Исследование физико-механических свойств стали Гадфильда при ударно-волновом нагружении Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.14.018.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ ГАДФИЛЬДА ПРИ УДАРНО-ВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ

Анатолий Васильевич Гуськов

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, кандидат технических наук, доцент кафедры газодинамических импульсных устройств, тел. (383)346-25-65, e-mail: [email protected]

Константин Евгеньевич Милевский

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, кандидат технических наук, доцент кафедры газодинамических импульсных устройств, тел. (383)346-25-65, e-mail: [email protected]

Надежда Федоровна Чайка

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оп-тотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: [email protected]

Валентин Алексеевич Ломан

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, студент гр. МБ-21 факультета летательных аппаратов, тел. (383)225-24-64, e-mail: [email protected]

Изучены физико-механические характеристики стали гадфильда после ударно-волнового нагружения. Выявлены зависимости изменения параметров удлинения, плотности, твёрдости от глубины упрочняемого слоя.

Ключевые слова: сталь Гадфильда, упрочнение взрывом.

INVESTIGATION OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF HADFIELD STEEL UNDER SHOCK WAVE LOADING

Anatoly V. Guskov

Novosibirsk state technical university, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa st., Ph. D. associate professor of department of gas-dynamic impulse devices, tel. (383)346-25-65, e-mail: [email protected]

Konstantin E. Milevskyi

Novosibirsk state technical university, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa st., Ph. D. associate professor of department of gas-dynamic impulse devices, tel. (383)346-25-65, e-mail: [email protected]

Nadegda F. Chayka

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630018, Russia, Novosibirsk, Plakhot-nogo Str. 10, Ph. D., associate professor of nanosystems and optical engineering, tel. (383)343-91-11, e-mail: [email protected]

Valentin A. Loman

Novosibirsk state technical university, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa st., Student aircraft faculty, gr. MB-21, tel. (383)225-24-64, e-mail: [email protected]

Have studied the physical and mechanical characteristics of Hadfield steel after shock wave loading. Identified according to changes in the parameters of elongation, density, hardness of the depth of the reinforcement layer.

Key words: Hadfield steel, hardening of the explosion.

Сталь Гадфильда обладает исключительной восприимчивостью ко всем способам упрочнения, в том числе и к взрыву [1]. Первые исследования упрочнения этой стали выполнены авторами патента в начале 1950-х годов. В 1960 г. опубликовано исследование Хольцмана и Кована, где исследована ударно -волновая обработка стали Гадфильда.

Процесс упрочнения взрывом стали Гадфильда нашел широкое применение в промышленности.

Сталь 110Г13Л обладает следующими механическими свойствами: предел прочности ав = 800-900 МПа; условный предел текучести ат= 310-350 МПа; относительное удлинение (пластичность) 5 = 15-20 %; относительное сужение у = 50-30 %; начальная твердость в исходном состоянии 200 НВ [2].

Упрочнения стали Гадфильда, можно осуществлять квазистатической нагрузкой и ударно-волновой нагрузкой. Упрочнение квазистатической нагрузкой осуществляется на глубину всего 2-5 мм, в то время как упрочнение взрывом возможно на глубину до 40 мм [3]. Механизм упрочнения при квазистатической нагрузке можно проследить при деформации зёрен металла. Чем больше деформация зёрен, тем больше упрочнение.

В качестве взрывчатого вещества принято высокоскоростное взрывчатое вещество ЛВВ11-01. Использование пластического взрывчатого вещества обусловлено тем, что оно способно с высокой точностью копировать поверхность упрочняемого изделия.

Образцами взяты технологические пробы (клиновидные бруски высотой 110 мм, длиной 210 мм, шириной при основании клина 55 мм, при вершине 16 мм) рис. 1.

Рис. 1. Схема расположения взрывчатого вещества: а - изделие до упрочнения, б - на образце, в - изделие после упрочнения

Схема расположения взрывчатого вещества моделирует схему всестороннего сжатия (рис. 1 б). Такая схема позволяет препятствовать развитию наплывов металла. Если при обычном сжатии, происходит изменение геометрии об-

а

б

в

разца и как следствие, изменение геометрии упрочняемого изделия, то по схеме всестороннего сжатия изменения в геометрии практически не происходят, что позволяет говорить о целостности образца и об упрочнении на большую глубину.

