CC BY
10МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ УДК 539.4
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Чм
СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ТИТАНА ВТ1-0*
В. И. МАЛИ, канд. физ.-мат. наук, профессор,
И.А. БАЛАГАНСКИЙ, доктор техн. наук, профессор,
Е.Б. МАКАРОВА, аспирант,
А.И. СМИРНОВ, канд. техн. наук,
И.А. БАТАЕВ, канд. техн. наук,
Т.В. ЖУРАВИНА, аспирант,
(НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 03 мая 2011 г.
Макарова Е.Б. - 630092, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: geni-makk@mail.ru
Изучены особенности сварки взрывом пластин титана ВТ1-0. Исследована структура композитов, полученных при реализации различных схем сварки. Выявлено влияние термической обработки на механические свойства многослойного композиционного материала «ВТ 1-0 - ВТ 1-0».
Ключевые слова: титан, сварка взрывом, композиционный материал, структура, прочностные свойства.
Сварка взрывом является эффективным методом получения слоистых композиционных материалов. Благодаря характерным особенностям данная технология позволяет получать надежные соединения между материалами, не свариваемыми традиционными способами. Структура, формируемая при сварке взрывом, позволяет одновременно улучшать показатели прочности, ударной вязкости и трещино-стойкости материалов [1-3].
В качестве материала исследования использовали пластины технически чистого титана марки ВТ 1-0. В исходном состоянии титан имел равноосные зерна а-фазы. Средний размер зерен в использованных для сварки пластинах толщиной 1,0; 0,6 и 0,2 мм составлял 17, 4, 47 мкм соответственно. В работе исследовали
структуру и прочностные свойства пятислойных композитов. Сварка образцов выполнялась по двум схемам. Для изготовления композитов первого типа были использованы пластины толщиной 1,0; 0,6; и 0,2 мм (рис. 1, а), а для получения композитов второго типа -пластины толщиной 0,2 мм (рис. 1, б). В обоих случаях взрывчатым веществом служил аммонит 6ЖВ.
Дополнительная термическая обработка композитов заключалась в их отжиге без фазовой перекристаллизации. Нагрев образцов выполняли в вакуумной печи типа СГВ-2.4-2/15-И2. Длительность термической обработки составляла один час, температуру нагрева изменяли в диапазоне от 20 до 700 °С.
Структурные исследования материалов выполняли с применением металлографического микроскопа
а б
Рис.1. Схема сварки взрывом титановых пластин разной толщины (а) и титановых пластин толщиной 0,2 мм (б)
* Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 годы».
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Рис. 2. Строение пятислойного композита в поперечном сечении
Carl Zeiss Axio Observer Alm и просвечивающего электронного микроскопа FEI Tecnai 20 G2 TWIN. Для выявления структуры металла на металлографических шлифах использовали травитель следующего химического состава: 10 мл пятипроцентного водного раствора азотной кислоты и 10 мл пятипроцентного водного раствора плавиковой кислоты. Прочностные свойства полученных материалов оценивали на измерительном комплексе Instron 3369 в условиях растяжения плоских образцов. Поверхности разрушения, возникшие в процессе растяжения плоских образцов, были исследованы на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EVO50 XVP.
На основании проведенных структурных исследований установлено, что в композите, полученном из разнотолщинных пластин, швы № 1, № 2 и № 3 имеют форму волн с различными геометрическими параметрами (рис. 2). Шов № 4 выглядит в виде узкой полосы расплавленного материала. Процесс рекристаллизации интенсивно развивается в первом шве, что свидетельствует о высокой температуре в зоне соединения первой и второй пластин.
Во втором композите признаки пластической деформации титановых пластин проявляются менее четко (рис. 3). Длина и амплитуда волн имеют отно-
Рис. 3. Строение пятислойного композита «ВТ1-0 - ВТ1-0» из титановых пластин толщиной 0,2 мм
сительно малые значения. Вдоль границ раздела пластин признаки процесса рекристаллизации, а также зоны расплавленного материала не зафиксированы. Это свидетельствует о том, что при сварке взрывом второго композита температура нагрева была меньше, чем при формировании первого.
