WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 10 05;12 Изменения в микроструктуре и составе стали после воздействия высокоскоростного потока микрочастиц 3 © Е.Л. Зильбербранд,1 Б.В. Румянцев,1 М.Д. Толкачев,2 С.М. Ушеренко 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: post@mail.ioffe.ru 2 Институт геологии и геохронологии декембрия РАН, 199034 Санкт-Петербург, Россия e-mail: admin@ad.iggp.ras.spb.ru 3 Белорусский национальный технический университет, 220107 Минск, Белоруссия (Поступило в Редакцию 18 января 2006 г.) Приведены результаты исследования микроструктуры и состава стали, подвергнутой воздействию потоком микрочастц плотностью 2kg/m3 · 10-3 со скоростью 0.8-1.5 km/s. Отмечается, что наблюдаемые неоднородности микроструктуры не связаны с материалом воздействующего потока микрочастиц, а представляют собой области локальной деформации и технологических примесей стали, которые увеличиваются с ростом давления в ударной волне.

PACS: 81.40.Wx, 45.50.Tn Введение Целью данной работы является исследование микроструктуры стальных преград после динамического Современные средства защиты космических аппаравоздействия высокоскоростным потоком частиц, разотов (КА) рассчитаны на воздействие высокоскоростных гнанных на баллистической установке, для выявления частиц размером более 0.1 mm, приводящее к образоналичия микрочастиц порошка и следов их воздействия ванию сквозных отверстий, механическому повреждев объеме преграды.

нию с изменением формы защищаемых объектов [1].

Рациональной конструкцией защиты признаны два экрана, предназначенные для эффективного диспергирования ударяющей частицы и поглощению вторичных частиц. Методика Воздействие потока микрочастиц на корпус не рассматривалось ввиду отсутствия вышеперечисленных повреДля достижения поставленной цели исследовались ждений от них.

микроструктура и состав стальной преграды до и после В ходе исследований по взрывной обработке металдинамического воздействия сплошным и порошкооблических преград порошками различных материалов [2] разным материалом. Особое внимание обращалось на было обнаружено, что при определенных условиях мивид, распределение и состав неоднородностей, отличакрочастицы порошка проникают на значительную глующихся от матричного состояния стали. Исследование бину в металлы, образуя сетку схлопнувшихся канаизменения структуры матрицы не производилось. Дилов. Основной причиной, обеспечивающей сверхглубонамическое воздействие обеспечивалось столкновением кое проникание микрочастиц, считалось при динамичеразогнанного на баллистической установке ударника ском воздействии потенциальной энергии преграды к с преградой из стали. Исследование микроструктуры проникающим частицам [3,4]. Альтернативная позиция производилось на электронном сканирующем микроскосводилась к заносу микрочастиц в объем преграды по пе АВТ-55 (Япония) в двух режимах: SE (Secondary трещинам, образовавшимся в результате воздействия на Electrons) и BSE (Back Scattered Electrons). Режим SE преграду высокоскоростного потока материала [5,6].

дает изображение микрорельефа плоскости шлифа в Подтверждение возможности проникновения микровиде совокупности зерен стальной матрицы и дефекчастиц в металлы на глубину, в тысячи раз превышаютов поверхности. Режим BSE дополнительно отражает щую их размер, потребует новых подходов к построению фазовый состав поверхности, проявляет неметалличезащиты и выбору конструкционных материалов КА. Так, ские включения в виде темных областей („легкая“ фав работе [7] была выдвинута гипотеза, объясняющая за). Элементный состав в микрообластях исследуемого повышенный уровень отказа электронных устройств КА стального образца регистрируется энергодисперсионной за счет многократного воздействия высокоскоростных частиц, проникнувших через защиту космического ап- микрозондовой системой LINK AN 10 000 (Англия) в парата без нарушения его целостности и герметичности. диапазоне от натрия до урана.

