Статья опубликована в №97 (сентябрь) 2021
Разделы: Физика, Техника
Размещена 07.09.2021. Последняя правка: 09.09.2021.
Просмотров - 1163

О ПРОЧНОСТИ И РАЗРУШЕНИИ МОЛИБДЕНОВОГО СПЛАВА ВМ1 ПРИ ОТКОЛЕ

Голубев Владимир Константинович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Нижний Новгород; Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен

Независимый эксперт; приглашенный ученый

УДК 539.422:620.172.254

Введение и состояние вопроса

Тугоплавкий и прочный молибден довольно широко используется в качестве компонента жаропрочных и коррозионностойких сплавов, для изготовления элементов высокотемпературных систем и конструкций, а также конструкций специального назначения в ядерной и ракетно-космической технике. В работе [1] изучалось откольное разрушение образцов нескольких металлов, в том числе низколегированного молибденового сплава ВМ1. Было проведено несколько опытов с молибденовыми образцами по определению степени их разрушения при различных скоростях нагружающего алюминиевого ударника. За основную характеристику условий нагружения образца было принято давление в нагружающем импульсе сжатия, которое определялось на основании известных данных по ударным адиабатам алюминия и молибдена.

Рассмотрим вопрос о содержании легирующих добавок и примесей в молибденовом сплаве ВМ1 в сопоставлении с содержанием примесей в технически чистом молибдене. Также рассмотрим, как это различие в составе материалов может влиять на различие в их основных физико-механических свойствах. Подобные данные могут быть взяты в марочнике [2] и в некоторых других информационно-справочных материалах.

Табл. 1. Содержание металлических примесей в технически чистом молибдене М99,9-МП и в низколегированном молибденовом сплаве ВМ1 [2]

 

Механические свойства материала из прессованного прутка сплава ВМ1 диаметром 50 мм в состоянии поставки характеризуются пределом прочности, большим 565 МПа, и относительным удлинением, большим 6%. Для того же прутка после отжига значения этих величин должны быть больше 515 МПа и больше 10%. Механические свойства материала из листового проката толщиной 12.7-25.4 мм, отожженного при 900 °С в течение 30 минут, характеризуются пределом прочности, большим 565 МПа, и относительным удлинением, большим 2% [2].

Кратко рассмотрим также известные в настоящее время результаты по откольной прочности и откольному разрушению молибдена. В работах [3, 4] приведены результаты по ударному нагружению образца молибдена ударным импульсом с давлением 12.6 ГПа и длительностью порядка 1 мкс. На основании измерения скорости свободной поверхности образца для откольной прочности молибдена было получено значение 2.31 ГПа.

В работе [5] изучалась откольная прочность молибдена, образцы которого изготавливались из монокристалла и обычного поликристаллического материала. Образцы из поликристаллического молибдена толщиной 0.75-5.9 мм нагружались алюминиевыми пластинами-ударниками толщиной 0.4-2 мм. Откольная прочность образцов определялась на основании результатов измерения скорости свободной поверхности. Полученные в этой работе результаты показаны на рис. 1 в виде зависимостей откольной прочности изучаемых материалов от скорости деформации в растягивающем импульсе.

 

Рис. 1. Результаты [5] по влиянию скорости деформации в растягивающем импульсе на откольную прочность молибдена: звездочки, квадраты и треугольники – ориентация монокристаллов молибдена относительно ударного нагружения соответственно (110), (100) и (111); ромбы – деформированные монокристаллы с ориентацией (100); кружки – поликристаллический молибден.

В работах [6, 7] были получены результаты по откольной прочности молибдена при температуре 1400 °C. Образцы толщиной около 5.5 мм, нарезанные от прутка, нагружались ударниками из алюминия и тантала толщиной 1.1-2.0 мм. Откольная прочность молибдена определялась на основании результатов измерения скорости свободной поверхности образцов в процессе нагружения. В результате было получено, что при давлении в ударном импульсе 12 ГПа откольная прочность исследуемого молибдена составляет 2.4 ГПа, а последующее увеличение ударного давления приводит к увеличению откольной прочности.

