ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 4, с. 388-399
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.3294:621.791.12:539.25
РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ПРИ СВАРКЕ ВЗРЫВОМ:
ВСПЛЕСКИ И ВОЛНЫ
© 2015 г. Б. А. Гринберг*, М. А. Иванов**, А. В. Иноземцев*, С. В. Кузьмин***,
В. И. Лысак***, А. М. Власова*, **** *Институт физики металлов УрО РАН 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова, НАНУкраины, бульв. акад. Вернадского 36, 03680ГСП, Киев-142 ***Волгоградский государственный технический университет, 400005 Волгоград, пр. Ленина 28 ****Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина,
620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19
e-mail: bella@imp.uran.ru Поступила в редакцию 11.07.2014 г.; в окончательном варианте — 10.11.2014 г.
Исследуется характер рельефа поверхности раздела для соединений медь—тантал, алюминий—тантал, магний-титан при разных режимах сварки взрывом: на нижней границе, ниже нижней границы, выше нижней границы свариваемости. Впервые было обнаружено, что выступы на плоской поверхности раздела имеют форму всплесков. Такая форма является необычной, если учесть, что выступы образованы твердой фазой, которая не испытывала расплавления. При переходе к области ниже нижней границы число всплесков уменьшается и их оказывается недостаточно для обеспечения свариваемости. При переходе к области несколько выше нижней границы поверхность раздела становится квазиволнообразной и неоднородной. При этом, кроме волнообразной поверхности, в отдельных местах наблюдаются также и всплески. Одновременное наблюдение всплесков и волн получено впервые. Предлагаются модели, описывающие возможные варианты их взаимосвязи.
Ключевые слова: сварка взрывом, поверхность раздела, выступы, всплески, волны, нижняя граница свариваемости.
БО1: 10.7868/80015323015040075
В наших предыдущих работах было показано, что два процесса — образование выступов и образование зон локального расплавления — определяют рельеф поверхности раздела при сварке взрывом [1, 2]. При этом весьма важную роль в формировании структуры вблизи поверхности раздела играет фрагментация, наблюдаемая при сварке взрывом и названная фрагментацией типа дробления (ФТД) [3—5]. Такая фрагментация является аналогом фрагментации, которая происходит при обычных взрывах, но в данном случае она происходит в стесненных условиях и при наличии преград. Для частиц (осколков), вылетающих при сварке взрывом из одной пластины, такими преградами, которые их останавливают, будут служить как вторая пластина, так и остающаяся основная масса исходной пластины. При этом можно полагать, что разлет твердых частиц фазы, не испытывающей расплавления, будет инициировать локальное расплавление более легкоплавкого материала вблизи границы раздела. Это связано с тем, что благодаря большой суммарной площади частиц эффективное трение между частицами и преградой может вызвать локальный
разогрев, достаточный для расплавления. Возможен следующий сценарий: взрыв, образование частиц, локальный разлет частиц (осколков), взаимодействие частиц с преградой, локальное расплавление, сохранение фрагментированного слоя неразлетевшихся частиц [6].
Возникающая при этом зона локального расплавления заполнена либо истинным раствором, либо для несмешивающихся фаз — коллоидным раствором [7]. Для коллоидного раствора типа эмульсии существует опасность расслоения. Но суспензия, напротив, обеспечивает дисперсионное упрочнение зон локального расплавления. Поверхность раздела медь—тантал внутри стенки химического реактора заполнена капсулами, вначале расплавленными, затем застывшими. Именно поэтому указанный реактор обнаруживает удивительную стабильность при жестких условиях эксплуатации [8].
В отсутствие выступов на продольных сечениях выше поверхности раздела наблюдался бы один металл, а ниже — другой, так что СЭМ-изображения были бы одноцветными. При наличии
выступов в результате их пересечения плоскостью продольного сечения наблюдались бы одновременно области, содержащие разные металлы, так что изображение было бы двуцветным. Однако, как видно из рис. 1, наблюдаются не две, а три области [9]. Исследование их внутренней структуры показало, что две из них (белая и черная) заполнены исходными металлами (практически без изменения состава), а третья, серая, — смесью металлов. Поэтому СЭМ-изображения продольного сечения являются трехцветными, причем серая зона соответствует расплавленной, а затем застывшей области. На самом деле, для узкой границы приходится использовать наклонные сечения, так что на рис. 1а слева видна белая зона тантала, справа — меди. В результате поверхность раздела представляет собой хаотический рельеф с большим числом выступов и впадин. Трехцветное СЭМ-изображение продольного сечения переходной зоны можно считать прямым доказательством существования выступов.
Геометрия выступов указывает на то, что они образованы металлом, обладающим в исследуемой паре наибольшей твердостью. В данном случае это тантал. Как показал СЭМ-анализ химического состава, выступы практически не содержат второго металла независимо от того, существует ли взаимная растворимость. На самом деле в случае выступов речь идет не о перемешивании, а о взаимопроникновении материалов. Отсутствие перемешивания отчетливо видно для выступов тантала на плоской границе, которым соответствуют белые пятна на изображении продольного сечения (рис. 1), тогда как перемешивание приводит к изменению цвета пятен в зонах локального расплавления. Отсутствие перемешивания внутри выступов обусловлено тем, что из-за быстротечности соударения диффузия в твердой фазе практически исключена.