6 82 Е.Л. Зильбербранд, Б.В. Румянцев, М.Д. Толкачев, С.М. Ушеренко Таблица 1. Параметры нагружения стальной преграды Параметры потока воздействия Начальное давление № в преграде, Размер частиц, Плотность, Скорость, опыта Материал µm kg/m3 · 10-3 km/s GPa 14 Фторопласт Монолит 2.16 1.16 6.78 Корунд 40-60 2.0 0.77 2.15 « 40-60 2.0 1.18 4.16 « 40-60 2.0 1.55 7.Рис. 1. Микроструктура стали Ст40 (верхний ряд — полированная поверхность, нижний — травленая). Режим съемки BSE.

Экспериментальная часть параметры материала потока и характеристики нагружения стальной преграды. Начальное давление в преграде Фторопласт и порошки корунда в полимерной оболоч- находилось по методу торможения ударника о преграду ке толщиной 1.5, диаметром 12 и длиной 20 mm разгоня- при использовании сайта http://www.ihed/ras.ru/rusbank/.

лись на баллистической установке и в течение 20-30 µs После обработки стальная преграда разрезалась по воздействовали на преграду из стали Ст40 диаметром оси направления удара и полученное сечение шлифои толщиной 15 mm. Динамический упругий предел стали валось наждачной шкуркой на основе карбида кремния Ст40 составляет 1.9 GPa.

различных размеров, полировалось водной суспензиСкорость потока микрочастиц подбиралась из усло- ей корунда с размером частиц менее 1 µm. Готовые вия нагружения в упругой или в упругопластической шлифы обрабатывались ультразвуком и травились в области. В упругой области давление, создаваемое по- течение 10 s в 3% растворе азотной кислоты в этиловом током на границе с преградой, было недостаточным для спирте.

преодоления прочностного сопротивления. Образования На рис. 1 приведены изображения шлифов исходной каверны на лицевой поверхности преграды при этом не стали Ст40 с полированной (верхний ряд) и травленой происходило. При повышении скорости потока образо- (нижний ряд) поверхностью. Видно, что на поверхности вывалась поверхностная каверна в соответствии с гид- шлифа наблюдается большое количество неоднороднородинамическими представлениями. В табл. 1 приведены стей, представляющих собой неметаллические вклюЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. Изменения в микроструктуре и составе стали после воздействия высокоскоростного... Таблица 2. Элементный состав точек зондирования исходной стали Ст40 в mass.% №точки Fe Mn Cr Si Cu Al S Ca Сумма 1(матрица ср.) 97.80 0.69 0.28 0.39 0.33 0.04 0.02 0.02 99.2 73.49 15.44 0.24 0.30 0.58 0.04 7.78 0.03 98.3 6.77 21.17 0.12 0.11 0.06 41.80 16.16 0.44 86.4 59.45 0.42 0.16 0.41 0.19 0.14 0.60 0.31 62.5 80.47 7.85 0.38 0.49 1.29 0.12 4.26 0.00 95.6 94.37 0.99 0.30 0.50 0.84 0.06 0.25 0.01 97.7 22.77 0.23 0.12 1.01 0.31 0.18 1.16 0.46 28.8 71.22 0.59 0.29 1.08 0.49 0.48 0.50 0.29 76.9 60.60 0.36 0.22 0.34 0.26 0.08 0.73 0.06 63.10 58.91 0.52 0.26 0.46 0.33 0.20 0.52 0.18 61.11 84.32 0.47 0.34 0.38 0.32 0.04 0.17 0.07 86.12 54.92 0.49 0.29 0.50 0.45 0.10 0.57 0.30 58.П р и м е ч а н и е. 1. Точки зондирования: 1 — матрица, 2-6 — включения полированной поверхности шлифа, 7-12 — включения травленой поверхности (см. рис. 1). 2. Усредненный состав матрицы получен по 17 измерениям. 3. Подчеркнутые значения — меньше погрешности определения. 4. Не приведены значения Co, Ni, P, Mg, Zn, Ti, которые в большинстве своем ниже уровня погрешности прибора, кроме как в сумме содержания элементов. 5. Выделен состав неметаллического включения, содержания, содержащий застрявшие частицы шлифующего материала.

