CC BY
35
УДК 621.7.044.2
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-784-786
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОТОКА ЧАСТИЦ
© Е.В. Петров, В.С. Трофимов, А.С. Щукин
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
Исследованы фазовые превращения в поверхностном слое стальной преграды после воздействия высокоскоростного потока частиц. В результате соударения формируется поверхностный слой из частиц вольфрама, представляющий собой композиционный материал, состоящий из вольфрама, железа и их интерметаллидного соединения.
Ключевые слова: ударная волна; поток частиц; фазовые превращения.
Процессы упрочнения материалов, обработанных высокоскоростным потоком частиц, происходят, в основном, в приповерхностной зоне. Соударение потока частиц с металлической преградой приводит к остановке большей их части в приповерхностной зоне и образованию на поверхности преграды структуры из кратеров и покрытия из остановившихся частиц. Наблюдаемое в экспериментах проникание отдельных частиц в металлическую преграду на глубину, не превышающую десяти их исходных диаметров, можно объяснить в рамках гидродинамической теории, в которой преграда рассматривается как несжимаемая жидкость.
При размерах частиц порядка 8-100 мкм, разогнанных энергией взрыва до скоростей в пределах 10003000 м/с, наблюдается их проникание в преграду на глубину, превышающую размер исходных частиц в сотни раз, и воздействуя при этом на структуру материала преграды. Данное явление было обнаружено при проведении опытов по упрочнению металлов с помощью взрывного воздействия [1-2]. Природа данного явления не установлена, но его можно использовать в технологических процессах, в частности, для упрочнения металлических материалов уже сейчас.
В качестве стальной преграды выбраны образцы из конструкционной стали марки Ст3 диаметром 20 мм и высотой 30 мм, форма образцов обуславливалась удобством проведения экспериментов. В качестве материала порошка выступал порошок вольфрама, с размером частиц 10-16 мкм.
Схема эксперимента была следующей (рис. 1): образец (7) помещался в направляющий канал (4), сверху которого располагалось кольцо (5) с порошком вольфрама (6) насыпной плотностью массой 3 г. На кольцо устанавливался заряд взрывчатого вещества (ВВ) (2) с детонатором (1), в качестве которого использовался гексоген насыпной плотности. Между порошком вольфрама и зарядом ВВ оставлялся воздушный зазор (3), который способствует формированию прямоугольного фронта ударной волны. Соотношение длины и диаметра заряда ВВ равнялось 2,85, что отвечает усло-
вию реализации стационарной детонационной волны [3] и стабильному формированию потока частиц.
При детонации ударная волна и продукты взрыва разгоняли порошок и вместе с ним воздействовали на исследуемый образец.
При исследовании поперечного сечения поверхности стальных преград с помощью электронного микроскопа было показано, что после воздействия потока частиц вольфрама на поверхности происходит формирование покрытия и образование переходной зоны (рис. 2).
Толщина покрытия имеет неравномерное распределение по поверхности стальной преграды и варьируется в пределах от 10 до 30 мкм.
На рис. 3а показана поверхность образца, после двукратной обработки потоком частиц вольфрама, на котором видно, что на границе раздела фаз вольфрама и железа образуются выделения, которые окружают частицы вольфрама. Это свидетельствует о протекании реакционной диффузии на межфазной границе с образованием интерметаллидных соединений на основе исходных компонентов. Сходные диффузионные процессы
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1) детонатор; 2) заряд взрывчатого вещества; 3) воздушный зазор; 4) направляющий канал; 5) фиксирующее кольцо; 6) частицы порошка; 7) образец
2016. Т. 21, вып. 3. Физика
Рис. 2. Покрытие из частиц порошка вольфрама на поверхности стальной преграды
Рис. 4. Переходная зона границы раздела образца и покрытия из частиц вольфрама
а)
1 ит •.....
—-' 1_
б)
Рис. 3. Частицы вольфрама на поверхности образца, окруженные интерметаллидными соединениями глобулярной формы
на границе раздела фаз с образованием интерметалли-дов на основе никеля и вольфрама наблюдали в работе [4-5] в СВС системе Ni-Al-W.
На рис. 3б видно, что реакционная диффузия приводит к образованию зародышей новой фазы на границе раздела между вольфрамом и железом глобулярной формы, размером около 200 нм.
