охлаждении с переходом в чрезвычайно хрупкую β-фазу [5].

  
Рисунок 5. Волнообразование в зоне соударения урановых пластин: слева L = 232 мкм, справа L = 228 мкм.

  

Рисунок 6. Структура урана рядом с зоной волнообразования: слева L = 214 мкм, справа L = 224 мкм.

Результаты наблюдения структуры стали в зоне соударения урановой и стальной пластин показаны на рис. 7, 8. Волнообразование в стальной пластине происходило во всех проведенных опытах, но ни в одном из них не было отмечено реализации условий сварки. Впадины между волнами на поверхности соударения стальной пластины были заполнены не ураном, а, по-видимому, смесью интерметаллических соединений U6Fe и UFe2 [6], образовавшейся в зоне плавления на перемешиваемой при соударении границе раздела пластин. На основании измерения микротвердости можно предположить, что образующиеся интерметаллические соединения являются чрезвычайно хрупкими.

  

Рисунок 7. Волнообразование в стальной пластине при ее ударе урановой пластиной: слева L = 230 мкм, справа L = 224 мкм.

  

Рисунок 8. Волнообразование в стальной пластине при ее ударе урановой пластиной для разных условий травления: слева L = 226 мкм, справа L = 220 мкм.

Более сложные явления наблюдались в опытах по соударению урановых и медных пластин. Пример волнообразования в медной пластине показан на рис. 9. В этом случае образующиеся в зоне соударения в медной пластине впадины, как правило, заполнены участками приварившегося к меди урана и, по-видимому, интерметаллическим соединением UCu5 [6], образовавшимся в зоне плавления на перемешиваемой при соударении границе раздела пластин. Измеренные значения микротвердости деформированных после соударения материалов составили для меди, стали и урана соответственно 1.7, 3.2 и 4.0 ГПа, а для содержащих медь и железо интерметаллических фаз, соответственно, 8.0 и 6.0 ГПа.

   

Рисунок 9. Пример волнообразования в медной пластине и заполнения впадины ураном и интерметаллическим соединением для двух масштабов: слева L = 890 мкм, справа L = 176 мкм.

Более сложная и интересная ситуация произошла в одном из опытов по соударению урановых и медных пластин при исходных условиях нагружения, характеризуемых значениями R=0.263 и α=9°15'. Условия соударения в этом случае характеризовались значениями v=2.44 км/с и γ=13°15'. Следует отметить, что указанное значение v соответствует значению объемной скорости звука в уране. Так вот в этом опыте после нагружения было получено реальное прочное соединение урановой и медной пластин. На сделанных шлифах, примерно в серединной области пластин, был обнаружен участок безволновой сварки, имеющий протяженность в пределах 9-12 мм. На рис. 10 показаны фрагменты этого участка в центральной и краевой зонах. В краевых зонах этого стационарного участка начинают проявляться нестационарные эффекты, связанные с начальной или конечной стадиями волнообразования, при которых сразу же начинают образовываться прослойки интерметаллической фазы.

  

Рисунок 10. Характер соединения уран-медь на участке безволновой сварки (слева, L = 176 мкм) и в его краевой зоне (справа, L = 174 мкм).

Подобные результаты, показанные на рис. 11, 12, наблюдали также на другом сделанном шлифе. На рис. 11 хорошо виден характер безволновой сварки уран-медь, а также начальная стадия образования между ураном и медью прослойки интерметаллической фазы, пока еще не приводящей к разрушению соединения. Приведенные на рисунке результаты измерения микротвердости хорошо подтверждают здесь показанную металлографическую картину структуры соединения соединения пластин. Структура зоны разрушения, происходящего снаружи зоны безволновой сварки, показана на рис. 12. Ее наблюдение подтверждает сделанное предположение о том, что основную роль в разрушении соединения играет образующаяся здесь хрупкая интерметаллическая фаза.

  

Рисунок 11. Характер соединения уран-медь на участке безволновой сварки (слева, L = 212 мкм) и в его краевой зоне (справа, L = 168 мкм), где наблюдается образование прослойки интерметаллидной фазы.

   

Рисунок 12. Разрушение соединения по прослойке интерметаллической фазы при сохранении тонкого слоя урана на поверхности меди (слева L = 198 мкм) и практически полный отрыв наслоений урана и интерметаллида от поверхности медного образца (справа L = 210 мкм).

Заключение

В заключение можно отметить некоторые полученные при проведении работы результаты, полученные при проведении опытов по косому соударению пластин в условиях довольно интенсивного взрывного нагружения. Соударение двух медных или двух стальных пластин приводит к их соединению в результате реализации схемы классической сварки взрывом с образованием волновой поверхности соединения. При соударении двух урановых пластин классический процесс волнообразования реализуется на их границе раздела, но интенсивная пластическая деформация в точке косого соударения и обусловленный ею нагрев приводят к тому, что образующееся сцепление нарушается, по-видимому, из за разрушения образующейся чрезвычайно хрупкой β-фазы урана. При соударении урановых и стальных пластин наблюдалось классическое волнообразование на поверхности стальной пластины, однако впадины между волнами на поверхности соударения стальной пластины были заполнены образовавшейся хрупкой интерметаллической фазой и сварки пластин не происходило. Также не происходило классической волновой сварки при косом соударении урановых и медных пластин. Разрушение образующегося соединения происходило по образующимся прослойкам хрупкой интерметаллической фазы. Однако в одном из опытов, в пограничной для параметров волнообразования зоне, сварка пластин была зафиксирована на части поверхности соударения. Характер образовавшейся сварки был безволновым и по своей природе больше походил на характер сварки давлением.

Библиографический список:

1. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. – Новосибирск: Наука, 1980. – 224 с.
2. Петушков В.Г. Применение взрыва в сварочной технике. – Киев: Наукова думка, 2005. – 754 с.
3. Голубев В.К., Дреннов О.Б., Юкина Н.А. Об эффекте безволновой сварки при соударении урановой и медной пластин // Перспективные материалы. – 1999, № 5. – С. 41-42.
4. Голубев В.К., Погорелов А.П. О влиянии ударно-волнового нагружения на поведение пластического взрывчатого состава на основе тэна // Физика горения и взрыва. – 2001. – Т. 37, № 2. – С. 109-115.
5. Голубев В.К., Соболев Ю.С., Юкина Н.А. О характере разрушения урана при ударно-волновом нагружении в температурном диапазоне -196–800 °C // Металлы. – 1997. – № 2. – С. 123-125.
6. Холден А.Н. Физическое металловедение урана. – Москва: Металлургиздат, 1962. – 268 с.




Рецензии:

28.04.2020, 13:09 Олевский Виктор Аронович
Рецензия: Пожалуйста, сформулируйте обязательные структурные составляющие научной статьи: Цель, Решаемая задача, Научная новизна.См.http://sci-article.ru/stat.php?i=1587392958.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх