1. Обзор литературных источников и патентов
Применение слоистых композитов из разнородных металлов в узлах конструкций, испытывающих действие повышенных нагрузок, температур и агрессивных сред, повышает их эксплуатационные характеристики. Областью рационального применения композитов медь+сталь может служить электрометаллургия, где в электроплавильных агрегатах эффективны композиты, сочетающие электро- и теплопроводность меди с прочностью стали. [1] Требуемые служебные показатели обеспечиваются созданием улучшенного комплекса физико-механических свойств композитов, которыми может не обладать каждый материал в отдельности. Свойства слоистых композитов, в свою очередь, определяются характером и закономерностями формирования структуры металлов, особенно в зоне их соединения[2]. Детали металлургического оборудования, например, кристаллизаторы, работают в тяжелых эксплуатационных условиях поэтому существенное влияние на их долговечность оказывает как применяемые сварочные материалы так и технология сварки. Одним из факторов низкой работоспособности разнородных деталей соединенных сваркой деталей является трещинообразование по сварному шву медь-сталь. Одним из путей повышения качества изготовления металлургического оборудования является совершенствование сварочных технологий для соединения разнородных металлов, таких как медь - сталь. Характерный дефект при сварке плавлением меди со сталью – это образование в стали под слоем меди трещин, заполненных медью или ее сплавами. Такой дефект образуется при расклинивающем действием жидкой меди, которая проникает в микродефекты в стали по границам зерен при одновременном действии термических напряжений растяжения. Затруднения при сварке и наплавке меди на сталь связаны с ее физико-химическими свойствами, высоким сродством меди к кислороду, низкой температурой плавления меди, значительным поглощением жидкой медью газов, различными величинами коэффициентов теплопроводности, линейного расширения и т.д. Одним из возможных методов получения многослойных металлических композитов может служить накопительная пакетная прокатка с соединением слоев. Этот метод является одним из разновидностей процессов интенсивной пластической деформации (ИПД), которые в настоящее время широко используются для создания материалов с микро и нанокристаллической структурой, обладающих уникальным комплексом физико-механических свойств.
Однако для разнородных металлов и сплавов осуществление процесса соединения слоев представляет сложную технологическую задачу. В связи с этим для получения разнородных металлических композитов может быть использована технология сварки взрывом. Данный процесс обработки материалов характеризуется предельно высокими значениями таких технологических параметров как скорость соударения, давление при соударении, продолжительность процесса соединения металлов и др.
По совокупности значений технологических параметров сварка взрывом сравнима по своему воздействию с процессами ИПД и может обеспечить уже на предварительной стадии обработки измельчение структуры и упрочнение металла заготовок. Дополнительное упрочнение сварного композита за счет измельчения структурных элементов в металлических слоях возможно путем последующей холодной прокатки.
1.1 Повышение механических свойств сварного соединения меди со сталью путем прокатки после сварки плавлением
Для улучшения механических свойств сварного соединения меди и стали применяется проковка сварного шва, разрушающая прослойки хрупкой эвтектики и образующая новые поверхности спайности между соседними кристаллитами.
В [3] исследованы режимы сварки плавлением и статические характеристики сварочной дуги. На (рис.1) приведены статические характеристики сварочной дуги при использовании гелия и аргона.
Рис.1- Статические характеристики сварочной дуги при сварке меди и стали
Прокатка выполнялась в двух режимах:
-прокатывание усиления сварного шва по высоте на 10-15%:
- прокатывание усиления сварного шва по высоте на 100%.
Процесс проведения прокатки сварного шва показал необходимость выполнения математического моделирования энергосиловых параметров прокатки. С целью обеспечения максимальной степени унификации используемых методов расчета, в основу математических моделей напряженно-деформированного состояния при реализации процессов холодной прокатки сварных швов меди со сталью, необходимо положить численные рекуррентные решения конечно – разностной формы условий статического равновесия, выделенных элементарных объемов очага деформации меди и стали.
Структура данных математических моделей, являющихся по своей сути одномерными по деформированному и двухмерными по напряженному состояниям, позволит в полной мере учесть реальный характер распределений всех рассмотренных выше граничных условий при одновременном обеспечении возможности получения значительного объема самой различной информации.
Раскатанное усиление сварного шва не влияет на эксплуатационные свойства сварного соединения. Применение прокатки сварного шва повышает значения механических свойств сварного соединения, что подтверждается проведенными механическими испытаниями образцов, вырезанных из сварного шва. Прокатка сварного шва на 10% его высоты не приводит к значительное повышению механических свойств сварного соединения, например предела прочности на растяжение и только полная прокатка сварного шва на 80-100% приводит к значительному повышению предела прочности на растяжение более чем на 20%.
