CC BY
30
Исследование соединений на контактах металлических поверхностей, созданных динамическими методами
М.П. Бондарь
Институт гидродинамики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия
Границы соединения, формируемые при динамических методах консолидации, исследовались в электронном растровом микроскопе высокого разрешения. Определяющая роль в образовании связи принадлежит пластической деформации на контактных границах. Показано, что о качестве связи можно судить по характерной микроструктуре контактных областей, представляющей фрагменты-блоки, различающиеся разной ориентацией тонких деформационных сдвигов.
1. Введение
Процессы образования соединений на контакте металлических поверхностей при динамическом деформировании зачастую представляются основными в создании метастабильных материалов, материалов с особыми свойствами или химическим составом и для соединения пар металлов, которые другими методами не могут быть получены из-за предельно слабого или полного отсутствия химического взаимодействия.
Принято считать, что за счет совместной пластической деформации создается физический контакт и контактирующие слои приводятся к такому энергетическому состоянию, при котором возникает взаимодействие соединяемых материалов на атомном уровне.
В работе рассматриваются особенности формирования соединений при сварке и компактировании взрывом.
Роль пластической деформации при образовании соединений при сварке взрывом была рассмотрена в ряде работ [1-4]. При исследовании соединений в наших работах [2-4] было показано, что изменение деформации от поверхности свариваемой заготовки к плоскости соединения происходит неравномерно, это наглядно представлено на рис. 1, а изменением формы двойников, входящих в зону соединения. В окрестности плоскости соединения имеется зона интенсивной пластической деформации шириной R. Для этой области минимальная
величина деформации г ограничивалась 100 %. Связь R с параметрами соударения (Vk — скорость точки контакта, у — угол соударения) и определяемой этими величинами прочностью конечного материала на примере сварки взрывом медных пластин представлена на рис. 2, где 1 определяет ab > a0, 2 — 0 < ab < a0, 3 — ab = 0 (ab, a0 — соответственно прочности сваренного и исходного материалов). Зависимости R(Vk) представляются кривыми, характеризуемыми постоянными величинами V0 — скорости метания. Приведенные значения прочности выделяют границы сварки в координатах R -Vk, которые совпадают с общепринятыми границами сварки взрывом в координатах Vk-у [5]. Граничным значениям R — интервалам 1-3, характеризующим прочность соединений, соответствуют определенные значения у: 1 — у > 10°, 2 — 5° < у < 10°, 3 — у < < 5°. Это означает, что у имеет смысл параметра, определяющего величину области интенсивной пластической деформации.
На рис. 3 представлена зависимость R(y), которая коррелирует с зависимостью 8(у) = 80 sin2 у/2 — толщиной кумулятивной струи, необходимой при сварке взрывом для очистки контактной поверхности. Зависимость R(y) коррелирует и с зависимостью А(у) = = 26 S0 sin 2 У12 — длиной волны на контакте, опреде-
© Бондарь М.П., 2001
Рис. 1. Микроструктура зоны соединения медных пластин, сваренных взрывом: а — деформация течения, выявленная по изменению формы двойников; б, в — микроструктуры в плоскости соединения пластин
ляющей развитие соединяемых поверхностей. Представление R, 8 и X через одну функциональную зависимость естественно, т.к. они характеризуют один деформационный процесс при сварке взрывом на разных уровнях его интенсивности, т.е. каждому из них соответствует определенный уровень сдвигового напряжения ат, зависящий от у и от расстояния до поверхности соединения.
Приведенные результаты свидетельствуют об определяющей роли пластической деформации в образовании связи при сварке взрывом. Условие создания проч-
ного соединения для меди — Я * > 70 мкм — обеспечивает в центре зоны интенсивной пластической деформации — в плоскости соединения — значение 8 ^ п • 1000 %. Реализация величины Я * и соответствующей ей локализации сдвиговой деформации приводят к тому, что создается физический контакт и контактирующие слои приводятся к такому энергетическому состоянию, при котором возникает объемное взаимодействие свариваемых материалов на атомном уровне. На рис. 1, б, в представлена микроструктура зоны соединения, полученная в электронном микроскопе на просвет. Ярко выражен-
О 1000 2000 3000 Ук, м/с
Рис. 2. Зависимость размера области интенсивной пластической деформации R от скорости точки контакта соударяемых пластин Ук при сварке взрывом
ная полосчатость с вытянутыми дислокационными ячейками переходит в полигонизованную структуру в центре зоны.