В работах [8-10] были получены результаты по откольной прочности молибдена в зависимости от давления ударного сжатия. Образцы диаметром 65 мм и толщиной 10 мм, нарезанные от горячекатаного прутка, отжигались при температуре 900 °C в течение 30 минут. Исходная структура молибдена, полученная с использованием метода дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD), показана на рис. 2. Определенный средний размер зерна составлял 90-100 мкм.

 

Рис. 2. Структура молибдена в плоскости, нормальной к оси прутка [9].

Образцы нагружались ударниками из того же материала толщиной 5 мм. Откольная прочность молибдена определялась на основании результатов измерения скорости свободной поверхности образцов в процессе нагружения. Результаты по регистрации скорости свободной поверхности образцов показаны на рис. 3, а полученные в результате этих опытов значения откольной прочности приведены на рис. 4 в сопоставлении с результатами для ниобия, полученными в такой же постановке.

 

Рис. 3. Скорость свободной поверхности образцов молибдена при различных скоростях удара [9, 10].

 

Рис. 4. Откольная прочность молибдена в зависимости от ударного давления [9, 10].

В работе [11] изучалось влияние температуры на откольную прочность молибдена. Образцы толщиной 2.5 мм изготавливались из пластины и отжигались при температуре 1000 °C в течение 2 часов. Нагружение образцов производилось ударом пластин из вольфрама толщиной 1 мм. Откольная прочность молибдена при различных температурах определялась на основании результатов измерения скорости свободной поверхности образцов в процессе нагружения. Полученные в результате этих опытов значения откольной прочности приведены на рис. 5 в сопоставлении с результатами для ниобия, полученными в подобной постановке.

 

Рис. 5. Откольная прочность молибдена в зависимости от температуры испытаний [11].

Таким образом, результаты нескольких рассмотренных работ позволяют составить определенное первоначальное представление об откольной прочности молибдена в зависимости от различных параметров испытаний, таких как скорость деформации, нагружающее ударное давление и температура испытаний. Что касается низколегированного молибденового сплава ВМ1, результаты для которого кратко приводились в работе [1], то его физико-механические свойства при ударном нагружении должны быть близки к аналогичным свойствам молибдена. Как отмечалось ранее, за основную характеристику условий нагружения образца сплава принималось давление в нагружающем импульсе сжатия, которое определялось на основании данных по ударным адиабатам алюминия и молибдена. В настоящее время выполнены полные численные расчеты условий ударного нагружения всех испытанных образцов, получены дополнительные результаты по условиям испытаний и характеру разрушения сплава. Это позволяет получить более точные и достоверные данные об откольной прочности и характере откольного разрушения молибденового сплава ВМ1 при использованном в работе [1] методе ударного нагружения образцов.

Полученные результаты и обсуждение

Образцы из молибденового сплава ВМ1 толщиной 8 мм и диаметром 50 мм нарезали от горячекатаного прутка в состоянии поставки. Таким образом, направление ударного нагружения образцов совпадало с направлением технологической прокатки. Образцы предварительно отжигали при температуре 1100 °С в течение одного часа. Для предотвращения разрушения образцов при проведении опытов в результате торможения на них ударников больших поперечных размеров они вставлялись в массивные защитные кольца из низкоуглеродистой стали.

Ударное нагружение образцов осуществляли ударом пластин из алюминиевого сплава АМц толщиной 4 мм и поперечными размерами 110×150 мм. До необходимой скорости удара v_i пластина разгонялась помощью скользящей детонации слоя пластического взрывчатого вещества. Для предотвращения откольного повреждения пластины между пластиной и слоем взрывчатого вещества располагался слой технического сукна. Фронт детонации в заряде взрывчатого вещества создавался при его одновременном инициировании вдоль одной из сторон размером 110 мм с помощью линейного распределителя. Отработка метода нагружения проводилась при подготовке и в процессе выполнения работ [12, 13]. Рассматривались вопросы разгона пластины-ударника до необходимой скорости, задания приемлемой симметрии удара, целостности ударника и предотвращения его разрушения при разгоне взрывом более толстых слоев взрывчатого вещества и некоторые другие. Проводилось приспосабливание метода для нагружения образцов, предварительно нагретых до температуры 800 °C и охлажденных до температуры -196 °C.

