Full Text

Высокоскоростное ударное воздействие на материал, помимо деформации и разрушения, может привести к инициации в нем фазовых превращений, в особенности это свойственно материалам, склонным к диссипации (поглощению кинетической энергии воздействия). В результате фазовых превращений, вызванных ударным воздействием, материал способен приобретать новые свойства. В предшествующих исследованиях авторы настоящей статьи установили, что способностью поглощать кинетическую энергию (диссипировать) обладают синтетические минеральные сплавы [1-3]. Данные, полученные авторами при экспериментах с использованием рельсотрона при скорости воздействия пробойником 2700-3000 м/с [4, 5], указывают на то, что в результате ударно-волнового воздействия происходит частичная аморфизация материала и образование ударных модификаций в микрообъемах. Однако при столь высоких скоростях воздействия невозможно зафиксировать фазовые превращения, предшествующие этим изменениям и установить полный механизм разрушения синтетических минеральных сплавов. Для выявления ранних этапов фазовых превращений синтетических минеральных сплавов необходимо установить фазовые превращения, происходящие с ними при меньших скоростях ударного воздействия. Настоящая статья посвящена выявлению фазовых превращений в синтетических минеральных базальтоподобных сплавах c целью уточнения механизма их разрушения при воздействии металлическим пробойником. Синтетические минеральные сплавы представляют собой материалы, полученный при плавлении природного или техногенного минералого-оксидного сырья основного и ультраосновного характера с содержанием SiO2 более 40 %, доля кристаллических фаз составляет порядка 93-95 %, остальная часть структуры имеет аморфное строение. Кристаллические фазы состоят из шпинеле- и пироксеноподобных составляющих. Аморфная фаза распределяется в виде прослойки между кристаллическими образованиями относительно равномерно. В качестве объектов исследования рассматриваются два вида базальтоподобных синтетических минеральных сплавов: один получен с добавлением 5 % Cr2O3, а другой в результате плавления природного базальта без добавок. Макроструктура рассматриваемых в исследовании материалов, идентифицированная оптической микроскопией, представлена на рис. 1. а б Рис. 1. Структура синтетических минеральных базальтоподобных сплавов: а - с добавлением Cr2O3 (×100); б - без добавок (×50) Ударное воздействие оказывалось с помощью металлического пробойника-шарика диаметром 23,8 мм (сталь 20), для разгона которого использовалась пневматическая установка (рис. 2). Для проведения экспериментов, результаты которых описаны в настоящей работе, установка использовалась в комплектации с разгонной трубой с внутренним диаметром (25 ± 0,2) мм и длиной 3950 мм, с устройством закладки телескопического типа. Рис. 2. Схема установки по проведению испытаний Управление процессом эксперимента осуществлялось автоматизированной системой на базе системы PXI с набором специальных модулей сопряжения разработки National Instruments и удаленного персонального компьютера. Образец хромистого синтетического минерального сплава представлял собой прямоугольную плитку размером 115×180×15, а образец базальтового типа был выполнен в форме фигурной плитки, вписывающейся в размеры прямоугольника 200×100×15. Параметры эксперимента: для образца синтетического минерального базальтоподобного сплава с добавлением Cr2O3 скорость ударника составила 233 м/с, для образца синтетического минерального базальтоподобного сплава без добавок скорость ударника составила 234 м/с. Для улавливания фрагментов разрушения в испытательной камере был размещен углеродный скотч, осажденные на его поверхность фрагменты разрушения были исследованы методом электронной растровой микроскопии с применением микрозондового анализа (микроскоп высокого разрешения S3400N фирмы HITACHI). Исследование поверхности ударника после столкновения было проведено методом оптической микроскопии (бинокуляр Olympus SZ61, поляризационный оптический микроскоп Olympus BX51). Характерной особенностью для обоих образцов является то, что на ударнике после разрушения в зоне контакта с образцом обнаружен пористый припекшийся ореол (рис. 3). Этот ореол является следствием контакта пробойника и поверхности материала и выделения теплоты при фазовых превращениях в материале образца в момент соударения, эти процессы сопровождаются оплавлением синтетического минерального базальтоподобного сплава в момент соударения (рис. 4). а б Рис. 3. Ударник - стальной шарик: а - до испытания; б - после испытания Рис. 4. Момент соударения пробойника и образца, высокоскоростная съемка, скорость съемки 50 000 кадр./с При обследовании поверхности спеченного ореола из синтетического минерального базальтоподобного сплава на поверхности пробойника установлено, что он является высокопористым и зернистым и имеет большое количество трещин (рис. 5). Частицы синтетического минерального сплава легко удаляются с поверхности шарика. Исследование этих частиц показало, что они представляют собой осколочные спеченные образования с оплавлением по поверхности зерен (рис. 6). Рис. 5. Поверхность ореола на ударнике (×20) а б Рис. 6. Частицы из ореола на ударнике: а - бинокуляр (×20); б - оптический поляризационный микроскоп (×50) Исследование растровой электронной микроскопией и рентгеноспектральным