После взрывного нагружения проводили замеры твердости упрочняемых поверхностей по методу Роквеллу. Перед замером поверхность зачищали наждаком на грубом, а затем на мелком камне. Для каждой технологической пробы определяли среднее значение твердости по замерам в нескольких точках (10 на каждый образец) упрочняемой поверхности по всей глубине детали [4].

На рис. 2 изображена схема раскроя образца, для дальнейших испытаний.

Контрольно-технологический образец

Продольная

а б

Рис. 2. Схема раскроя технологической пробы для подготовки образцов

на металлографический анализ

Схема замера твердости представлена на рис. 3.

На рис. 4 представлены зависимости распределение твердости по образцу от шага точек замера.

мм

Рис. 3. Схема расположения точек Рис. 4. Зависимость твердости образца замеров твердости по глубине тех- от расстояния от поверхности, И - рас-нологической пробы в мм стояние от поверхности

Проводились испытания на растяжение. От обработанных взрывом технологических проб отрезали слой толщиной 14 мм, из которого изготовляли ци-

линдрические пятикратные образцы для испытания на растяжение по ГОСТ 1497-84 [5]. Растягивались образцы после нагружения. Испытания на растяжение проводились на машине Р-5. Металлографические исследования проводили следующим образом. Строение металла после литья и закалки изучали на тем-плетах, из которых вырезали образцы в поперечном и продольном направлениях для изготовления шлифов (рис. 2, а и б).

На рис. 5 видно, что удлинение образцов происходит до пикового значения, которое имеет образец № 5, а потом удлинение уменьшается.

Рис. 5. Удлинение образцов после нагружения

Проводилась оценка размеров зерна средний размер зерна по обоим слоям, примерно одинаков, однако наглядно появление полос скольжения на неболь-

шиу ггп/^шняу ппгпр в^пт-тттпгг» нягтптг^-

Рис. 6. Микроструктура стали 110Г13Л (х250). Образцы, упрочненные ударной волной, образованной взрывчатым веществом толщиной 12 мм: а - до упрочнения, б -после взрывного упрочнения

Были проведены исследование образцов на изменение плотности по слоям [6]. Для определения плотности были предоставлены 9 образцов стали после деформации и 8 образцов до деформации.

На графике (рис. 6) видно, что плотность образцов возросла после взрывного нагружения. Так же видно, что у предъявленных образцов плотность уменьшается от первого образца к девятому.

7,80 7,70 7,60

т

2 7,50 и

7,40 7,30 7,20 7,10 7,00 6,90 6,80

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

№ 5

№ 6

№ 7

№ 8

№ 9

№ образца

■ Плотность до нагружения

Плотность после нагружения

Рис. 6. Плотность образцов до и после нагружения

Опираясь на проведённые исследования физико-механических характеристик, в упрочнённом слое материала, можно выделить несколько подслоёв, с различными механическими свойствами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. - Новосибирск, 1972 г.

2. Лашко Н.Ф., Еремин Н.И. Фазовый состав и структура аустенитных сталей, М.:Машгиз,1957, 457 с

3. Гуськов А. В., Милевский К. Е., Яковлев А. Г. Сравнительный анализ упрочнения стали Гадфильда статической и высокоскоростной нагрузкой // Наука. Промышленность. Оборона труды XV всеросийской научно-технической конференции (г. Новосибирск, 23-25 апреля 2014г.) - Новосибирск НГТУ, 2014 - с 207 - 210.

4. Тушинский Л.И., Гуськов А. В., Милевский К. Е., Петров А. Ф. Влияние высокоскоростной ударной волны на микроструктуру и механические свойства стали Гадфильда 110Г13Л // Научный вестник НГТУ. - 2006. - № 4(25) с 186 - 194.

5. Guskov A.V., Milevsky K.E., N. Y. Mihaylova Research of Gadfild steel structure after dynamic loading // 7th World conference on explosives & blasting - Moscow, Russia, 2013.

6. Гуськов А. В., Милевский К. Е., Яковлев А. Г. Физико-механические свойства стали Гадфильда после ударно-волнового воздействия // Наука. Промышленность. Оборона труды XV всеросийской научно-технической конференции (г. Новосибирск, 23-25 апреля 2014г.) -Новосибирск НГТУ, 2014 - с 193 - 196.

7. ГОСТ 15139-69 Методы определения плотности (объемной массы) М.: Изд-во стандартов, 1981.

© А. В. Гуськов, К. Е. Милевский, Н. Ф. Чайка, В. А. Ломан, 2015