Структура и свойства полученных сваркой взрывом и пакетной прокаткой слоистых композитов на основе низкоуглеродистых сталей, меди, алюминия и его сплавов : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.09

Актуальность темы исследования
Интенсивное развитие транспортного, химического, энергетического и атомного машиностроения, судостроения и авиакосмической техники вызывает необходимость создания новых материалов, обладающих уникальным набором физико-механических и функциональных свойств. К таким материалом относится широкая группа слоистых металлических композиционных материалов (СМКМ) на основе разноименных и разнородных металлов и сплавов, которые благодаря наличию ламинированной и сэндвич-структуры позволяют получить в них комплекс трудносочетаемых свойств: высокую прочность, пластичность, ударную вязкость при низких климатических и криогенных температурах, износостойкость, тепло- и электропроводность. Одним из актуальных направлений современного материаловедения является разработка СМКМ многофункционального назначения со слоями из консолидированных смесей порошков Al и упрочняющих частиц Al2O3, SiC и B4C, которые могут использоваться для производства изделий и конструкций с заданными трибологическими и теплофизическими характеристиками, высокой баллистической стойкостью, а также для изготовления радиационно-защитных элементов атомной или космической техники.
Степень разработанности темы исследования
Фундаментальные основы формирования структуры и физико-механических свойств слоистых композитов конструкционного и функционального назначения заложены в работах отечественных и зарубежных ученых Ю.П. Трыкова, В.И. Лысака, С.В. Кузьмина, С.А. Голованенко, М.И. Карпова, А.Г. Колесникова, А.И. Плохих, Т.И. Табатчиковой, А.Г. Кобелева, А.А. Батаева, В.И. Мали, В.С. Ложкина, Б.А. Гринберг, А.М. Пацелова, М.Эшби, М. Ализаде, М.Пейдара, Р. Рамаати, М. Водсворта, Р. Ритчи и других.
В результате проведенных исследований установлены основные закономерности по влиянию состава, толщины и характера чередования макро-, микро- и наноразмерных слоев, количество которых может достигать нескольких десятков тысяч, на строение межслойных границ, формирование структуры и физико-механических свойств СМКМ. К настоящему времени предложены традиционные и новые высокотехнологические методы получения СМКМ, в том числе с использованием интенсивного деформационного и высокоэнергетического воздействия. Среди наиболее эффективных способов получения слоистых материалов можно выделить накопительную пакетную прокатку с соединением слоев (ARB – accumulative roll bonding). Однако наибольшее техническое применение нашли высокопроизводительные методы получения СМКМ сваркой взрывом и горячей пакетной прокаткой. Важной задачей исследований слоистых композитов является определение
6
возможности целенаправленного управления протекающими на границе соединения процессами, а также структурными превращениями в слоях композита, оказывающие определяющее влияние на механические свойства многослойных материалов. Вместе с тем, несмотря на значительный объем проведенных ранее экспериментальных и теоретических исследований, особенности строения межслойных границ, структура отдельных слоев и свойства ряда составов СМКМ на основе меди, низкоуглеродистых сталей, алюминия и его сплавов изучены недостаточно. Для сталеалюминиевых композитов отсутствуют данные исследований тонкой структуры слоев в составе композита и аналогичным образом деформированного монолитного материала. До настоящего времени не сопоставлялись структура и свойства стальных слоистых композитов одинакового состава и конструкции, полученных альтернативными методами сварки взрывом и горячей пакетной прокатки. Недостаточно изучено влияние предварительного диспергирования структуры одного из компонентов композита и последующей термической обработки на формирование комплекса механических свойств цельного СМКМ. Несмотря на хорошо известные данные об эффективном влиянии границ раздела слоев на ударную вязкость, особенности роста трещин и стадийность процесса динамического разрушения СМКМ на основе изучения диаграмм инструментированного ударного нагружения до настоящего времени не рассматривались. Значительный интерес представляет изучение структуры и оценка физико-механических свойств слоистых алюмоматричных композитов гибридного типа «АМг3-Al/B4C-AMг3» (боралей) с целью разработки нового способа получения горячей прокаткой нейтронозащитного материала для элементов конструкций атомного машиностроения. Для решения указанных выше вопросов в рамках представленной работы было проведено комплексное исследование структуры на макро-, мезо- и микроуровнях и определены физико-механические свойства изученных СМКМ и их исходных составляющих с использованием оптической, высокоразрешающей электронной микроскопии, стандартных и прецизионных методов
механических испытаний и замера теплофизических свойств.
Цель диссертационной работы – установление закономерностей структурообразования
и формирования физико-механических свойств полученных методами сварки взрывом и пакетной прокатки СМКМ на основе меди, алюминия и его сплавов, низкоуглеродистых сталей и порошковых смесей Al и В4С.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследовать строение и химический состав межслойных границ слоистых медностальных, сталеалюминиевых и стальных композитов, а также структуры их отдельных слоев в сравнении с исходными и модельными монолитными материалами.