Проследить характер последовательного изменения микроструктуры в пределах зоны Я* с помощью просвечивающей электронной микроскопии трудно, а порой практически невозможно из-за трудностей приготовления образцов, определенных особенностями их энергетического состояния после взрывного нагружения. Большие трудности возникают при приготовлении образцов и исследовании микроструктуры компактов, полученных взрывным прессованием. Поэтому особый интерес представляет исследование и сопоставление микроструктур зоны интенсивной пластической деформации сварного соединения Я* и контактной зоны частиц фракции компакта, спрессованного взрывом, в сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения (4 нм).
Исследования в данной работе также связаны с установлением параметра, определяющего качество связи на контактной границе, созданной прессованием взрывом, подобного параметру Я * при сварке взрывом.
2. Результаты исследования
Характер сдвиговой деформации на разных структурных уровнях и фрагментация элементов микроструктуры исследовались с помощью сканирующего электронного микроскопа LEO-420 на образцах, полученных при использовании взрывных методов консолидации.
Прежде всего исследовалась зона соединения образцов, сваренных взрывом из пластин двух внутренне-окисленных сплавов Си - А1203 и Си - 8Ю2 в режиме, обеспечивающем прочность соединения не хуже прочности наиболее слабого из них. Выбор сплавов определен заметным различием их микроструктур, определен-
10 20 30 у0
Рис. 3. Зависимость размера области интенсивной пластической деформации R от угла соударения пластин у при сварке взрывом
ным размером и формой частиц окислов упрочняющей фазы. Это позволяет четко выявить зону их соединения. Как правило, внутреннеокисленные сплавы в исходном состоянии имеют крупнозернистую структуру (п = = 1-3 мм), обусловленную высокотемпературным процессом ее формирования. Вид микроструктуры зоны сварки в сканирующем электронном микроскопе, представленный на рис. 4, характеризуется высокой фрагментацией зерен, особенно в приграничной области. Это хорошо видно со стороны сплава Си - 8Ю2, упрочненного частицами большего размера и соответственно с большим расстоянием между ними. Последнее может быть причиной образования при деформировании больших по размеру блоков-фрагментов, чем в сплаве Си -А1203, где размер частиц окислов на порядок меньше, чем в сплаве Си - 8Ю2. Размер фрагментов у места соединения изменяется от 2 до 3 мкм. Каждый фрагмент представляет собой блок с системой полос сдвига, отличающихся направлением, толщиной и нередко кривизной. Блоки с разной ориентацией сдвигов (рис. 4) компенсируют кривизну FE в зерне. В некоторых местах соединения пластин, в шве, четко наблюдается подстройка сдвигов, подобная той, которая видна в граничащих блоках: полосы на границах расщепляются и приходят в соответствие с шириной полос сдвигов в приграничной области (рис. 4, АВ). Ширина полос сдвига в приграничной области составляет ^ 0.1 мкм и по размеру близка к ширине полос, наблюдаемых на рис. 1, б. Ширина области с тонко фрагментированной структурой составляет ^ 10 мкм и соответствует по размеру ширине полосы локализованной деформации (е ^ п х х 1000 %), примыкающей к плоскости соединения (рис. 1, а).
Следовательно, в области Я * высокая степень фрагментации выражена в образовании блоков с системой
Рис. 4. Микроструктура соединения, полученного сваркой взрывом
тонких сдвигов и их взаимной подстройкой в приграничной области. Сам процесс фрагментации зерен на микроблоки указывает на то, что в развитии пластического течения на контактной границе важную роль играют процессы на мезо- и микроуровне. Очевидно, для создания локализации деформации на контактной границе соединяемых частей материала необходимо включение в деформационный процесс достаточно больших приграничных объемов, т.е. достижение некоторого Я Я критического, как было показано выше.
Исследование с помощью сканирующего электронного микроскопа позволяет выявить контактные области с тонкими деформационными сдвигами, определяющими необходимые условия для образования связи.