Степень разрушения и повреждения образцов в данной работе определяли визуально при наблюдении макроскопически разрушенных образцов и их диаметральных продольных сечений, а характер откольного повреждения исследуемого материала определяли с использованием метода металлографического структурного анализа шлифов этих сечений после травления. Результаты проведенных при разных скоростях удара v_i опытов приведены в табл. 2. Там же указаны полученные в выполненных расчетах значения максимальных сжимающих давлений в нагружающих импульсах сжатия P_c и значения максимальных растягивающих (минимальных отрицательных) расчетных давлений P_t в зонах реализуемого в образцах растяжения.

Табл. 2. Результаты проведенных опытов и выполненных расчетов

 

Внешние виды продольных диаметральных сечений образцов, на которых визуально, без использования метода металлографического анализа, можно наблюдать откольное разрушение материала, показаны на рис. 6-8.

 

Рис. 6. Продольный излом разрушенного образца № 2 с магистральной откольной трещиной.

Образец № 1 разрушился на четыре продольных фрагмента, в каждом из которых произошло полное отделение откольного слоя. Образец № 2 разрушился на три части. На фотографии продольного излома одной из этих частей, приведенной на рис. 6, можно наблюдать магистральную откольную трещину, которая проходит через все сечение образца. Макроскопические трещины на продольном изломе образце № 3, еще не слившиеся в магистральную откольную трещину, можно наблюдать на рис. 7. Подобные откольные трещины можно также наблюдать и на сделанном шлифе продольного сечения образца № 3 на рис. 8.

 

Рис. 7. Продольное излом разрушенного образца № 3 с тонкими откольными трещинами.

 

Рис. 8. Фрагмент шлифа продольного сечения образца № 3 с тонкими откольными трещинами.

Микроструктура и характер откольного повреждения образцов изучались с использованием метода металлографического анализа. Образцы материала характеризуются специфической крупнозернистой структурой, в которой столбчатые зерна материала вытянуты в направлении технологической прокатки исходного прутка. На микроструктурном уровне в некоторых местах металлографических изображений достаточно отчетливо наблюдается субструктура, состоящая из довольно крупных субзерен. Проводились также измерения микротвердости материала в продольных сечениях образцов. Для образца-свидетеля, не подвергавшегося ударному нагружению, значение микротвердости по десяти измерениям составило 2.42±0.07 ГПа. Для образца № 3 измерение микротвердости проводилось в между зоной начинающегося откола и нагружаемой поверхностью на участке, где не наблюдалось образовавшихся микротрещин. Значение микротвердости составило здесь 2.53±0.08 ГПа. 

 

Рис. 9. Откольное повреждение материала в виде хрупких микротрещин, x₀ = 230 мкм.

Результаты наблюдения хрупких микротрещин в зоне намечающегося откола в образце № 4 показаны на рис. 9-11. Наряду со значительным числом образующихся транскристаллитных микротрещин можно также отметить элементы интеркристаллитного растрескивания. Ширина рассматриваемых на рисунках элементов структуры обозначается как x₀ и характеризует собой степень увеличения изображения при использовании металлографического микроскопа.

 

Рис. 10. Откольное микроповреждение материала в зоне намечающегося откола, x₀ = 220 мкм.

 

Рис. 11. Откольное микроповреждение материала в зоне намечающегося откола, x₀ = 236 мкм.

Результаты наблюдения начальной стадии образования хрупких макротрещин в зоне намечающегося откола в образце № 3 показаны на рис. 12-13. Эти макротрещины возникают вследствие расширения наиболее развитых микротрещин и их слияния. Можно отметить, что на этой начальной стадии образования макротрещин, когда растягивающее давление еще не превосходит существенно порог зарождения микротрещин или откольную прочность, границы зерен являются для них весьма труднопреодолимым препятствием.

 

Рис. 12. Откольное микроповреждение материала и начальная стадия образования макротрещины в зоне намечающегося откола, x₀ = 570 мкм.

 

Рис. 13. Образование макротрещины в зоне намечающегося откола, x₀ = 590 мкм.