Исследования по повышению механической прочности сварного соединения меди со сталью показывают, что пластическая деформация усиления сварного шва приводит к повышению предела прочности на растяжение. А также показана необходимость выполнения математического моделирования энергосиловых параметров прокатки с целью определения оптимальных режимов пластического деформирования сварного шва меди со сталью. Моделирование состава сварочных материалов для сварки меди со сталью позволило достичь оптимальных режимов сварки и получение бездефектных сварных соединений.
1.2 Прочность и разрушение металлического композита на основе меди М1 и стали 20
В [4] изучали структуру и свойства сваренного взрывом биметалла сталь 20+медь М1
Результаты испытаний образцов на растяжение показали, что исходные листовые заготовки стали 20 (толщиной h=5 мм) и меди марки М1 (толщиной h=2 мм) характеризуются следующими значениями механических свойств: - сталь 20 – ?В=495 МПа, ?0,2=360 МПа, ?=35%, ?=49%; - медь М1 – ?В=240 МПа, ?0,2=110 МПа, ?=56%, ?=68%.
Свойства трехслойного сварного композита близки к свойствам центрального слоя стали 20: - ?В=440 МПа, ?0,2=385 МПа, ?=42%, ?=49%. Холодная прокатка сварного композита с обжатием 50% приводит к росту прочностных свойств до уровня (?В=530 МПа, ?0,2=500 МПа) при существенном снижении относительного удлинения и соизмеримой величине относительного сужения (?=7%, ?=57%).
Полученные данные свидетельствуют о том, что композит обладает улучшенным комплексом механических свойств по сравнению с исходными материалами: прочностные свойства композита близки по величине более прочному исходному материалу (стали), а пластические свойства сохраняются на достаточно высоком уровне.
Микрофотографии шлифов сварного шва медь М1+сталь 20 свидетельствуют о том, что в результате сварки взрывом образовалось неразъемное сварное соединение, граница которого имеет характерное «волнообразное» строение. Волнообразный характер поверхности сварного шва повышает прочность соединения слоев разнородных металлов.
Медь М1 в исходном состоянии содержит зерна ?-фазы размером 10-100 мкм с выраженными двойниками. После образования композита сваркой взрывом структура меди практически не меняется, но размер зерна уменьшается до 5-50 мкм. Последующая холодная прокатка также не оказывает существенного влияния на структуру слоев меди. Структура стали 20 в сварном композите представляет собой феррит и мелкопластинчатый перлит при среднем размере зерна в пределах 10-70 мкм.
Холодная прокатка композита приводит к более заметному измельчению структуры слоя стали 20. При этом перлитные колонии сильно искривляются. Деформация холодной прокаткой с обжатием 50% приводит к нарушению сплошности стали 20 и образованию микротрещин расслоения. Причиной появления последних, по-видимому, следует считать наличие в стали значительной доли неметаллических включений различного рода.
Рис. 2. Зона соединения стали 20 (верх) и меди М1 (низ) после сварки взрывом.
Таким образом, процесс деформационного упрочнения композита при сварке взрывом и последующей холодной прокатки в медных и стальных слоях развивается неравномерно: более высокая интенсивность деформационного упрочнения характерна для центрального слоя стали 20. Накопление поврежденности в слое стали 20 в виде трещин расслоения при высоких степенях деформации свидетельствует об ограниченном резерве деформационного упрочнения композита при комнатной температуре.
С использованием комбинированной технологии, включающей сварку взрывом и последующую холодную прокатку, получили трехслойный металлический композит медь М1-сталь 20-медь М1», обладающий более высоким комплексом механических свойств по сравнению с исходными материалами.
Процесс деформационного упрочнения композита при сварке взрывом и последующей холодной прокатки в медных и стальных слоях развивается неравномерно: более высокая интенсивность деформационного упрочнения характерна для центрального слоя стали 20.
Накопление поврежденности в слое стали 20 в виде трещин расслоения при высоких степенях деформации свидетельствует об ограниченном резерве деформационного упрочнения композита при комнатной температуре.
1.3 Расчет энергосиловых параметров прокатки сварного шва меди со сталью.
При сварке стали с медью в равновесном состоянии при комнатной температуре медь растворяется в ?-Fe в количестве до 0,3 %, а железо в меди в количестве до 0,2 %, хрупких интерметаллидов не образуется. Однако в связи с большими скоростями охлаждения при сварке в переходном слое образуется пересыщенный твердый раствор меди с железом, Граница сплавления между сталью и медью – резкая, с включениями фазы, обогащенной железом различного размера. Со стороны стали, примыкающей ко шву, размер зерна увеличивается в пределах зоны шириной 1,5-2,5 мм. Микротвердость зоны сплавления достигает 5800-6200 HV.