При взрывном компактировании условия деформирования обычно определяются размером прессуемой фракции, ее насыпной плотностью, напряжением и геометрией нагружения [6]. В приведенном в настоящей работе исследовании использовали порошок чистой меди с оптимальным для развития деформационного течения размером частиц 50-150 мкм, насыпная плотность равнялась 5.3 г/см3 (59.5 %).
Для выявления в явном виде роли пластической деформации при формировании соединения необходима схема нагружения, позволяющая ее регулировать. В ра-
боте использована цилиндрическая схема нагружения с центральным стержнем (рис. 5, а).
Создание дополнительной деформации в компакте осуществлялось путем высверливания полости в центральном стержне (рис. 5, б).
Условия компактирования представлены в табл. 1.
Давление и длина импульса при компактировании определяются как зарядом взрывчатого вещества, так и толщиной внешней стенки цилиндра. Приведенные величины давлений рассчитывались для плоской схемы нагружения [7] и поэтому для нашей схемы, где возможна интерференция волн сжатия, они являются заниженными и их можно только сопоставлять друг с другом при обсуждении результатов.
Ранее в наших работах [8] было показано, что связь при взрывном прессовании образуется при реализации динамического режима нагружения Р > 2Ну (для используемого порошка Ну ^ 0.7 ГПа), характеризуемого интенсивным течением частиц фракции с изменением их формы.
Исследования показали, что в микроструктуре образцов (рис. 6.1), спресованных по режиму 1 (табл. 1), в котором деформационные процессы определены е доп = 0, заметного изменения формы частиц фракции, свидетельствующего о степени их пластического тече-
Рис. 5. Цилиндрическая схема прессования взрывом с внутренним стержнем (а), с внутренней полостью (б): 1 — порошок, 2 — детонатор, 3 — взрывчатое вещество, 4 — стальная пробка, 5 — базовый медный цилиндр, 6 — полый цилиндр (вставка), 7 — откольныш элемент, 8 — сплошной цилиндр
ния, не наблюдается. Видны широкие границы между частицами прессуемой фракции, по большинству из них связи не образуется. Направление сдвигов внутри исходных зерен определено их ориентацией. Фрагментация исходной структуры происходит у контактных границ
на ширине ^ 1-3 мкм. Эти области на контактных границах подобны области R для сваренных взрывом образцов. Структура излома образцов, сваренных по режиму 1, представленная на рис. 6.1, а, свидетельствует о хрупком типе разрушения.
Таблица 1
№ образца 8 доп(1п) D, м/с Р, ГПа т, мкс Я, мкм Примечание
1 0 2800 0.65 26 1-3 Фрагментация по границам фракции, сопряжения нет, излом хрупкий
2 0.17-0.44 2800 0.36 20 5-10 Фрагментация в местах 8 > 0.35 по всему объему, имеются места с сопряжением сдвигов, излом смешанный
3 0 0.17-0.44 2800 1.5 2.7 25 25 >10 Фрагменты вытянуты вдоль контактных границ, в центральной части сопряжение границ, излом вязкий
4 0 0.17-0.44 2800 3900 0.65 4.5 26 15 >10 Вдоль контактных границ следы теплового воздействия, границы тонкие с разрывами, излом смешанный
5 0.17-0.44 3900 2.0 15 >10 Границы широкие со следами термического влияния и разрушения, излом хрупкий
Здесь е доп (1п) — дополнительная деформация, определяемая диаметром полости во внутреннем цилиндре; D — скорость детонации используемого взрывчатого вещества; Р — давление компактирования; т — длина промежутка времени формирования импульса давления в порошковой среде
Рис. 6.1. Микроструктура компактов, спрессованных взрывом по режиму 1
Отсутствие течения частиц фракции может быть определено тем, что величина давления при прессовании не обеспечивает динамический режим.