Расчеты полных историй ударного нагружения образцов и силовых и временных условий их откольного разрушения проводились с использованием программы Ansys Autodyn [14]. Для расчетов использовались уравнения состояния металлов, приведенные в базе данных используемой программы. Для обоих металлов использовались уравнения состояния в форме Shock, а связанные с уравнением состояния модели прочности несколько различались. Для алюминия использовалась модель прочности von Mises, а для молибдена – модель Steinberg Guinan. Коэффициенты уравнений состояния и моделей прочности материалов приведены в табл. 3, соответственно в первых четырех и оставшихся трех столбцах. Для модели прочности Steinberg Guinan из ее 9 коэффициентов приведены только 3 основные. Для приведенных в табл. 3 коэффициентов использованы следующие обозначения: ρ₀ – плотность, γ – параметр Грюнайзена, c₀, λ –  коэффициенты линейного D-u– соотношения между массовой и волновой скоростями, G – модуль сдвига, Y – предел текучести,  Y_m – максимальный предел текучести.

Табл. 3. Коэффициенты уравнений состояния и моделей прочности для молибдена и алюминия

Результаты всех проведенных расчетов процесса ударного нагружения образцов молибдена толщиной 8 мм алюминиевой пластиной толщиной 4 мм показаны на рис. 14-20. Для регистрации процесса нагружения образцов в них фиксировались по 8 датчиков давления на координатах, указанных в табл. 4. Получаемые диаграммы давления на указанных лагранжевых координатах отображались следующими цветами: синий, коричневый, зеленый, фиолетовый, голубой, оранжевый и снова синий и коричневый.

Табл. 4. Координаты лагранжевых датчиков давления в рассматриваемых образцах

 

Для образцов, нагруженных с минимальной и максимальной интенсивностью (скоростью удара) на рис. 14 и 15 показаны диаграммы давления, зафиксированные всеми восьмью датчиками. Это позволяет рассматривать историю нагружения материала образца в широком диапазоне координат, от x = 2.5 мм до x = 6.0 мм. Достаточно очевидно, что координата xотсчитывается здесь от поверхности удара.

 

Рис. 14. История ударного нагружения образца № 5 по восьми датчикам регистрации давления.

Рис. 15. История ударного нагружения образца № 1 по восьми датчикам регистрации давления.

Здесь сразу же можно отметить различие историй нагружения для разных координат и тот явно просматривающийся факт, что если отклик образца № 5 на нагружение со скоростью удара 80 м/с является практически чисто упругим, то при отклике образца № 1 на нагружение со скоростью удара 422 м/с уже явно проявляется упруго-пластическое поведение молибдена.

На последующих рис. 16-20 приводятся диаграммы давления, которые явно описывают нагружение материала образца в зоне откольного разрушения. Здесь следует отметить, что диаграммы давления на стадии растяжения описывают поведение неразрушаемого, то есть сохраняющего целостность материала образца и могут характеризовать только энергетику разрушения, но ни в коем случае не его кинетику. Это значит, что для корректного определения откольной прочности могут служить только результаты расчетов максимального растягивающего давления в образцах № 5 и 4, а в образце № 3 уже очень заметную роль будет играть релаксация растягивающего давления, которая не может быть рассчитана и учтена при использовании программы Autodyn.

 

Рис. 16. Сжатие и растяжение в зоне откола образца № 5 по датчикам регистрации № 4 (фиолетовый) и 5 (голубой)

 

Рис. 17. Сжатие и растяжение в зоне откола образца № 4 по датчикам регистрации № 4 (фиолетовый) и 5 (голубой)

  

Рис. 18. Сжатие и растяжение в зоне откола образца № 3 по датчикам регистрации № 3 (зеленый), 4 (фиолетовый) и 5 (голубой)

 

Рис. 19. Сжатие и растяжение в зоне откола образца № 2 по датчикам регистрации № 3 (зеленый), 4 (фиолетовый) и 5 (голубой)

 

Рис. 20. Сжатие и растяжение в зоне откола образца № 1 по датчикам регистрации № 3 (зеленый), 4 (фиолетовый), 5 (голубой) и 6 (оранжевый).

Таким образом, на основании полученных экспериментальных и расчетных результатов для значения откольной прочности низколегированного молибденового сплава ВМ1 может быть принято значение около 8 ГПа с погрешностью, достигающей 1 ГПа. Этому значению откольной прочности можно соотнести полученную в расчете скорость деформации материала в растягивающем импульсе, которая для образца № 5 составляет 1.8·10⁴ с^-1.