Затруднения при сварке и наплавке меди на сталь связаны с ее физико-химическими свойствами, высоким сродством меди к кислороду, низкой температурой плавления меди, значительным поглощением жидкой медью газов, различными величинами коэффициентов теплопроводности, линейного расширения и т.д. Одним из основных возможных дефектов при сварке, следует считать образование в стали под слоем меди трещин, заполненных медью или ее сплавами. Указанное явление объясняют расклинивающим действием жидкой меди, проникающей в микронадрывы в стали по границам зерен при одновременном действии термических напряжений растяжения.
В [5] с целью совершенствования технологии сварки меди со сталью выполнена прокатка сварного шва с учетом того, что при прокатке сварного шва улучшаются механические свойства сварного соединения за счет разрушения прослоек хрупких эвтектик в результате сдвигов зерен. Надо отметить, что энергосиловые параметры прокатки стали и меди сильно отличаются друг от друга, поэтому проведенные исследования были направлены на создание математических моделей прокатки сварного шва меди со сталью.
Структура данных математических моделей, являющихся по своей сути одномерными по деформированному и двухмерными по напряженному состояниям, позволила в полной мере учесть реальный характер распределений всех рассмотренных выше граничных условий при одновременном обеспечении возможности получения значительного объема самой различной информации.
Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния металла при деформации участка сварного шва на входе в очаг деформации, где с учетом его реальных геометрических размеров отношение b/hсрd ? 2,5. Было проведено исследование с использованием численных интерпретаций метода полей линий скольжения, который позволяет учесть двухмерный характер пластической деформации металла и влияние внешних зон. Дополнительно в этом случае принимались обычные для используемого метода допущения. В случае же сечений, близких к выходу из валков, то есть при b/hср> 2,5 и, как следствие, при доминирующем влиянии сил внешнего трения на контактных поверхностях рабочих валков, анализ напряженно-деформированного состояния производили на основе численного рекуррентного решения конечно-разностной формы условия статического равновесия выделенного элементарного объема очага деформации.
Отмеченное позволило учесть реальный характер распределений геометрических параметров, механических свойств и условий контактного трения как по длине, так и по ширине зоны пластического формоизменения металла сварного шва. Учет сдерживающего влияния предыдущего i-1 сечения на течение металла в i-м сечении осуществляли при определении силы прокатки путем прибавления величины K?Fi , где K – сопротивление чистому сдвигу материала шва, Fi – площадь i-го сечения. Определение для материала сварного шва величины K= 0,575?s , где ?s – сопротивление деформации, определяемое в функции величины относительного обжатия е, было затруднено отсутствием соответствующих данных. Для оценки зависимости ?s = f(?) было принято допущение о подобии кривых изменения микротвердости и сопротивления деформации в зависимости от величины ?. Затем измеряли микротвердость по длине недоката сварного шва и фактический предел текучести материала шва до и после деформации путем испытания на растяжение, после чего аппроксимировали функцию ?s = f(?) по длине очага деформации с учетом результатов измерений микротвердости (рис. 3), и затем определяли величину К в каждом исследуемом сечении.
.
Рис.3 - . Кривые деформационного упрочнения для материала сварного шва
Непосредственно расчет нормальных контактных напряжений рх и последующую интегральную оценку силы прокатки проводили по традиционному методу полей линий скольжения. Расчет вели для диаметров валков 100мм и 105мм, соответствующих лабораторным станам 100?100 и 105/260?250 ДГМА. Результаты распределений нормальных контактных напряжений рх по длине очага деформации приведены на (рис. 4).
Рис.4- Распределение нормальных контактных напряжений рх по длине очага деформации
Расчетная сила прокатки не превысила 20 кН, что позволило выбрать для проведения экспериментов лабораторный стан 100?100 с максимальной силой прокатки 40 кН.
Таким образом, усовершенствована технология сварки меди со сталью. Разработана математическая модель влияния энергосиловых параметров прокатки сварного шва на качество сварного соединения. Выполнены расчеты распределения нормальных контактных напряжений по длине очага деформации при прокатывании сварного шва.