Характер микроструктуры образцов в целом и особенно в околоконтактной области соединения существенно изменяется при создании едоп при одноразовом
Рис. 6.2. Микроструктура компактов, спрессованных взрывом по режиму 2
нагружении (режим 2) и особенно при двойном нагружении (режим 3, табл. 1). В образцах, спрессованных по режиму 2, с ростом едоп существенно растет интенсивность течения в целом объеме (рис. 6.2), что особенно хорошо видно на рис. 6.2, в, соответствующем месту, где е доп = 0.44. При этом ширина границ уменьшается,
Рис. 6.3. Микроструктура компактов, спрессованных взрывом по режиму 3
границы при е доп = 0.44 полностью смыкаются. Такой же характер наблюдается и в усилении степени фрагментации частиц фракции. Если на периферии образцов режима 2 (е доп = 0.17) картина подобна той, что наблюдалась для образцов режима 1, то с ростом едоп вели-
Рис. 6.4. Микроструктура компактов, спрессованных взрывом по режиму 4
чина R увеличивается до 5 мкм, а местами до 10 мкм. Неоднородность в величине R определена разной ориентацией границ частиц фракции относительно направления распространения ударной волны по прессуемому компакту. Приведенная на рис. 6.2 картина течения ха-
Рис. 6.5. Микроструктура компактов, спрессованных взрывом по режиму 5
рактерна для динамического режима прессования. Это показывает, что при прессовании в этом режиме большую роль играет едоп, которая определяет характер микроструктуры и качество соединения образцов в этом режиме прессования и его существенное отличие от ре-
Таблица 2
№ режима нагружения 1 2 3
Расстояние между полосами 0.2-0.3 0.2-0.3 0.1
сдвига, мкм
жима 1. Следует особо подчеркнуть роль дополнительной деформации тем, что величина давления Р в режиме 2 меньше, чем в режиме 1.
В образцах режима 3 уже на периферии границы между частицами фракции в большинстве своем узкие (рис. 6.3, б), при приближении к центру увеличиваются как степень течения, так и степень фрагментации структуры. Ширина областей с тонко фрагментированной структурой у контактных границ превосходит 10 мкм. Для фрагментов у контактных границ наблюдается ориентационная подстройка сдвигов в соседних частицах фракции (рис. 6.3, в), что свидетельствует об образовании связи. Тип излома образцов смешанный (рис. 6.3, а) и больше вязкий, чем хрупкий. При прессовании в этом режиме большую роль играет как е доп, так и величина Р, обеспечивающая течение самих частиц фракции — динамический режим прессования.
При прессовании по режиму 4 второе нагружение осуществляется при большем давлении (Р = 4.5 ГПа), чем по режиму 3 (Р = 2.7 ГПа). Это приводит к увеличению течения частиц фракции и фрагментации элементов микроструктуры в объеме частиц фракции со сдвигами в блоках более тонкими, чем в образцах режима 3 (рис. 6.4, табл. 2), что затрудняет выделение приконтакт-ной области. На периферии (е доп = 0.17) границы между частицами фракции достаточно тонкие, но нет повсеместного соединения, имеются почти непрерывные пустоты. Следует также отметить, что на контактных границах частиц фракции полосы сдвига отсутствуют. Это может быть результатом термического воздействия при локальном выделении большой энергии при закрытии широких границ, сформированных при первом нагружении (см. рис. 6.1). Прохождение ударной волны с величиной Р = 4.5 ГПа по пористому материалу, полученному после первого нагружения, определяет повышение температуры на контактных границах до 1 080 °С [9], до оплавления и изменения микроструктуры. При приближении к границе с внутренним цилиндром (е доп = = 0.44) наблюдается резко выраженная направленность сдвигов в блоках (рис. 6.4, в), что определено увеличением степени текстурирования. Большая часть контактных границ отличается четкой связью, однако прикон-тактные области, как и на периферии, не имеют четкой деформационной структуры. Поры в контактных границах принимают эллиптическую форму. Тип излома смешанный (рис. 6.4, а).
Образцы режима 5 отличаются от всех других тем, что прессование производилось при одноразовом прес-
Ну
110
4 6 8 10 К, мм
Рис. 7. Изменение микротвердости по радиусам спрессованных компактов: © — режим 1; • — режим 2; О — режим 3; □ — режим 4; ■ — режим 5
совании при значении Р = 2 ГПа, определившем динамический режим прессования, и е доп = 0.17-0.44. Эти условия привели к развитию течения частиц прессуемой фракции, фрагментации исходных зерен по всему объему, к появлению бесструктурных полос вдоль контактных границ. Однако эти условия не привели к образованию прочного соединения, расстояния между частицами фракции широкие со следами разрушения, излом хрупкий. Очевидно, что условия прессования сопровождались оплавлением границ, а их уширение обусловлено приходом разгрузки из полости цилиндра раньше времени затвердевания расплавов.
