Межфазное исследование сваренной взрывом пластины Al/сталь: микроструктура, механические свойства и остаточные напряжения

Цяолин Чу^а,б,с,*, Туо Ся^а, Пэнкан Чжао^г, Мин Чжан^а,**, Цзяньмин Чжэн^г, Фусюэ Ян^а, Пэн Ченг^е, Ченг Янь^с, Чуан Лю^ф,***, Хайлун Луо.

Школа материаловедения и инженерии Сианьского технологического университета, Сиань, 710048, Китай CGNDELTA (Jiangsu) Plastic & ChemicalCo., Ltd., Тайцан, 215421, Китай

3. 
   Школа химии, физики и машиностроения, научно-технический факультет, Квинслендский технологический университет (QUT), Брисбен, Квинсленд, 4001, Австралия
   
4. 
   Школа машиностроения и приборостроения Сианьского технологического университета, Сиань, 710048, Китай^еCGNAdvancedMaterialsTechnology (Suzhou) Co., Ltd., Тайцан, 215400, Китай^фШкола мехатронной инженерии и автоматизации Фошаньского университета, Фошань, 528225, Китай ShaanxiRuisenMetallicCompositeMaterialCo., Ltd., Сяньян, 713199, Китай
   

Ключевые слова: Сварка взрывом, Контурный метод, SPH, Морфология интерфейса

Аннотация

В данной статье представлено систематическое исследование микроструктуры, механических свойств и распределения остаточных напряжений сваренных взрывом пластин Al/сталь. Было обнаружено, что вихри, возникшие в результате захваченной струи, были окружены сильно деформированными объемными материалами и интерметаллидами Fe-Al. Взаимосвязь микроструктуры и механических свойств в отдельных фазах была установлена с использованием тестов наноиндентирования, например, FeAl + FeAl2 и FeAl3 с твердостью 16,2 ГПа и 11,4 ГПа соответственно. Граница Al/сталь показала более высокие значения микротвердости (200–300 HV0,1). Внутренние напряжения оценивались контурным методом, а растягивающие напряжения концентрировались на границе раздела Al/сталь, достигая 170 МПа и 160 МПа в продольном и поперечном направлениях соответственно. Методами гидродинамики сглаженных частиц (ГЧ) моделировалось формирование границы волны, вихревой зоны, а также струи, движущейся впереди точки столкновения при высокоскоростном наклонном процессе. Наблюдалось хорошее соответствие между моделированием и экспериментом, особенно образованием интерметаллических соединений в межфазных областях и эволюцией остаточного напряжения.

---

Алюминий и углеродистая сталь являются двумя наиболее часто используемыми металлами в технике. Сварка алюминия со сталью имеет высокие технические преимущества, такие как низкая плотность, отличные термические свойства, высокая прочность и низкая стоимость. [1,2]. Однако различие теплофизических свойств и металлургических характеристик этих двух металлов затрудняет их соединение традиционными методами сварки плавлением. Были предприняты попытки соединить эти сплавы вместе с помощью сварки трением с перемешиванием. [3–5], холодное склеивание [6], лазерная сварка [7], контактная точечная сварка [8,9], сварка плавлением [10,11] и магнитно-импульсной сварки [12]. Качество можно улучшить за счет оптимизации параметров сварки или введения промежуточных слоев.

С другой стороны, сварка взрывом (EXW) представляет собой процесс сварки в твердом состоянии, реализуемый косым высокоскоростным ударом между двумя материалами посредством контролируемой детонации взрывчатого вещества. [13]. Рассматривается как альтернатива для соединения алюминиевых и стальных сплавов, поскольку можно избежать чрезмерного плавления даже для соединений больших размеров. [14,15]. Отличительной особенностью сварных соединений взрывом является волнообразная поверхность раздела. Кахраман и др. [16] обнаружили, что поверхность раздела изменилась с гладкой на волнистую с увеличением тепловложения от взрывчатого вещества. В результате часто наблюдаются сильно деформированные зерна, локальное плавление материалов и даже образование новых фаз. Было проведено множество исследований для характеристики микроструктур на границе раздела сварных взрывом соединений. Сонг и др. [17] показали иерархические микроструктуры на границе раздела, включая волновую морфологию, интерметаллические включения и наноразмерные зерна. Широко признано, что микроструктура и свойства интерметаллических зон могут играть доминирующую роль в общих механических характеристиках соединения. Для соединения Al/сталь толщина избыточного плавящегося слоя и хрупкие интерметаллиды Fe-Al на границе раздела существенно влияют на качество соединения. [19]. Чтобы понять эволюцию микроструктур на границе раздела, важно учитывать кинетические эффекты ударной волны во время сварки взрывом. Обратите внимание, что под высоким давлением во время сварки взрывом стыкуемые материалы ведут себя как переходные текучие материалы. Численные подходы, особенно метод гидродинамики сглаженных частиц (SPH), могут обрабатывать большие деформации материала и, следовательно, подходят для прогнозирования формы и распределения температуры на границе раздела. [20–22].

