CC BY
13
УДК 620.17
ГЕТЕРОГЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ
Д. В. Межевова1, С. Н. Чугунов2, Д. Б. Крюков3, А. О. Кривенков4
1> 2'3'4Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1М Daryao6@yandex.ru 2chugunow8o@mail.ru 3ddbbkk@yandex.ru 4krivenkov8o@yandex.ru
Аннотация. Рассмотрено получение многослойного металлического композиционного материала методом сварки взрывом. Проанализировано влияние режимов термической обработки на микротвердость и ударную вязкость гетерогенных материалов, полученных сваркой взрывом.
Ключевые слова: гетерогенные материалы, сварка взрывом, взрывчатое вещество, термическая обработка, микротвердость, ударная вязкость
Финансирование: экспериментальные образцы композиционных материалов получены в рамках НИОКР при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор 3254ГС2/39147).
Для цитирования: Межевова Д. В., Чугунов С. Н., Крюков Д. Б., Кривенков А. О. // Вестник Пензенского государственного университета. 2021. № 4. С. 86-95.
Введение
В различных областях машиностроения требуется получение материалов с различными свойствами по сечению, этого можно достичь получением гетерогенных материалов. Одним из способов получения многослойных металлических материалов является способ сварки взрывом.
Целью работы являлось выявление режима термической обработки, обеспечивающего высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость материалов.
В качестве получения композиционного материала был выбран метод сварки взрывом. Сварка взрывом обладает такими достоинствами, как:
- прочность сцепления не меньше наименее прочного материала;
- широкая номенклатура свариваемых материалов, например, сталь и титан, сталь и медь, сталь и латунь и другие;
- сварка без использования сложного оборудования;
- высокая скорость (несколько микросекунд) соединения;
- изготовление заготовок для штамповки и ковки;
- возможность изготовления прямолинейных и криволинейных заготовок площадью от нескольких квадратных сантиметров до десятков квадратных метров [1].
Материалы
Для исследования были выбраны коррозионно-стойкие стали с различным содержанием углерода: 20Х13, 40Х13 и 65Х13.
© Межевова Д. В., Чугунов С. Н., Крюков Д. Б., Кривенков А. О., 2021
86
Для получения пятислойного композиционного материала системы 20Х13-40Х13-65Х13-40Х13-20Х13 сваркой взрывом была использована схема параллельного расположения пластин, которая изображена на рис. 1.
Рис. 1. Технологическая схема параллельной схемы сварки взрывом
В качестве взрывчатого вещества использовался игданит со скоростью детонации 2700 м/с и плотностью 0,75 г/см3. Высота взрывчатого вещества составляла 80 мм. Зазор между слоями составлял: между первым и вторым слоем - 1 мм, между вторым и третьим -3 мм, между третьим и четвертым -4 мм, между четвертым и пятым - 5 мм.
После сварки взрывом была проведена термическая обработка полученных экспериментальных образцов. Для назначения режимов термической обработки использовали диаграмму состояния системы железо - углерод с содержанием хрома 13 %, которая представлена на рис. 2.
Рис. 2. Диаграмма состояния системы железо - хром - углерод с содержанием хрома 13 %
87
Для снятия наклепа, полученного в результате пластической деформации при сварке взрывом, прибегают к использованию рекристаллизационного отжига. Температура ре-кристаллизационного отжига для стали 20Х13 в соответствии с диаграммой состояния, представленной на рис. 2, составляет 70 % от температуры плавления (Тпл = 1220 °С) и равна 854 °С, для стали 40Х13 и 65Х13 - 826 °С (Тпл = 1180 °С). Температуру рекристаллизационного отжига заготовок после сварки взрывом назначили 840...860 °С, выдержка 2 ч, охлаждение в печи.
Сталь 20Х13 относится к ферритно-мартенситному классу, представляет собой жаропрочную, жаростойкую, коррозионно-стойкую сталь, из которой изготавливают разнообразные детали и конструкции, предназначающиеся для использования в условиях слабоагрессивных сред. Химический состав и механические свойства стали регулирует ГОСТ 5632-20141, состав приведен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав стали 20Х13
Химический С 81 Мп 8 Р Сг Бе
элемент
Содержание, % 0,16...0,25 Не более Не более Не более Не более 12,0.14,0 Осн.
0,8 0,8 0,025 0,025
Механические свойства стали 20Х13 при Т = 20 °С представлены в табл. 2.
Таблица 2
Механические свойства стали 20Х13
Сортамент ГОСТ Предел прочности Ов, МПа Предел текучести От, МПа Относительное удлинение, 85, %
Лист толстый 7350-77 510 375 20
Лист тонкий 5582-75 490 - 20
Сортовой прокат 5949-75 650 440 16
Лента 4986-78 490 - 16
Температура критической точки стали АС1 = 820 °С, точки Асз (Аст) = 950 °С, точки Аг1 = 780 °С.