7
2. Выявить закономерности формирования комплекса физико-механических свойств
изученных слоистых материалов в процессе их получения методами сварки взрывом и пакетной прокатки с последующей деформационной и термической обработкой.
3. Определить составы, конструкции и режимы получения слоистых стальных и сталеалюминиевых композитов, обеспечивающие повышенный комплекс физико-механических свойств по сравнению с материалами основы.
4. С использованием методов инструментированных ударных испытаний и фрактографического анализа изучить механизмы роста трещины и стадийность процесса разрушения сварных и горячекатаных слоистых композитов из сталей 09Г2С и ЭП678.
5. Изучить структуру, физико-механические и теплофизические свойства слоистых композитов гибридного типа для атомного машиностроения с нейтронозащитной прослойкой из смеси порошков Al и B4C и плакирующими слоями из Al-сплавов, полученных новыми предложенными способами на основе горячей пакетной прокатки.
Научная новизна:
1. Показано, что межслойные волнообразные границы в сварном композите «медь М1-сталь 20-медь М1», характеризующиеся узкой областью концентрационного перехода Cu-Fe, содержат участки локального расплавления меди с гетерофазной субмикрокристаллической структурой и разноразмерными фрагментами стали 20.
2. Установлено, что достижение повышенных прочностных свойств 7-, 11- и 27- слойных сталеалюминиевых и стальных композитов по сравнению с монолитными составляющими связано с диспергированием структуры слоев в процессе их получения методом пакетной прокатки при температурах 520 и 600 °С, а также с введением в состав 5-слойных сварных композитов «09Г2С-ЭП678» слоев стали ЭП678 с ультрамелкозернистой структурой.
3. С использованием инструментированных ударных испытаний и фрактографического анализа впервые выявлена стадийность процесса разрушения изученных слоистых композитов, связанная с особенностями роста трещины в различных слоях композита и возникновением расслоений на межслойных границах. Показано, что слоистые композиты на основе сталей 09Г2С и ЭП678 сохраняют повышенные значения ударной вязкости до температуры –60 °С, а сталеалюминиевые – до температуры жидкого азота.
4. Установлено влияние состава порошков Al и В4С на формирование структуры и физико-механических свойств слоистых бороалюминиевых композитов с плакирующими слоями из Al-сплавов. Выявлена эффективность применения наноразмерного порошка B4C

8
в консолидированной прослойке Al/B4C по сравнению с порошком B4C микрофракции с целью повышения прочностных свойств слоистого нейтронозащитного композита.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что полученные данные являются научной основой дальнейшего совершенствования методов получения слоистых металлических соединений пакетной прокаткой и сваркой взрывом, вносят существенный вклад в понимании механизма структурообразования и формирования физико-механических свойств СМКМ на основе разнородных материалов, в том числе с порошковыми прослойками.
Практическая значимость работы
1. Предложены составы, конструкции и режимы обработки сварных и горячекатаных стальных, медностальных и сталеалюминиевых слоистых композитов с повышенными по сравнению с монолитными составляющими прочностными свойствами и характеристиками ударной вязкости при пониженных климатических и криогенных температурах.
2. Показана возможность управления механическими свойствами слоистых композитов «09Г2С-ЭП678» за счет формирования в слоях стали ЭП678 диспергированной и УЗМ структуры, а также проведения дополнительной термической обработки, оказывающей одновременно упрочняющее и разупрочняющее воздействие на слои сталей различного класса.
3. На основании проведенных исследований предложены защищенные патентами РФ No2465094 и No2528926 новые способы получения нейтронозащитных слоистых композитов «AМг3-Al/B4C-АМг3» для использования в атомном машиностроении при изготовлении ТУК для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива.
Методология и методы исследования
Для решения поставленных задач использовались современные методы оптической, электронной растровой и просвечивающей микроскопии. Применялись стандартизованные и оригинальные методики определения микротвердости, физико-механических и теплофизических свойств СМКМ и их исходных составляющих.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты изучения строения межслойных границ, тонкой структуры слоев и физико-механических свойств полученных сваркой взрывом и пакетной прокаткой медностальных, сталеалюминиевых и стальных композитов, а также их исходных составляющих.
2. Данные инструментированных испытаний на ударную вязкость, выявленная стадийность и фрактографические особенности процесса динамического разрушения изученных сталеалюминиевых и стальных композитов при комнатной и пониженных температурах испытания.