Полученные в работе результаты по определению откольной прочности сплава ВМ1 можно сопоставить с результатами определения откольной прочности поликристаллического магния, полученными в работе [5] на основании измерения скорости свободной поверхности образцов в процессе нагружения. При такой же, как в данной работе скорости деформации для откольной прочности магния в работе [5] было получено значение около 1.3 ГПа. В работе [9] при испытании образцов молибдена, изготовленных из горячекатаного прутка, с использованием того же метода измерения скорости свободной поверхности при близкой скорости деформации значение откольной прочности составило около 1.0 ГПа.

В то же время в нескольких работах по определению откольной прочности молибдена при нагружении образцов ударом пластин и регистрации процесса нагружения путем измерения скорости свободной поверхности были получены значительно более высокие значения откольной прочности. Так в работе [4] для откольной прочности приводится значение 2.3 ГПа, в работе [7] оно составляет 2.4 ГПа, в работе [11] получены два значения, 2.2 и 2.4 ГПа. Подобная ситуация указывает на тот факт, что при изучении явления откольного разрушения молибдена следует более определенно увязывать исходные свойства материала, прежде всего его структуру, и условия проведения экспериментов.

Заключение

В работе получены результаты по определению откольной прочности низколегированного молибденового сплава ВМ1, имеющего крупнозернистую структуру, состоящую из столбчатых зерен, вытянутых в направлении прокатки прутка материала. Характер разрушения сплава является чрезвычайно хрупким и связан в основном с транскристаллитным растрескиванием. Полученному значению откольной прочности, составляющему около 0.8 ГПа, соответствует скорость деформации материала в растягивающем импульсе, равная 1.8·10⁴ с^-1. Полученные в других работах результаты по определению откольной прочности молибдена при ударном нагружении по регистрируемой скорости свободной поверхности разделяются на две группы. В первой из групп откольная прочность молибдена составляет около 1 ГПа, что достаточно хорошо согласуется с полученным в данной работе результатом. Во второй группе работ получаемое значение откольной прочности лежит в пределах 2.2-2.4 ГПа. По-видимому, подобные различия обусловлены существенным различием в исходной структуре молибдена и особенностями методов регистрации и проведения экспериментов в целом. Таким образом, полученные в  данной работе результаты достаточно хорошо дополняют картину имеющихся данных по динамической прочности молибдена и по характеру его разрушения в условиях ударного нагружения.

1. Голубев В.К., Новиков С.А., Соболев Ю.С., Юкина Н.А. О характере откольного разрушения молибдена, никеля и титана // Проблемы прочности. – 1985. – № 4. – С. 64-66.
2. Марочник металлов evek.org. – Интернет-ресурс. URL: https://evek.org/materials/molibden-m999-mp-12-1.html, https://evek.org/materials/splav-vm1.html (дата обращения: 02.08.2021).
3. Chhabildas L.C., Barker L.M., Trucano T.G., Asay J.R. Spall strength measurements on shock-loaded refractory metals // Shock Compression of Condensed Matter – 1989. Amsterdam: Elsevier Science Publisher, 1990. – P. 429-432.
4. Chhabildas L.C., Barker L.M., Asay J.R., Trucano T.G. Relationship of fragment size to normalized spall strength for materials // Int. J. Impact Engng. – 1990. – Vol. 10, Iss. 1-4. – P. 107-124.
5. Kanel G.I., Razorenov S.V., Utkin A.V., Fortov V.E., Baumung K., Karow H.U., Rusch D., Licht V. Spall strength of molybdenum single crystals // J. Appl. Phys. – 1993. – Vol. 74, No. 12. – P. 7162-7165.
6. Duffy T.S. , Ahrens T.J. Free surface velocity profiles in molybdenum shock compressed at 1400 °C // High‐pressure science and technology–1993. AIP Conference Proceedings. – Vol. 309, Iss. 1. – P. 1079-1082.
7. Duffy T.S., Ahrens T.J. Dynamic response of molybdenum shock compressed at 1400 °C // J. Appl. Phys. – 1994. – Vol. 76, No. 2. – P. 835-842.
8. Cotton M., Millett J.C.F., Whiteman G., Park N.T. Spall strength of niobium and molyblenum // Shock Compression of Condensed Matter – 2011. AIP Conf. Proc. – Vol. 1426. – 2012. – P. 1031-1034.
9. Millett J.C.F., Cotton M., Bourne N.K., Park N.T., Whiteman G. The behaviour of niobium and molybdenum during uni-axial strain loading // J. Appl. Phys. – 2014. – Vol. 115, No. 7. – P. 073506(9).
10. Millett J.C.F., Whiteman G., Bourne N.K., Owen G.D., Cotton M., Park N.T. Material effects on the spallation response of metals and alloys // Shock Compression of Condensed Matter – 2019. AIP Conf. Proc. – 2020. – Vol. 2272, Iss. 1. – P. 120017(8).
11. Zaretsky E.B., Kanel G.I. Invariability of rate dependences of normalized flow stress in niobium and molybdenum under conditions of shock compression // J. Appl. Phys. – 2016. – Vol. 120, Iss. 10. – P. 105901(9).
12. Голубев В.К., Новиков С.А., Синицын В.А., Соболев Ю.С. Влияние температуры на критические условия откольного разрушения металлов // ПМТФ. – 1980. – Т. 21, № 4. – С. 136-140.
13. Голубев В.К., Новиков С.А., Соболев Ю.С. О влиянии температуры на откольное разрушение полимерных материалов // ПМТФ. – 1982. – Т. 23, № 1. – С. 143-150.
14. Ansys Autodyn User's Manual. Release 15.0. – Canonsburg, PA: ANSYS, Inc., 2013. – 492 p.