На рис. 1 видно вытягивание пятен вдоль некоторых выделенных направлений, чему соответствует выстраивание выступов в ряды. Однако неизвестно, является ли это случайным, либо, напротив, соответствует вытягиванию при интенсификации режима гребней волнообразной поверхности вдоль линии пересечения плоскостей метаемой и неподвижной пластин. Простейшее предположение состоит в том, что выступы имеют форму конуса либо с острой, либо со сглаженной вершиной, причем расположены они перпендикулярно поверхности. Однако наблюдаемые на рис. 1 белые острова тантала имеют неправильные очертания и не могут соответствовать продольным сечениям конуса.
Далее исследуется рельеф плоской поверхности раздела на нижней границе свариваемости (НГ), а также эволюция рельефа как ниже НГ, так и выше нее.
9
(б)
Рис. 1. Соединение (Ср) медь—тантал, продольное сечение: белый цвет — тантал, черный — медь, серый — смесь двух металлов (тантала и расплавленной, а затем застывшей меди).
Возникает целый круг вопросов, рассмотрению которых посвящена настоящая работа:
• какую форму имеют выступы на плоской границе раздела;
• какой рельеф имеет поверхность исходных металлов ниже НГ;
• какой рельеф имеет поверхность раздела вблизи НГ, но несколько выше нее.
• какова эволюция рельефа поверхности раздела при последующей интенсификации режима сварки.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Сварку выполняли при разных схемах и параметрах. Использовалось параллельное расположение пластин. Неподвижная пластина распола-
галась на металлической подложке. Сварку взрывом проводили Волгоградский государственный технический университет, ОАО Уральский завод химического машиностроения (Екатеринбург). В качестве основных исходных материалов выбраны медь и тантал, не имеющие взаимной растворимости. Были исследованы соединения (Cp), (Cw). Обозначения соединений было введено ранее [6, 9, 10]: нижний индекс соответствует форме границы — плоская (plain), волнообразная (wave). Соединение (Cp) получено вблизи НГ, соединение (Cw) — внутри окна свариваемости. Кроме того, проводилась сварка при параметрах ниже НГ. При этом сварного соединения, как и следовало ожидать, не получилось. Такой режим условно обозначим как (Cpj,). При альтернативном изменении параметров, а именно несколько выше НГ, получаем волнообразную границу, но в отличие от (Cw), чрезвычайно неоднородную. Для удобства используем обозначение (Cw¿).
Ограничимся тем, что приведем здесь лишь основные параметры сварки медь-тантал:
(Cp) у = 5.22°, Ук = 2680 м/с, Vc = 234 м/с ("Химмаш");
(Cw) у = 11.8°, Ук = 2125, Vc = 440 м/с (ВолгГТУ);
(Cp¿) Y = 3.8°, Ук = 2523 м/с, Vc = 170 м/с ("Химмаш");
(CU) Y = 8.6°, Ук = 2000 м/с, Vc = 300 м/с (ВолгГТУ).
Кроме того, для сравнения исследовали соединения следующих материалов: алюминий и тантал, имеющих взаимную растворимость [11, 12], а также магний и титан, имеющих ограниченную растворимость. Для алюминий-тантал использовали соединения (Ep), полученные на НГ, и Ep¿ — ниже НГ. Для магний—титан — только соединение (Gp), полученное на НГ. Приведем параметры сварки:
(Ep) y = 8.6°, V = 2000 м/с, Vc = 300 м/с ("Химмаш");
(Ep) y = 5.5°, V = 2450 м/с, Vc = 234 м/с ("Химмаш");
(Gp) y = 21.5°, V = 2000 м/с, Vc = 740 м/с (ВолгГТУ).
Металлографический анализ проводили на оптическом микроскопе Epiquant, снабженном вычислительным комплексом SIAMS. Исследование микроструктуры выполнено с помощью просвечивающих электронных микроскопов JEM 200CX и СМ-30 Super Twin, сканирующих электронных микроскопов Quanta 200 3D и Quanta 600 (максимальное разрешение порядка 2 нм), а также ионной пушки Fashione 1010 ION MILL.
Одновременное использование соединений, имеющих как плоскую, так и волнообразную границы, для одной и той же пары разнородных материалов является чрезвычайно редким. Однако для дальнейшего анализа такое сопоставление оказалось целесообразным. Ввиду большого объема экспериментальной информации далее приведены только ключевые изображения микроструктур. Совокупность полученных экспериментальных данных положена в основу новых представлений о формировании поверхности раздела.
РЕЛЬЕФ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА
Нижняя граница области сварки важна как для практических расчетов режимов сварки, так и для понимания процессов, определяющих возможность образования сварного соединения. Режимы сварки вблизи НГ характеризуются минимальными скоростями соударения, об
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.