Анализ результатов структурных исследований, выполненных с применением электронной микроскопии, свидетельствует об образовании в пластинах титана множества двойников деформационного происхождения (рис. 4, а, б). Толщина двойников составляет примерно 100.. .500 нм.
Результаты прочностных испытаний пятислойных композитов после дополнительной термической обработки представлены на рис. 5. Экспериментально установлено, что композит № 1 имеет более высокий уровень предела прочности по сравнению с композитом № 2. При повышении температуры нагрева предел прочности первого композита снижается от ~ 670 МПа до ~ 450 МПа. Соответственно снижается и предел текучести исследуемых образцов. Процессы термического разупрочнения обусловлены изменением дислокационной структуры и развитием рекристаллизационных процессов в титане.
а б
Рис. 4. Структура двойникованного титана в околошовной зоне, сформированной в условиях сварки взрывом
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
о о. С
800
600
400
200
\
V >
C0,2
Композит №1
Композит №2
Э 200 400 600 800 Температура нагрева, "С
Рис. 5. Зависимость прочностных свойств многослойных сварных композиций «титан ВТ1-0 -титан ВТ 1-0» от температуры нагрева
На поверхностях изломов, образованных в процессе растяжения многослойных композитов, четко проявляются сварные швы (рис. 6, а, б). В сварных швах наблюдаются признаки как хрупкого, так и вязкого разрушения. Хрупкое разрушение реализуется в зонах расправленного материала. В зонах рекристаллизации титана проявляется вязкий механизм разрушения. Чашки, характерные для этого вида разрушения, наблюдаются также и в центре пластин основного материала. Следует отметить, что размер чашек в центре пластин основного материала гораздо больше, чем в зоне рекристаллизации. Чашки, возникшие при вязком разрушении композитов, состоящих из разнотолщинных пластин, также отличаются. Объясняется это тем, что титановые пластины в исходном состоянии имели разные размеры зерен.
ВЫВОДЫ
Сварка взрывом позволяет сформировать высококачественные многослойные композиты типа «ВТ1-0 - ВТ 1-0» с пределом прочности ~ 670 МПа. Дополнительный нагрев образцов до 700 °С приводит к снижению предела прочности многослойных материалов примерно на 200 МПа.
В процессе динамического взаимодействия титановых пластин интенсифицируется механизм пластического течения, основанный на механическом двойниковании. Толщина образующихся двойников составляет ~ 100.. .500 нм.
Поверхности разрушения, образующиеся в условиях пластического разрушения пятислойных ком-
б
Рис. 6. Поверхности изломов, разрушенных в процессе растяжения образцов
позитов, преимущественно характеризуются проявлением вязкого механизма разрушения. Признаки хрупкого разрушения проявляются в сварных швах в зонах оплавления металла.
Список литературы
1. Peculiarities of weld seams and adjacent zones structures formed in process of explosive welding of sheet steel plates / I.A. Bataev, A.A. Bataev, V.I. Mali, M.A. Esikov, V. A. Bataev // Materials Science Forum. - 2011. - Vol. 673. -P. 95-100.
2. Батаев И.А., Павлюкова Д.В., Журавина Т.В., Макарова Е.Б. ТерентьевД.С. Формирование сваркой взрывом слоистых композиционных материалов из разнородных сталей. - Обработка металлов. - № 1(46). - 2010. -С. 6-8.
3. Батаев И.А. Особенности строения вихрей, формируемых при сварке взрывом стальных пластин / И. А. Батаев, В.И. Мали, М.А. Есиков // Известия вузов. Черная металлургия. - 2011. - № 2. - С. 68-69.
Structure and mechanical properties of layered composite materials, consisting of pure titanium
V.I. Mali, I.A. Balaganskii, E.B. Makarova, A.I. Smirnov, I.A. Bataev, T.V. Zhuravina
Structure and mechanical properties of titanium multilayer composite after explosive welding were studied. Peculiarities of fracture and deformation were describer. The effect of heat treatment on mechanical properties of layered composite material was identified.
Key words: titanium, explosive welding, composite material, structure, strength properties.