Из приведенных результатов очевидно, что прочность соединения в большой степени зависит от соотношения величин энергии, расходуемых на уплотнение, локализацию пластического течения у контактных поверхностей и на сопровождающее эти процессы выделение тепла. Одним из показателей степени диссипации энергии являлись данные по измерению микротвердости Ну (Р = 50 г) по сечению образцов, приведенные на рис. 7. Величина Ну и характер ее изменения по радиусу зависят как от типа нагружения, так и от величины давления при нагружении: для образцов дважды нагруженных (режим 3 и особенно 4), достаточно плотных после первого нагружения, наблюдается больший рост Ну. При этом он тем больше, чем выше величина Р. Во всех компактах наблюдается некоторое увеличение Ну при приближении к центру цилиндра. Это определено ростом давления за счет уменьшения площади сечения приложения нагрузки. На примере образцов режима 1 (едоп = 0) видно, что рост Ну тем заметнее, чем в меньшей мере происходят диссипативные процессы, связанные с едоп и выделением тепла на контактных границах. Особенность термического влияния иллюстрирована изменением Ну для образцов режима 5,
имеющим на начальном этапе прессования большое давление и 8 доп, изменяющееся от 0.17 до 0.44.
Сравнение микроструктур образцов, спрессованных по режимам 1-5, показывает, что в образовании прочного соединения при динамических способах прессования, как и при сварке взрывом, большую роль играет совместная пластическая деформация контактных поверхностей. Эта деформация сопровождается фрагментацией элементов микроструктуры в приграничной области размером от 1-2 до 10 и более микрон с образованием фрагментов-блоков и тонких сдвигов во фрагментах-блоках, которые выявляются при исследовании в сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения.
Приведенные результаты показывают, что использованный метод исследования — сканирующая электронная микроскопия с разрешением 4 нм — позволяет выявить микроструктуру на контактных границах, которая предопределяет условия образования связи при динамических методах консолидации.
Работа выполнена в рамках интеграционного проекта “Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий” СО РАН.
Литература
1. Hammerschmidt M., Kreye H. Microstructure and bonding mechanism in explosive welding // Shock-waves and high-strain-rate phenomena in metals. - New York-London: Plenum Press, 1988. - P. 961— 974.
2. Бондарь М.П. Тип локализации пластической деформации на контактах, определяющий образование прочного соединения // ФГВ. - 1995. - Т. 31. - № 5. - С. 122-128.
3. Бондарь М.П., Оголихин В.М. О пластической деформации в зоне соединения при плакировании взрывом // ФГВ. - 1985. - Т. 21. -№ 2. - С. 147-151.
4. Бондарь М.П., Оголихин В.М. Пластическая деформация и образо-
вание связи при сварке взрывом медных пластин // ФГВ. - 1988. -Т. 24. - № 1. - С. 122-127.
5. Симонов В.А., Оголихин В.М. Сварка взрывом биметалла сталь-медь // Использование энергии взрыва в производстве металлических материалов с новыми свойствами. - Готвольдов, ЧССР, 1985. -Т. 2. - С. 223-230.
6. Бондарь М.П. Научные основы получения новых материалов дина-
мическими методами. - Дисс. ... докт. физ.-мат. наук. - Новосибирск: ИГИЛ СО РАН, 1996. - С. 155-203.
7. Пай В.В., Кузьмин Г.Е., Яковлев И.В. Приближенная оценка параметров нагружения в композиционных материалах для случая сильных ударных волн // ФГВ. - 1995. - Т. 31. - № 3. - С. 134138.
8. Бондарь М.П. Деформации на контактах и критерии образования соединения при импульсных воздействиях // ФГВ. - 1991. -Т. 26.- № 3. - С. 103-117.
9. Нестеренко В.Ф. Импульсное нагружение гетерогенных сред. -Новосибирск: Наука, 1992. - 200 с.
