Jakość połączenia międzyfazowego płyt kompozytowych zgrzewanych wybuchowo jest głównym czynnikiem wpływającym na ogólną wydajność i bezpieczeństwo użytkowania płyt kompozytowych. Obecnie badania nad płytami kompozytowymi spawanymi wybuchowo ze stali tytanowej w kraju i za granicą skupiają się głównie na poziomie, strukturze, właściwościach mechanicznych, właściwościach elektrochemicznych i innych aspektach styku spajania. Niejednorodność styku spowodowana różnymi czynnikami prowadzi do różnic we właściwościach rozciągających, ścinających, udarowych, elektrochemicznych, zmęczeniowych i innych pomiędzy płytami kompozytowymi spawanymi wybuchowo a jednorodnymi okładzinami i podłożami.
Badania wykazały, że przy różnych parametrach procesu można uzyskać powierzchnie płaskie lub faliste, natomiast typowe powierzchnie faliste można uzyskać poprzez spawanie płyt kompozytowych z różnych metali w odpowiednich oknach zgrzewania; Wysokie obciążenie wybuchowe intensyfikuje odkształcenia plastyczne na granicy spajania, powodując wydłużanie się ziaren w różnym stopniu wzdłuż kierunku wybuchu, czemu towarzyszy powstawanie nowych, kruchych faz międzymetalicznych. Powierzchnia styku w kształcie fali utworzona przez intensywny przepływ metalu na styku spawanej wybuchowo płyty kompozytowej ze stali tytanowej poprawia warunki łączenia złącza i zwiększa odporność złącza łączenia na ścinanie wzdłuż kierunku zgrzewania wybuchowego. Ziarna w pobliżu styku płyt kompozytowych ze stali tytanowej są bardzo małe i mają nierówny rozmiar i kształt; Występuje wyraźny regionalny rozkład ziaren od granicy międzyfazowej po stronie podłoża do obszaru oddalonego od granicy międzyfazowej, a deformacji ulegają także ziarna po stronie płaszcza; Wartość mikrotwardości jest na ogół najwyższa na granicy wiązania, ponieważ na wzrost wartości mikrotwardości wpływa wielkość ziaren, odkształcenie plastyczne, a nawet przemiana fazowa. Na styku tytanu po stronie okładziny występują adiabatyczne linie ścinania, zwane również liniami latającymi. Struktura ta zmienia się pod wpływem wyżarzania w różnych temperaturach, aż do zaniku. Celem przeprowadzenia badań właściwości mechanicznych płyt kompozytowych ze stali tytanowej jest ocena i spełnienie wskaźników wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności i wytrzymałości na ścinanie wybuchowych płyt kompozytowych ze stali tytanowej, w celu spełnienia wymagań normy. W artykule za obiekt badawczy przyjęto kompozytową płytkę wybuchową ze stali tytanowej z czystym tytanem przemysłowym i stalą węglową podłoża oraz zbadano mikrostrukturę, strukturę, hierarchię i właściwości mechaniczne powierzchni łączącej płyty kompozytowej ze stali tytanowej. Przeanalizowano wpływ niejednorodności powierzchni styku płyty kompozytowej ze stali tytanowej na właściwości mechaniczne materiału, dostarczając teoretycznych podstaw do obliczeń projektowych i zastosowań inżynieryjnych zbiorników ciśnieniowych, broni i sprzętu itp.
1. Dobór i przygotowanie materiałów
Zastosowanie tytanu ASTM B265 Gr.1 jako okładziny o grubości 5 mm; Jako podłoże zastosowano stal węglową ASTM A516 Gr.70 o grubości 35 mm. Według ASTM B898-11 (2016) płyty kompozytowe ze stali tytanowej przygotowano metodą spawania wybuchowego. Skład chemiczny i właściwości mechaniczne podłoża i okładziny przedstawiono odpowiednio w tabelach 1-3.
Patka. 1 Skład chemiczny blachy platerowanej B265Gr． 1
2.Mikrostruktura i morfologia powierzchni styku płyty kompozytowej ze stali tytanowej
Typową morfologię powierzchni styku płyty kompozytowej przeciwwybuchowej ze stali tytanowej pokazano na rysunku 1. Powierzchnia styku ma typowy kształt falisty o długości fali około 1723,5 µm i wysokości fali około 300 µm, jak pokazano na rysunku 1 (A). Mikrostrukturę od okładziny do podłoża w kierunku prostopadłym do grubości granicy faz można podzielić na mikrostrukturę odkształcenia po stronie okładziny + lokalna strefa topnienia → równoosiowa strefa drobnoziarnista po stronie podłoża (około 21 μm) → mikrostruktura odkształcenia włóknistego strefa (ok. 200 µm) → strefa zginania i skręcania mikrostruktury (ok. 108 µm) → strefa pierwotnej mikrostruktury (paski ferrytu i perlitu).
Podczas spawania wybuchowego energia materiału wybuchowego rozprzestrzenia się w postaci fal wzdłuż kierunku wybuchu. Powierzchnia metalu ulega silnemu odkształceniu plastycznemu pod wpływem fali uderzeniowej, a na powierzchni styku wytwarza się duża ilość ciepła, powodując stopienie metalu. Metal przepływa i wytwarza strumień, tworząc wir (patrz rysunek 1 (b)), a końcowa powierzchnia styku łączy się w kształt fali. Wir jest na ogół mieszaniną mechaniczną złożoną z różnych substancji, takich jak cząstki metalu przenoszone przez strumień, stopione materiały chłodzące, związki międzymetaliczne i ziarna metalu powłoki lub podłoża w pierwotnym położeniu. Występują defekty, takie jak uwięzione pory i luźne lub popękane struktury powstałe w wyniku szybkiego krzepnięcia wewnątrz wiru. Rysunek 2 przedstawia morfologię SEM różnych hierarchicznych obszarów na styku płytek kompozytowych z tytanu i stali.
(1) Poziomy przejścia od okładziny do podłoża na styku płyty kompozytowej spawanej wybuchowo ze stali tytanowej są następujące: strefa odkształcenia bocznej konstrukcji okładziny, lokalna strefa topienia, równoosiowa strefa drobnoziarnista, pas ukształtowana strefa włókien i strefa skręcania po stronie podłoża.
(2) W porównaniu z pierwotnym podłożem najbardziej wzrosła twardość drobnoziarnistego obszaru po stronie podłoża (3,60 GPa) i lokalnie przetopionego obszaru w wirze (11,73 GPa), natomiast moduł obu obszarów nie wzrósł nie wzrosną znacząco; Twardość i moduł w innych obszarach wykazują wyraźnie nierówny rozkład, a nierówna struktura styku wiązania tytanu ze stalą na różnych poziomach powoduje nierówną twardość i moduł sprężystości.
(3) Pod wpływem fałd na styku wytrzymałość na rozciąganie (578 GPa) warstwy wiążącej wzdłuż kierunku detonacji występuje pomiędzy podłożem a okładziną, przy najniższym wydłużeniu w przekroju (31,5%) i skurczu w przekroju (40%); Wytrzymałość warstwy wiążącej na rozciąganie prostopadle do kierunku detonacji (472 GPa) jest niższa niż podłoża i okładziny, przy czym najmniejsze wydłużenie na przekroju (31,12%) i skurcz po zerwaniu (58%) pomiędzy podłożem a okładzina. Właściwości rozciągające tej płyty kompozytowej ze stali tytanowej są anizotropowe.