Рекомендуемая ГОСТ 5949-2018 термическая обработка стали 20Х13: закалка с температурой 1000.1050 °С, охлаждение на воздухе или в масле, отпуск при 660.770 °С, охлаждение на воздухе, в масле или в воде. Полученные свойства: Ов= 650 Н/мм2, КСи = = 78 Дж/см2.
Структура стали в состоянии поставки представляет собой феррит и карбиды.
Сталь 40Х13 относится к ферритно-мартенситному классу, коррозионно-стойкая, жаропрочная сталь, применяется для производства режущего, мерительного инструмента, хирургического инструмента. Химический состав стали в соответствии с ГОСТ 5632-2014 представлен в табл. 3.
Таблица 3
Химический состав стали 40Х13
Химический элемент С 81 Мп 8 Р Сг Бе
Содержание, % 0,36.0,55 Не более 0,8 Не более 0,8 Не более 0,025 Не более 0,025 12,0.14,0 Осн.
1 ГОСТ Р 5632-2014. Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. Введ. 01.01.2015. М. : Стандартинформ, 2015. 52 с.
Механические свойства стали 40Х13 при Т = 20 °С представлены в табл. 42.
Таблица 4
Механические свойства стали 40Х13
Сортамент ГОСТ Предел прочности Ов, МПа Относительное удлинение, 85, % НЯС после закалки
Лист толстый 5582-75 550 15 58
Температура критической точки АС1 = 800 °С, точки АГ1 = 780 °С.
Для достижения достаточного мартенсита стали применяется следующий режим термообработки: закалка с температурой 1000...1050 °С, охлаждение в масле с последующим низким при 230.280 °С отпуском.
Структура стали в состоянии поставки представляет собой феррит и карбиды.
Сталь 65Х13 представляет собой коррозионно-стойкую, жаропрочную сталь, применяется для изготовления лезвий безопасных бритв, режущего инструмента. Химический состав стали в соответствии с ГОСТ 5632-2014 представлен в табл. 5.
Таблица 5
Химический состав стали 65Х13
Химический элемент С 81 Мп 8 Р Сг Бе
Содержание, % 0,6...0,7 Не более 0,8 Не более 0,8 Не более 0,025 Не более 0,025 12,0.14,0 Осн.
Механические свойства стали 65Х13 при Т = 20 °С в соответствии с ГОСТ 5632-2014 представлены в табл. 6.
Таблица 6
Механические свойства стали 65Х13
Сортамент ТУ Предел прочности Ов, МПа Относительное удлинение, 85, % Твердость НУ
Лента 0,1 мм ТУ 14-1-4105-86 (нагартованное) 888.1127 - 280.320
Лента 0,4 мм ТУ 14-131-764-88 (нагартованное) - - 220.280
Лента 3 мм ТУ 14-1-3918-85 (термически обработанное) <785 <18 <97НРБ
Критическая точка стали 65X13 АС1 = 805.810 °С, точка Асз = 880 °С, точка Мн = 200 °С.
Термическая обработка стали 65Х13 заключается в закалке при температуре 1100 °С, после чего подвергают отпуску до 300.550 °С и медленно охлаждают в печи. Структура стали в состоянии поставки представляет собой феррит и карбиды. С увеличением содержания углерода величина карбидов увеличивается и увеличивается доля перлитной составляющей.
На основании приведенных данных назначены режимы термообработки композиционных материалов, которые представляют собой:
- закалку до температуры 1050.1100 °С с последующим охлаждением в масле и низкий отпуск, при температуре 200..250 °С, выдержку в печи в течение двух часов с последующим охлаждением в масле;
2 ГОСТ Р 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. Введ. 01.01.1977. М. Изд-во стандартов, 1993. 33 с.
- закалку до температуры 1050.1100 °С с последующим охлаждением в масле и средний отпуск, при температуре 300.350 °С, выдержку в печи в течение двух часов с последующим охлаждением в масле;
- закалку до температуры 1050.1100 °С с последующим охлаждением в масле и высокий отпуск, при температуре 350.450 °С, выдержку в печи в течение двух часов с последующим охлаждением в масле.
Методы исследования и результаты
В качестве методов исследования были выбраны испытание на ударную вязкость и определение микротвердости.
Измерение микротвердости производится в соответствии с требованиями ГОСТ 9450-76.
Для измерения микротвердости подготавливается металлографический шлиф, который показан на рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид микрошлифа
Определение микротвердости происходило на твердомере А¥¥Ш БМ 8, представленном на рис. 4.