1.4 Механические свойства и характер разрушения биметалла медь М1- сталь 09Г2С», полученного сваркой взрывом
В [6] для получения биметалла использовали металлические листы из конструкционной низколегированной стали 09Г2С и меди марки М1. Химический состав исходных материалов приведен в табл. 1 и 2. Сталь 09Г2С применяется при производстве металлопроката для различных деталей и элементов сварных металлоконструкций, работающих при температуре от –70 до +425 °С под давлением. Медь М1 обладает высокими антикоррозийными свойствами как при нормальных атмосферных условиях, так в пресной и морской воде и других агрессивных средах. Выбор материалов для исследования обусловлен их широким применением в промышленности, а также данное (их) сочетание перспективно для применения в судостроение, машиностроение, в качестве материала для арматуры, теплообменных аппаратов и др. Лист «медь М1 – сталь 09Г2С» толщиной 6 мм был изготовлен методом сварки взрывом из листов толщиной 2 мм (медь М1) и 4 мм (сталь 09Г2С). Сварка взрывом осуществлена по оптимальной технологии, обеспечивающей отсутствие дефектов в виде вмятин, расслоений и нарушений геометрической формы.
Таблица 1 - Химический состав в % меди М1, содержание элементов в %
Fe Ni S As Pb Sb Bi Sn Ag Cu
0.002
0.0014
0.004
0.002
0.002
0.0012
0.001
0.002
0.002
99.9
Таблица 2 - Химический состав стали 09Г2С, содержание элементов в %
C Si Mn P S Cr Ni Cu Co
0.116 0.69 1.48 0.019 0.01 0.058
0.032
0.059 0.0079
В результате сварки взрывом биметалл медь М1 – сталь 09Г2С представляет собой неразъемное сварное соединение, граница которого имеет характерное «волнообразное» строение (рис. 5). В различных моделях, описывающих среду как несжимаемую жидкость, волнообразование, согласно общепринятой точке зрения, связано с разными формами гидродинамической неустойчивости. Данные по распределению меди и железа (рис. 6), полученные на сканирующем электронном микроскопе Tescan VEGA II XMU, свидетельствуют о малой протяженности диффузионной зоны на границе сварного шва и наличии области резкого концентрационного перехода. В результате испытаний на растяжение плоских образцов, вырезанных из исходных заготовок стали 09Г2С, меди М1 и листа медь М1 – сталь 09Г2С вдоль сварного шва, получены кривые сопротивления деформации (рис. 7) и основные механические характеристики материалов (табл. 3).
Рис. 5. Общий вид волнового профиля на границы раздела в биметалле «медь М1 – сталь 09Г2С»
Рис. 6. Распределение химических элементов по поперечному сечению шва
Рис. 7. Кривые сопротивления деформации материалов в исходном состоянии и биметалла после сварки взрывом: а – начальный участок, б – полная диаграмма деформации
Таблица 3 – Механические свойства материалов
Образец ? 0,2,МПа ?в, МПа ?, % ?,%
Медь М1 100 235 53 47
Сталь 09Г2С 380 505 38 45
«Медь М1 – сталь 09Г2С 460 475 14 36
Обозначения: ?0,2 – условный предел текучести; ?В – предел прочности; ? – относительное удлинение после разрыва; ? – относительное сужение после разрыва.
Важными составляющими конструкционной прочности являются прочностные (условный предел текучести, предел прочности) и пластические (относительное удлинение и сужение после разрыва) характеристики. Установлено, что полученный композит имеет значение условного предела текучести на 80 МПа выше по сравнению с наиболее прочным материалом соединения – сталью 09Г2С. В то же время предел прочности композита на 30 МПа ниже, чем предел прочности стали 09Г2С. Пластические свойства для биметалла значительно ниже, чем пластические свойства исходных материалов. Аналогичные закономерности по механическим свойствам были получены в работе. Данный факт объясняется тем, что в процессе сварки взрывом в биметаллическом образце образуется упрочненный слой, что подтверждается данными распределения микротвердости на рис. 8 . Слой включает в себя непосредственно сварной шов и прилегающие к нему зоны, ресурс пластичности которых уже частично исчерпан в процессе образования сварного соединения. Стоит заметить, что относительное удлинение 14 % для конструкционного материала это очень хорошо. Например, для авиационых конструкционных материалов удлинение должно быть не менее 5 %. Таким образом, прочностные характеристики композита находятся на уровне самой прочной составляющей в композите. По пластическим характеристикам композит медь М1 – сталь 09Г2С уступает его составляющим. Для определения микротвердости упрочненного слоя в области сварного шва использовали данные, полученные при индентировании с максимальной нагрузкой 500 мН и шагом индентирования 0,1 мм, что обеспечивало отсутствие влияния соседних уколов индентора на результаты испытаний. Измерения проводились в направлении, перпендикулярном сварному шву вдоль линий сканирования по поперечному сечению образца. Ширина области измерений составляла 6 мм. По результатам испытаний было построено поле распределения микротвердости в поперечном сечении биметаллической полосы в области сварного шва и примыкающих к нему участков каждого из слоев (рис. 8). Значительный объем экспериментальных данных позволил определить размеры околошовной зоны, в которой механические свойства отличаются от свойств металлов слоев композита, а также оценить степень их деформационного упрочнения.