9
3. Закономерности формирования структуры и комплекса физико-механических и
теплофизических свойств слоистых композитов с функциональной прослойкой из консолидированной порошковой смеси Al/20-25%В4С и плакирующими слоями из Al-сплавов, полученных новыми защищенными патентами РФ способами на основе технологии горячей пакетной прокатки.
Достоверность результатов работы обеспечена использованием современного метрологически поверенного оборудования, взаимодополняющих методов структурного анализа (оптическая, растровая и просвечивающая электронная микроскопия), апробированных методов определения физико-механических свойств, а также соответствием полученных результатов с известными данными по структуре и свойствам СМКМ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях и семинарах: IV и VII Международных школах-конференциях «Физическое материаловедение» (г. Тольятти, 2009, 2016); XX и XXIII Уральских школах металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Пермь, 2010; г. Тольятти, 2016); V, VI и VIII Евразийских научно-практических конференциях «Прочность неоднородных структур» (г.Москва, 2010, 2012 и 2016, 2018); XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности (г.Санкт-Петербург, 2010); 52-и 53-й Международных научных конференциях «Актуальные проблемы прочности» (г. Уфа, 2012; Беларусь, г. Витебск, 2012); VI и VII Российских научно- технических конференциях «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г.Екатеринбург, 2010, 2012); II Всероссийской молодежной школе-конференции «Современные проблемы металловедения» (г. Пицунда, 2011); XI и XII Международных молодежных конференциях «Junior Euromat» (Швейцария, г. Лозанна, 2012, 2014); 10-м Международном Уральском Семинаре «Радиационная физика металлов и сплавов» (г. Кыштым, 2013); XIII Европейском конгрессе по перспективным материалам и процессам «Euromat 2013» (Испания, г. Севилья, 2013); Научных сессиях НИЯУ МИФИ «Инновационные ядерные технологии» (г.Снежинск, 2015, 2016); V, IX, XI и XII Российских научно-технических конференциях «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2011, 2015 и 2017, 2018).
Исследования, представленные в диссертационной работе, выполнены в соответствии с основными направлениями научной деятельности Федерального государственного учреждения науки Институте машиноведения Уральского отделения Российской академии наук в рамках госбюджетных тем No01201354598, No01201375904, проектов УрО РАН ОФИ No13-1-017-ЯЦ, No15-15-1-52, РФФИ-Урал No10-02-96041, РФФИ-Урал No07-02-96049, РФФИ No12-03-31374 мол_а, РФФИ No14-08-31673 мол_а, РФФИ No16-38-00712 мол_а.

10
Содержание диссертации соответствует пункту 1 «Теоретические и экспериментальные
исследования фундаментальных связей состава и структуры материалов с комплексом физико- механических и эксплуатационных свойств с целью обеспечения надежности и долговечности материалов и изделий», пункту 3 «Разработка научных основ выбора материалов с заданными свойствами применительно к конкретным условиям изготовления и эксплуатации изделий и конструкций» и пункту 5 «Установление закономерностей и критериев оценки разрушения материалов от действия механических нагрузок и внешней среды» паспорта специальности 05.16.09 – Материаловедение (по отраслям).
Личный вклад автора
Личный вклад автора состоит в участии в постановке задач исследования и планировании экспериментов, в пробоподготовке СМКМ и их исходных составляющих, проведении структурных и фрактографических исследований методами оптической и растровой электронной микроскопии, в том числе с применением EBSD-анализа, замерах микротвердости, обработке и анализе результатов определения физико-механических и теплофизических свойств и данных просвечивающей электронной микроскопии. Вошедшие в диссертационную работу результаты и выводы были получены и сформулированы совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных трудов, из них 10 статей в рецензируемых научных журналах из списка ВАК, получено 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, трех приложений и списка литературы, включающего 197 наименований. Общий объем диссертации – 145 страницы. Диссертация содержит 80 рисунков и 20 таблиц.