й
Рис. 4. Твердомер по микровикерсу А¥¥Ш БМ 8
Твердомер представляет собой стационарное средство измерений статического действия. Принцип действия микротвердомеров основан на статическом вдавливании наконечника - алмазной пирамиды Викерса - с последующим измерением длин диагоналей восстановленного отпечатка.
Схема замера микротвердости представлена на рис. 5, 6.
Рис. 5. Схема замера твердости
Рис. 6. Отпечатки индентора при определении твердости по Викерсу
Метод испытания на ударный изгиб основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра, концы образца располагаются в опорах. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе, или
ударную вязкость. Под ударной вязкостью (КС) понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
Исследование ударной вязкости проводилось в соответствии с ГОСТ 9454-783. Исследование проходило при нормальной температуре воздуха на маятниковом копре модели ИО 5003-0,3-11, представленной на рис. 7.
Рис. 7. Маятниковый копер ИО-5003-0,3-11
Образцы для испытания на ударный эскиз имели концентратор вида и в соответствии с ГОСТ 9450-76 согласно эскизу, представленному на рис. 8, и выглядели, как показано на рис. 9.
Рис. 8. Эскиз образца для испытания на ударную вязкость
3
ГОСТ Р 9454 - 78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатных и повышен-
ных температурах. Введ. 01.01.1979. М. : Изд-во стандартов, 1994. 42 с.
Рис. 9. Образцы для испытания на ударную вязкость
Результаты исследования микротвердости представлены в табл. 7 и на рис. 10. В данной таблице указаны средние значения результатов с целью построения и выявления зависимости.
Результаты исследования микротвердости
Таблица 7
Параметр Микротвердость НУ
^^ Слой Состояние образца ~~ —— 1 2 3 4 5
После закалки и низкого отпуска 465 539 663 539 464
После закалки и среднего отпуска 421 517 631 518 422
После закалки и высокого отпуска 437 528 644 527 438
Значения микротвердости
З.+н. отп. З.+ср. отп. З.+в. отп.
Вид термической обработки
I 1-й слой 12-й слой 3-й слой 14-й слой 5-й слой
Рис. 10. Значения микротвердости
Максимальные значения микротвердости наблюдаются у композиционного материала после закалки и низкого отпуска. Минимальные значения наблюдаются у композиционного материала после закалки и среднего отпуска. При значительном легировании стали карбидообразующими элементами (Сг, Мо, V) возможно образование специальных карбидов, которые значительно дисперснее цементита, поэтому выделение их является главной причиной образования вторичной твердости при высоком отпуске. В данном случае увеличение микротвердости композиционного материала с температурой отпуска до 450 °С сопровождается выделением карбидов, что объясняется явлением вторичной твердости. Но, наряду с увеличением твердости, происходит уменьшение ударной вязкости, что показано в табл. 8, что приводит к охрупчиванию металла.
Результаты исследования ударной вязкости представлены в табл. 8 и на рис. 11.
Таблица 8
Результаты исследования ударной вязкости
Вид термической обработки Значение ударной вязкости КСи, Дж/см2
После закалки и низкого отпуска 9,2
После закалки и среднего отпуска 11
После закалки и высокого отпуска 9,1
Ударная вязкость
З + н.о 3 + ср.о 3 + в.о.
Вид термической обработки
Рис. 11. Значения ударной вязкости
Минимальное значение ударной вязкости наблюдается у композиционного материала после закалки и высокого отпуска. Максимальное значение ударной вязкости у композиционного материала после закалки и среднего отпуска. Дальнейшее уменьшение ударной вязкости объясняется явлением отпускной хрупкости. Данное явление возникает при замедленном охлаждении сталей, легированных Сг, Mg и N1, которые отпускаются при температурах выше 500 °С. Причиной отпускной хрупкости является выделение и диффузное перераспределение карбидов.
При режиме термической обработки: закалке и высоком отпуске - наблюдается явление вторичной твердости и отпускной хрупкости, что недопустимо для сталей, у которых главными требованиями являются высокая твердость, износостойкость и коррозионная стойкость. Таким образом, оптимальным режимом термической обработки для композиционного материала является закалка и низкий отпуск, обеспечивающие высокую твердость и достаточную ударную вязкость [2].
Список литературы
1. Сварка взрывом / / Сварка металлов. URL: https://svarkaed.ru (дата обращения: 28.03.2021).
2. Розен А. Е., Кривенков А. О., Крюков Д. Б. [и др.]. Способы получения композиционных материалов методами высокоэнергетического воздействия : монография. Пенза : Изд-во ПГУ, 2016. 138 с.
Информация об авторах Межевова Дарья Владимировна, студентка, Пензенский государственный университет.
Чугунов Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение», Пензенский государственный университет.
Крюков Дмитрий Борисович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение», Пензенский государственный университет.
Кривенков Алексей Олегович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение», Пензенский государственный университет.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
