Прочность и разрушение металлического композита на основе меди М1 и стали 20

Вичужанин Дмитрий   Иванович,   кандидат технических наук, старший научный сотрудник и нанокристаллической структурой, обладающих уникальным комплексом физикомеханических 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. [1]. 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.

Материал и методы исследований. Для получения композитов использовали углеродистую сталь 20 и медь марки М1 (содержание меди не менее 99,9%) в виде горячекатаных листовых заготовок толщиной ≈2 мм. Сварку взрывом (взрывное плакирование) исходных заготовок разнородных металлических материалов осуществляли в ООО «Уралтехнопроект» (г. Екатеринбург). В результате сварки взрывом получены пластины трехслойного композита с толщиной слоев: Медь М1+Сталь 20+Медь М1 (1,83+1,96+1,91). Холодную прокатку с обжатием 50% и скоростью прокатки 0,2 м/с проводили на стане ДУО с диаметром валков

255 мм при комнатной температуре. Размеры пластины после прокатки составляли 2,9х35,9х210 мм. Общая вытяжка заготовок соответствовала величине µ =2,0, а истинная деформация e =ln µ =0,7.

Механические свойства исходных материалов и композитов определяли при испытаниях плоских образцов на одноосное растяжение при комнатной температуре по ГОСТ 1497-84 с применением универсальной испытательной машины Instron-8801. Значения ударной вязкости на образцах с V-образным надрезом (KCV) определяли при комнатной температуре на инструментированном маятниковом копре Tinius Olsen IT542M по ГОСТ 9454-78. Схема вырезки разрывных и ударных образцов из исходных заготовок, а также сварных и холоднодеформированных композитов обеспечивала одинаковую ориентацию оси образца по отношению к направлению прокатки. Боковая поверхность образцов была параллельна поверхности раздела слоев.

Структуру исходных материалов и композитов изучали металлографическим методом с помощью микроскопа NEOPHOT-21, микротвердость определяли на микротвердомере LEICA по шкале Виккерса. Замеры микротвердости проводили с шагом 0,05 мм.

Результаты исследований и их обсуждение. 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 – σ В =495 МПа, σ 0,2 =360 МПа, δ=35%, Ψ=49%;

• -    медь М1 – σ В =240 МПа, σ 0,2 =110 МПа, δ=56%, Ψ=68%.

Свойства трехслойного сварного композита близки к свойствам центрального слоя стали 20: - σ В =440 МПа, σ 0,2 =385 МПа, δ=42%, Ψ=49%.

Холодная прокатка сварного композита с обжатием 50% приводит к росту прочностных свойств до уровня (σ В =530 МПа, σ 0,2 =500 МПа) при существенном снижении относительного удлинения и соизмеримой величине относительного сужения (δ=7%, Ψ=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. Анализ экспериментальных данных показывает, что вид кривых растяжения стали 20, меди М1 и композита на их основе как после сварки взрывом, так и после дополнительной холодной прокатки существенно различаются (рис. 1, а-в).

б)

в)

Рис. 1. Диаграммы растяжения: а) – стали 20 и меди М1; б) – композита после сварки взрывом; в) – композита после сварки взрывом и ХПД

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 (рис. 2). Волнообразный характер поверхности сварного шва повышает прочность соединения слоев разнородных металлов [5]. Медь М1 в исходном состоянии содержит зерна α-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

Микротвердость исходных образцов из листа меди М1 и стали 20 составляет соответственно HV=125 кгс/мм2 и HV=171 кгс/мм2. После сварки взрывом и образования композита микротвердость меди практически не изменилась (~125 кгс/мм2), а стали – существенно повысилась (~230 кгс/мм2). Оцениваемое по приросту величины ∆HV деформационное упрочнение после прокатки для центрального слоя стали 20 также оказывается более значительным (∆HV ≈ до 90 кгс/мм2), чем для меди (∆HV≈ до 25 кгс/мм2). Полученные данные (рис. 3) свидетельствуют о более ускоренном исчерпании запаса пластичности стали по сравнению с медью в структуре композита в процессе прокатки, чем также объясняется появление микротрещин в слое стали 20.

а)

б)

Рис.3. Распределение микротвердости по ече-нию композита «медь М1+Ст 20+ медь М1»: а) – после сварки взрывом (исходная толщина 5,7 мм); б) - после дополнительной холодной прокатки с обжатием ~ 50% (----М1 исходное состояние; -.-.-.-Cт 20 исходное состояние;

______композит М1-Ст20-М1 )

Изучены особенности разрушения стального и медных слоев в сварном композите после испытаний на ударный изгиб и в холоднокатаном композите после испытаний на растяжение при комнатной температуре. Мик-рофрактографический анализ, проведенный с помощью сканирующего растрового микроскопа Tescan VEGA II XMU, позволил установить, что в сварном композите разрушение путем отрыва формирует в медном сплаве почти бесструктурные участки рельефа, но с хорошо выраженными вязкими ямками (рис. 4а). Заметное скопление ямок наблюдается на границе сварного шва, что свидетельствует о повышении энергоемкости процесса разрушения на этом участке (рис. 4б). Продольные участки микрорасслоения в стальном слое, сформированные в процессе изготовления исходного листа стали 20 методом прокатки, можно наблюдать в верхней части микрофрактограммы (рис. 4в). Анализ особенностей микростроения излома ударного образца позволяет установить, что последующая холодная прокатка со степенью обжатия 50% усиливает развитие микрорасслоения в стальном слое, которое сопровождается появлением мелких трещин (рис.4б). Эволюция особенностей разрушения в слое стали 20 после прокатки композита свидетельствует о постепенном исчерпании способности материала к дальнейшему пластическому деформированию. Общий характер разрушения слоя стали 20 в разрывном и ударном образцах носит вязкий ямочный характер.

б)

в)

Рис. 4. Микростроение поверхности разрушения слоев в разрывном (а, б) и ударном (в) образцах: а – слой меди М1; б – зона сварного шва слоев меди М1 и стали 20; в – слой стали 20

Полученные при комнатной температуре значения ударной вязкости композита при ориентации линии надреза параллельно границе раздела слоев (KCV=1,35 МДж/м2) выше значений, характерных для стали 20 (KCV=0,85 МДж/м2) и меди М1 (KCV=1,27 МДж/м2), по-видимому, это связано с возможной релаксацией напряжений при вхождении трещины в новый слой [4].

Выводы:

• 1.    С использованием комбинированной технологии, включающей сварку взрывом и последующую холодную прокатку, получен трехслойный металлический композит «Медь М1-Сталь 20-Медь М1», обладающий более высоким комплексом механических свойств по сравнению с исходными материалами.

• 2.    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.

• 3.    Накопление поврежденности в слое стали 20 в виде трещин расслоения при высоких степенях деформации свидетельствует об ограниченном резерве деформационного упрочнения композита при комнатной температуре.

Работа выполнена при частичной поддержке Программы Президиума РАН № 22 (проект № 09-П-1-1008) и Гранта РФФИ-Урал (проект № 10-02-    3.