микрозондовым анализом показало, что материалом частицы является алюмосиликат (рис. 7), по составу частицы близки к аморфной составляющей исследованных синтетических минеральных сплавов, которая является более легкоплавкой, чем остальные составляющие [6]. Состав частицы синтетического минерального базальтоподобного сплава с поверхности пробойника, % Na2O MgO Al2O3 SiO2 CaO TiO2 FeO 1,99 8,39 25,47 42,91 7,15 0,86 13,22 Рис. 7. Частица синтетического минерального базальтоподобного сплава с поверхности пробойника, РЭМ Исследование фрагментов разрушения позволило выявить следующее. Для обоих экспериментов характерно образование обломочных аморфных частиц с признаками оплавления (рис. 8), в предшествующих экспериментах подобное не фиксировалось [1-5]. Встречаются также аморфные фрагменты без следов оплавления (рис. 9). Оплавленные частицы предположительно являются вторичными, т.е. их аморфизация произошла в результате ударного воздействия, а неоплавленные - первичными, они представляют собой осколки аморфной фазы, изначально присутствовавшей в структуре синтетического минерального сплава. При исследовании фрагментов образца синтетического минерального базальтоподобного сплава с добавлением Cr2O3 обнаружено, что разрушение в зоне кристаллических фаз сопровождалось формированием столбчатого излома (рис. 10), что, если обратиться к геологическим данным [7], позволяет предположить, что в результате воздействия произошло уплотнение материала. Полиморфных превращений зафиксировано не было, поскольку величины давления в зоне удара на скоростях экспериментов не достигли значения, обеспечивающего изменения положения кремнекислородных тетраэдров в структуре кристаллических составляющих синтетического минерального сплава. а б Рис. 8. Фрагменты разрушения с частичным оплавлением: а - синтетический минеральный базальтоподобный сплав с добавлением Cr2O3; б - без добавок а б Рис. 9. Аморфный фрагмент разрушения без оплавления: а - синтетический минеральный базальтоподобный сплав с добавлением Cr2O3; б - без добавок Рис. 10. Фрагмент разрушения синтетического минерального базальтоподобного сплава с добавлением Cr2O3 со столбчатой поверхностью излома В некоторых фрагментах между столбчатыми гранями обнаруживаются пустоты (рис. 11), которые предположительно образуются в результате разрушения более хрупких составляющих. Рис. 11. Фрагмент разрушения синтетического минерального базальтоподобного сплава с добавлением Cr2O3 со столбчатой поверхностью излома и пустотами Кристаллические агрегаты шпинелеподобных фаз, которые являются наиболее твердыми [8] из всех структурных составляющих синтетических минеральных базальтоподобных сплавов, также представлены на изломах некоторых фрагментов (рис. 12). В них имеются не свойственные стабильному состоянию изменения, а именно сростки и признаки деформации. Образование таких сростков можно объяснить как процесс двойникования, что свидетельствует о роли температуры в данном фазовом изменении, поскольку двойникование - это явление, обусловленное ростом кристаллов из расплавов. Рис. 12. Двойникованные шпинелеподобные кристаллиты в структуре фрагмента разрушения образца синтетического минерального базальтоподобного сплава с добавлением Cr2O3 Свидетельством того, что ударное воздействие металлическим пробойником на скоростях около 230 м/с сопровождается оплавлением синтетических минеральных базальтоподобных сплавов в микрообъемах, являются пористые фрагменты разрушения (рис. 13), предположительно образовавшиеся в зоне наиболее интенсивного разогрева образца, т.е. в зоне контакта с ударником. Размер и сферичная форма пор указывают на то, что такой фрагмент является продуктом температурного процесса. При исследовании фрагментов образца синтетического минерального базальтоподобного сплава без добавок обнаружено, что, несмотря на то что процесс соударения также сопровождается оплавлением, при разрушении кристаллических составляющих не формируется столбчатого излома, а напротив, образуется рыхлый излом (рис. 14), отсутствие двойниковых кристаллов и пористых фрагментов также говорит о том, что интенсивность фазовых изменений при ударе значительно ниже, чем у предшествующего образца. Рис. 13. Пористый фрагмента разрушения образца синтетического минерального базальтоподобного сплава с добавлением Cr2O3 Рис. 14. Фрагмент разрушения синтетического минерального базальтоподобного сплава без добавок с рыхлым изломом Таким образом, выявлены фазовые превращения в синтетических минеральных базальтоподобных сплавах при воздействии металлическим пробойником. Установлено, что с точки зрения механизма разрушения фазовые превращения сопровождаются выделением теплоты, достаточной для частичного оплавления материала в микрообъемах, это приводит к аморфизации некоторой его части. Структура кристаллических составляющих уплотняется, возникают условия для двойникования, однако полиморфных превращений на скоростях воздействия около 230 м/с не происходит.

About the authors

A. M Ignatova

Perm National Research Polytechnical University

M. A Nikhamkin

Perm National Research Polytechnical University

L. V Voronov

Perm National Research Polytechnical University

M. N Ignatov

Perm National Research Polytechnical University

References

Statistics

Views

Abstract - 50

PDF (Russian) - 27

Refbacks

• There are currently no refbacks.