---

Во время сварки взрывом происходит высокоскоростной удар между двумя или более материалами, а поверхности плотно сжимаются и удерживаются в прямом контакте под высоким давлением. Такой процесс несёт остаточные напряжения. Это еще хуже, когда комбинированные материалы демонстрируют очень разные теплофизические свойства. В зависимости от распределения напряжений и их взаимодействия с внешними силами остаточные напряжения могут влиять как на механические свойства, так и на срок службы конструкций. [23,24]. Поэтому остаточное напряжение является еще одним ключевым фактором, определяющим структуру и функциональные свойства пластин, сваренных взрывом. Контурный метод (CM) — это новый метод испытаний, позволяющий получить полную карту распределения остаточных напряжений в поперечном сечении испытуемых компонентов. Недавно Лю и Ли [41] исследовали граничные напряжения в пластине из триметалла цирконий/титан/сталь, сваренной взрывом, методом контура. Учитывая преимущества высокой эффективности, возможности получения двумерного распределения напряжения на общей плоскости разреза, контурный метод представляется наиболее подходящим для определения распределения остаточного напряжения в стальной пластине, сваренной взрывом.

2. Экспериментальный процесс

2.1. Подготовка материалов

Пластина Al (1060Al, толщина 10 мм) приваривалась взрывом к пластине из малоуглеродистой стали (Q235, толщина 38 мм) с тонкой прослойкой Al (1060Al, толщина 3 мм). Конфигурация сварки показана на Рис. 2a и b, где тонкая алюминиевая прослойка ( 3 мм) была сначала соединена взрывом с пластиной Q235 ( 38 мм), а затем толстая алюминиевая пластина ( 10 мм) была соединена взрывом с вышеуказанной оболочкой. Согласно исследованиям, Carvalho et al. [42], такая тонкая алюминиевая прослойка, используемая здесь, служит для обеспечения высокого качества свариваемости. Химические составы Al и Q235 перечислены в Таблица 1. В качестве взрывчатого вещества в данной работе использовалась смесь взрывчатого вещества ANFO (45 мас. %) с NaCl (55 мас. %), для получения скорости детонации порядка 2200–2500 м/с. Подробные параметры сварки взрывом приведены в Таблица 2. Многосекционное расположение взрывчатого вещества использовалось для контроля пространственного изменения качества сварки. Окончательная толщина сваренных взрывом алюминиевых/стальных пластин составляла примерно 50 мм. Пластина из алюминия и стали была выпрямлена после сварки взрывом. Поскольку неоднородность микроструктуры на границе Al/Al значительно меньше по сравнению с границей раздела алюминий/сталь, исследования в основном были сосредоточены на границе раздела алюминий/сталь.

---

Рис. 2. Схема сварки взрывом и подготовка образцов. (a) и (b) Два этапа сварки взрывом алюминиевого/стального листа; c) подготовка проб для исследования; (d) Пластина, изготовленная для испытаний на остаточное напряжение.







Рис. 16. Результаты моделирования. а) распространение материалов; b) распределение температуры; (c) Распределение давления.

4.4. Результаты моделирование

На рис. 16 показаны численные результаты с волнообразной морфологией, полученной на границе раздела Al/сталь, что демонстрирует замечательное согласие с экспериментальными результатами на рис. 5а. Расчетная длина волны (750 мкм) и амплитуда (100 мкм) немного меньше экспериментальных результатов (длина волны и амплитуда 900 мкм и 150 мкм соответственно). Как показано на рис. 16а, перед точкой столкновения образуется струя, что является одним из важнейших явлений, сопровождающих сварку взрывом и обеспечивающих формирование прочного соединения. Струя, образующаяся при ударной сварке, состоит в основном из алюминиевого материала (зеленый цвет), что, скорее всего, связано с относительно более низкой температурой плавления и прочностью. На рис. 16в и г показано распределение температуры при сварке взрывом. Профили высокотемпературной морфологии, достигающие точки плавления стали, согласуются с волной. Такая высокая температура приводит к реакции Al с элементами Fe. На рис. 16 e и f показаны карты распределения давления, где вблизи точки контакта возникает пиковое давление 5 ГПа. Падение давления от точки столкновения происходит равномерно по кругу.

Выводы

Основные особенности процесса сварки взрывом, такие как формирование струи, могут быть адекватно смоделированы с помощью SPH. Распределение температуры и флюидоподобные области на границе Al/сталь способствуют образованию фаз интерметаллидов Fe-Al., Например , вихревые области связаны с FeAl + FeAl2, тогда как гребневые области часто приводят к образованию FeAl3+Al. Эволюция остаточных напряжений в процессе сварки взрывом успешно оценивается как с помощью эксперимента, так и с помощью численного моделирования.

---

---

Смотрите также файлы

• Физика курсыны клемі мен мазмнын анытайтын бірденбір ісаазы.docx

• Блок Тест.docx

• Индуктивное умозаключение.rtf

• "Астафьев В. П. "Васюткино озеро"".rtf

• Проанализируйте статью в журнале.doc