Рецензии:

7.09.2021, 18:25 Олевский Виктор Аронович
Рецензия: Раскройте более подробно последнее предложение статьи: какая задача решалась, цель написания статьи, научная новизна.

8.09.2021, 21:34 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Статья соответствует основным требованиям к публикациям в данном научном журнале. Но рецензент посоветовал бы всё же добавить и в аннотации, и в основном тексте область применения этих тугоплавких сплавов для читателей, не занимавшихся такой специфической областью, как жаропрочные тигли, тэны, нити и др. из этих сплавов. И вообще, каждую научную статью при публикации надо начинать с области применения материала, объекта исследований, явления или процесса, метода или способа. Ряд аспектов статьи коррелируют, кажется, с небольшой, но фундаментальной статьёй Фортова В.Е. с соавторами. Откольная прочность металлов при длительных нагрузках, опубликованнойя в Докладах АН СССР 1984 года. Рецензент оставляет на выбор автора учитывать его заметки или нет. Статья рекомендуется к печати.

9.09.2021, 18:47 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: Статья полностью соответствует всем основным требованиям к публикациям в данном научном журнале. Хотелось бы узнать, проводил ли автор исследования по изучению прочности и разрушения пластин из твердосплавных материалов ВК8 и ВК6. Статью рекомендую к публикации.



Комментарии пользователей:

10.09.2021, 8:44 Мирмович Эдуард Григорьевич Отзыв: В рецензии не говорилось ничего о включении "описания этого металла, его неспециальных свойств" и т.п. Именно та небольшая вставка добавила число читателей, которым стала понятна цель и миссия статьи. Жаль, что в аннотации нет, пусть более кратких, но аналогичных слов. А кругозор у меня - профессионального редактора, а не специалиста в рецензируемых работах, которые присылают модераторы и просят дать рецензию. Если бы Ваша полезная определённой части научного сообщества работа была бы "изготовлена" наспех, не соответствовала бы требованиям данного журнала по лингвистике, перечню источников, не была бы профессионально структурирована, то, несмотря на её научную ценность, ей была бы дана отрицательная рецензия. Т.ч. брошенная Вами фраза о "кругозоре" тут не к месту. За содержание и научную составляющую отвечает сам автор. И Вы правы, что отвечаете на замечания положительных рецензий, открывающих "шлагбаум" для публикации. На принципиально отрицательные рецензии отвечать и "бодаться" нет смысла, рецензент своего мнения не изменит. А журнал должен быть благодарен таким авторам, которые создают ему имидж научной публицистики.

14.09.2021, 14:42 Ашрапов Улугбек Товфикович Отзыв: Уважаемый Владимир Константинович, спасибо за ссылку - Журнал технической физики. 2019. Вып. 3. С. 392-396. С уважением, Ашрапов У.Т.

Оставить комментарий