Рис. 2. Микроструктура стальной преграды Ст40 после нагружения фторопластом. Режимы съемки BSE, SE и BSE.

Рис. 3. Микроструктура стальной преграды Ст40 после нагружения потоком частиц корунда (1 — изображение — образец опыта 78, 2 — 15, 3 —16). Режим съемки — SE.

чения (технологические примеси), которые концентри- тываться при дальнейшем анализе после динамического руются вдоль полос скольжения и деформаций, обра- воздействия.

зуя строчечные включения. Наличие и распределение В табл. 2 приведены элементные составы матрицы и неметаллических включений характеризует технический включений для исходного состояния стальной преграсплав Ст40 (ГОСТ 1778, ASTM E 1245) и должно учи- ды. Обозначения точек зондирования соответствуют их 6 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 84 Е.Л. Зильбербранд, Б.В. Румянцев, М.Д. Толкачев, С.М. Ушеренко изображениям на рис. 1. Элементный состав включений соответствует смеси шлаковых примесей в виде сульфидов, оксидов, фосфидов, нитридов, карбидов. Для включений характерно присутствие серы, которая является индикатором технологических примесей в стали Ст40.

Эпизодически регистрируются магний, цинк, титан.

Отличие суммы содержания элементов от 100% зависит от нерегистрируемого содержания легких элементов, в основном кислорода, ослабления отраженного сигнала от неоднородности рельефа (ямка-выступ) и характера поверхности (рыхлость). На примере точки видно, что имеет место занос полировочного материала корунда на поверхность шлифа и задержка его в примесных включениях. Это обстоятельство также должно быть учтено при дальнейшем анализе.

Динамическое воздействие осуществлялось в двух режимах: нагружение сплошным и порошкообразным Рис. 4. Распределение неоднородностей по размерам для стали Ст40 до и после динамического воздействия.

материалами. Регистрация состояния преграды осуществлялась на глубине 10 mm. На рис. 2, 3 приведены изображения шлифов стальной преграды после нагружения фторопластом (опыт 14) и порошком корунда в отношении серы и кальция. Поэтому увеличение при различных скоростях потока (опыты 78, 15, количества примесного элемента в результате обработв табл. 1). Направление динамического воздействия ки порошком, содержащим этот же элемент, как это сверху вниз. Обращает на себя внимание увеличение отмечалось, например для хрома в стали Ст35 [9], не количества включений, проявление их структуры и поможет служить прямым доказательством проникновения явление выплесков из них в направлении динамического данного элемента в матрицу.

воздействия.

Показательно, что шлифующий материал фиксируется во включениях и не задерживается на поверхности зерен матрицы.

Обсуждение результатов Распределение количества включений по размерам При исследовании стальных образцов основное вни- хорошо аппроксимируется соотношением, вытекающим из постоянства поверхности включений определенного мание уделялось сопоставлению изображения и состава размера на единицу площади шлифа (рис. 4).

неоднородностей, отличающихся от зерен матрицы. Как и следовало ожидать, состав микрообластей в зернах Последовательное изучение микроструктуры стальной матрицы, независимо от вида зерна феррит (точка 1) или преграды до и после динамического воздействия в упруперлит (точка 1 ) на рис. 1, хорошо воспроизводится, гопластической области позволило выявить особенночто позволило усреднить составы матрицы различных сти, связанные с объемным воздействием ударной волны образцов. на включения технологических примесей. При исследоСостав неоднородностей (табл. 2), идентифицируемых вании шлифов преград (рис. 2, 3) после динамического как неметаллические включения [8], разнообразен по воздействия потока особое внимание обращалось на следующим причинам: неоднородности микроструктуры, которые тестирова— различный состав технологических примесей: окси- лись по сравнению изображений в режимах SE и BSE.