Рис. 8. Карта распределения микротвердости в области сварного шва по поперечному сечению биметаллической полосы медь М1 – сталь 09Г2С (черными линиями указаны границы околошовной зоны)
Распределение микротвердости для биметалла после сварки взрывом выявило неравномерное упрочнение материалов в области сварного шва (рис. 4).
Так микротвердость участков сталей 09Г2С и меди М1, находящихся вдали от околошовной зоны, составляет 3–4 ГПа и 1–2 ГПа соответственно.
В слое из стали 09Г2С наблюдается понижение микротвердости в направлении от сварного шва к краю биметалла, что скорее всего обусловлено механическими свойствами исходного листа, примененного для изготовления биметалла. В интенсивно деформированной области стали 09Г2С, прилегающей к сварному шву, наблюдается увеличение уровня микротвердости до 6 ГПа. Микротвердость сварного шва варьируется от 2 ГПа на границе с медью до 6 ГПа на локальных участках в центральной области шва. Столь высокие значения микротвердости являются следствием интенсивной локальной пластической деформации происходящей во время взрывного сваривания.
Детальное исследование сварного шва было проведено с использованием электронносканирующего микроскопа. Было выявлено большое количество зон интенсивного перемешивания меди с железом (рис.9).
Рис. 9. Зоны сварного шва биметалла «медь М1 – сталь 09Г2С»: а–в – участки перемешивания меди с железом; г – химический анализ зоны, приведенной на рис. 9в
Перемешивание происходит в результате прохождения взрывной волны за счет большой пластической деформации, трения поверхностей, направления и скорости кумулятивной струи и других факторов. Для такого перемешивания использовали термин фрагментация типа дробления (ФТД). ФТД представляет собой процесс разделения на частицы, которые либо разлетаются, либо стыкуются друг с другом. ФТД представляет собой быстротечный процесс, который успевает произойти за время взрыва. В области ФТД вылетают частицы произвольной формы, при этом остается фрагментированный слой, прилегающий к границе соединения. Данный факт особенно хорошо виден на рис. 9 г, где субмикронные частицы железа произвольной формы обнаруживаются в соседних областях меди. Температура в зоне контакта при сварке взрывом может быть достаточно высокой, но при столь быстротечном воздействии протекание термоактивированных процессов не представляется возможным. Можно полагать, что эти процессы, как и диффузия, становятся возможными лишь при остаточных температурах и напряжениях, и вероятнее всего определяют наличие на сварной границе фрагментов узкой зоны оплавления (рис. 10 а, б). Исследование микротвердости фрагментированных областей, прилегающих к границе (рис. 10 в, г) выявило пониженную микротвердость по сравнению со сталью 09Г2С и медью М1. Так при нагружении глубина внедрения для зоны перемешивания больше, чем для меди М1 и стали 09Г2С (рис. 10 г), в соответствии с чем микротвердость этой зоны ниже, чем для твердость данных материалов, однако не на много отличается от твердости меди М1.
Рис. 10. Зоны сварного шва биметалла «медь М1 – сталь 09Г2С»: а, б – участки оплавления; в – отпечаток в области интенсивного перемешивания железа с медью; г – кривые нагружения
Микрофрактографический анализ поверхностей излома на образцах биметалла «медь М1 – сталь 09Г2С» после растяжения при комнатной температуре (рис.11 а) показал, что разрушения слоя стали 09Г2С в сварном композите носит вязкий ямочный характер (рис. 11 б). Помимо этого в стальном слое наблюдаются продольные участки микрорасслоения, сформированные в процессе изготовления исходного листа стали 09Г2С методом прокатки (рис. 11 а). В меди разрушение путем отрыва формирует почти бесструктурные участки рельефа, но с хорошо выраженными вязкими ямками (рис. 11 б). Заметное скопление ямок наблюдается на границе сварного шва, что свидетельствует о повышении энергоемкости процесса разрушения на этом участке (рис. 11 г).
а
Рис.11. Микростроение поверхности разрушения слоев в разрывном образце «медь М1 – сталь 09Г2С»: а – общий вид разрывного образца; б – слой стали 09Г2С; в–г – зона сварного шва биметалла «медь М1 – сталь 09Г2С»; д – рост трещины в сталь 09Г2С перпендикулярно сварному шва биметалла «медь М1 – сталь 09Г2С»