Рис. 5. Вольфрам по границам зерен интерметаллидного соединения
Таблица 1
Энерго-дисперсионный анализ поверхностного слоя преграды, масс.% (рис. 5)
Spectrum 1 2 3
Fe 15,9 79,6 100
W 84,1 20,4 -
При СЭМ исследовании границы раздела образца и покрытия, после двукратной обработки потоком частиц были обнаружены переходные зоны (рис. 4), состоящие из частиц вольфрама (белая зона), железа (серая зона) и их интерметаллидного соединения (светло-серая зона).
На рис. 5 при более крупном увеличении видно, что по границам зерен интерметаллидного соединения диффундирует вольфрам в виде светлой сетки. Данные энергодисперсионного анализа представлены в табл. 1.
Таким образом, соударение потока частиц с преградой приводит к формированию покрытия из частиц вольфрама, представляющего собой композиционный материал, состоящий из вольфрама, железа и их интер-металлидного соединения. При реакционной диффузии на границе раздела фаз вольфрама и железа образуются
интерметаллидные соединения в виде глобулярных выделений. Наблюдается зернограничная диффузия вольфрама в железо.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ушеренко С.М. Обзор. Современные представления об эффекте сверхглубокого проникания // ИФЖ. 2002. Т. 75. № 3. С. 183-198.
2. Роман О.В., Андилевко С.К., Карпенко С.С., Романов Г.С., Шил-кин В.А. Эффект сверхглубокого проникания. Современное состояние и перспективы // ИФЖ. 2002. Т. 75. № 4. С. 187-199.
3. Дремин А.Н., Савров С.Д., Трофимов В.С., Шведов К.К. Детонационные волны в конденсированных средах. М.: Наука, 1970. 164 с.
4. Сычев А.Е., Vrel D., Колобов Ю.Р., Ковалев И.Д., Голосов Е.В., Щукин А.С., Вадченко С.Г. Особенности структуро- и фазообразо-вания в системе Ni-Al-W в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Композиты и наноструктуры. 2013. № 2. С. 51-58.
5. Sytschev A.E., Vrel D., Kolobov Yu.R., Kovalev D.Yu., Golosov E.V., Shchukin A.S., Vadchenko S.G. Combustion synthesis in the Ni-Al-W system: Some structural features // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2013. V. 22. № 2. P. 110-113.
6.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-08-00571а.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 621.7.044.2
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-784-786
PHASE TRANSFORMATIONS IN SURFACE AFTER IMPACTS TO HIGH-SPEED PARTICLES
© E.V. Petrov, V.S. Trofimov, A.S. Shchukin
Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
The phase transformation in the surface layer of the steel obstacle after impact to high-speed particles are studied. As a result of the collision is formed by the surface layer of tungsten particles, which is a composite material consisting of tungsten, iron and their intermetallic compounds Key words: shock wave; particle flow; phase transformations.
REFERENCES
1. Usherenko S.M. Obzor. Sovremennye predstavleniya ob effekte sverkhglubokogo pronikaniya. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal — Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2002, vol. 75, no. 3, pp. 183-198.
2. Roman O.V., Andilevko S.K., Karpenko S.S., Romanov G.S., Shilkin V.A. Effekt sverkhglubokogo pronikaniya. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal—Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2002. T. 75. N° 4. S. 187-199.
3. Dremin A.N., Savrov S.D., Trofimov V.S., Shvedov K.K. Detonatsionnye volny v kondensirovannykh sredakh. Moscow, Nauka Publ., 1970.164 p.
4. Sychev A.E., Vrel D., Kolobov Yu.R., Kovalev I.D., Golosov E.V., Shchukin A.S., Vadchenko S.G. Osobennosti strukturo- i fazoobra-zovaniya v sisteme Ni-Al-W v protsesse samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza. Kompozity i nanostruktury, 2013, no. 2, pp. 51-58.
5. Sytschev A.E., Vrel D., Kolobov Yu.R., Kovalev D.Yu., Golosov E.V., Shchukin A.S., Vadchenko S.G.. Combustion synthesis in the Ni-Al-W system: Some structural features. Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth, 2013, vol. 22, no. 2, pp. 110-113.
Received 10 April 2016
Петров Евгений Владимирович, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Petrov Evgeniy Vladimirovich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Technics, Senior Research Worker, e-mail: [email protected]
Трофимов Владимир Сергеевич, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Trofimov Vladimir Sergeevich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker, e-mail: [email protected]
Щукин Александр Сергеевич, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Shchukin Aleksander Sergeevich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Research Worker, e-mail: [email protected]