ды, сульфиды, силициды и т. д.; Режим SE с угловым расположением приемника потока — „рыхлое“ состояние хрупких тугоплавких соеди- отраженных электронов хорошо показывает, что после нений; динамической обработки появляются неоднородности, выступающие над поверхностью шлифа, т. е. представля— различная стойкость к шлифованию и травлению.

Можно выделить три группы неоднородностей: круп- ющие области с повышенной стойкостью к абразивному воздействию и травлению.

ные, строчечные с определяющим размером более 10 µm [8] и мелкие — менее 2 µm. Последние имеют В табл. 3 приведены элементные составы неоднородкачествено воспроизводимое повышенное содержание ностей шлифов стальной преграды после динамического марганца и серы (точки 2, 5 в табл. 2). По сравне- воздействия в точках, отображенных на рис. 2, 3. Как и нию с матрицей все включения имеют более темное следовало ожидать, состав матрицы до и после динамиизображение (поглощение зондирующего электронного ческой обработки одинаков в пределах погрешности припотока) без тонкой структуры, расширенный состав бора. В то же время наряду с неоднородностями, харакэлементов. В целом содержание примесных элементов терными для исходной стали (табл. 2), появилась группа выше их содержания в матрице; особенно это заметно неоднородностей, элементный состав которых имеет Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Изменения в микроструктуре и составе стали после воздействия высокоскоростного... Таблица 3. Элементный состав точек зондирования стали после динамического воздействия в mass.% №опыта №точки Fe Mn Cr Si Cu Al S Ca Сумма 14 1 84.86 0.61 0.18 0.45 0.19 1.54 0.27 0.57 89.2 85.51 4.25 0.29 0.45 0.36 0.03 1.94 0.00 93.3 32.78 26.70 0.18 0.18 2.77 14.02 18.18 0.08 95.4 70.99 3.57 0.28 0.30 0.52 13.75 2.30 0.11 96.15 2 70.32 0.68 0.27 0.38 0.54 0.06 0.23 0.72 74.16 2 51.17 0.44 0.08 0.18 0.24 0.07 0.05 0.15 52.3 54.63 0.32 0.09 0.33 0.28 0.11 0.03 0.05 56.78 2 69.82 0.46 0.08 0.43 0.22 0.39 0.09 0.30 72.Матрица ср. 97.85 0.69 0.27 0.41 0.33 0.05 0.02 0.03 99.П р и м е ч а н и е 1. Состав точек зондирования 14-5, 15-1, 15-3, 16-1, 16-4, 78-1 учтен при определении усредненного состава матрицы (см. рис. 2, 3). 2. Усредненный состав матрицы получен по 11 измерениям. 3-5 — то же, что в табл. 2.

пониженную сумму (выделены курсивом в табл. 3). По Отсутствие принципиальных различий в микроструксоотношению элементов — это микрообласти матрицы, туре стали, после воздействия порошка и монолитного выступающие над плоскостью шлифа (точки 2, 3 на фторопласта, подтверждает определяющую роль ударнорис. 3), рассеивание отраженного сигнала на которых да- волнового нагружения в изменении характеристик преграды.

ет пониженную сумму элементного состава. Появление их, по-видимому, связано с локализацией деформации на границе стыков зерен матрицы при воздействии ударной Заключение волны с интенсивностью, недостаточной для пластического деформирования зерна в целом. В процессе В данной постановке эксперимента и примененном приготовления шлифа они разрушаются, как хрупкие уровне исследований микроструктуры до 1 µm, состава образования. Также фиксируются крупные неметалличепреграды до 0.01 mass.% сверхглубокого проникания ские включения со следами хрупкого разрушения после микрочастиц в преграду не обнаружено. Аналогичный динамического нагружения (рис. 3).

результат был получен в [10,11].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.