Исследование нейтронных пучков раскрывает механизм повышения характеристик соединений броневой стали при сварке трением с перемешиванием

30 июля исследовательская группа Университета штата Огайо использовала нейтронные пучки, полученные на высокопоточном изотопном реакторе (HFIR) Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США, для изучения остаточных напряжений, формирующихся в сварных швах броневой стали при сварке трением с перемешиванием (FSW), с целью оценки влияния этого метода соединения на прочность и эксплуатационные характеристики стыков стальной брони. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Materials Processing Technology.

Исследователи отметили, что целью проекта является разработка новых методов соединения броневой стали для получения стыков с улучшенными баллистическими и взрывными характеристиками, а также создание основы для последующей оптимизации параметров сварки. В качестве экспериментальных образцов использовались катаная гомогенная броневая сталь и броневая сталь повышенной твердости. При традиционной сварке соединение высокотвердых сталей может приводить к размягчению материала и образованию ослабленных зон; существующие подходы часто требуют дополнительного армирования, что, в свою очередь, влечет за собой увеличение массы и затрат.

Сварка трением с перемешиванием отличается от традиционной дуговой сварки. Этот процесс основан на нагреве, возникающем в результате трения между вращающимся инструментом и материалом, что позволяет перевести сталь в состояние, пригодное для соединения, без прямого расплавления образца. Исследовательская группа надеется с помощью этой технологии уменьшить зоны размягчения и создать более стабильные по своим характеристикам соединения броневой стали.

В процессе сварки материал подвергается нагреву и охлаждению, что вызывает его расширение и сжатие, вследствие чего вокруг сварного шва могут возникать остаточные напряжения. Исследователи отмечают, что остаточные напряжения тесно связаны с усталостным поведением материала: усталостное разрушение обычно начинается с мелких поверхностных трещин, которые постепенно распространяются со временем и в конечном итоге приводят к излому. Поэтому точное измерение остаточных напряжений внутри сварного образца является ключевым этапом для определения возможности замены традиционной сварки сваркой трением с перемешиванием.

Для выполнения измерений группа использовала дифрактометр остаточных напряжений высокой интенсивности HIDRA, установленный на реакторе HFIR. Мощность стационарного нейтронного пучка HFIR составляет 85 МВт, что делает его важным источником нейтронов для реакторных исследований в США. Нейтроны обладают высокой проникающей способностью и позволяют получать информацию из глубины материала, недоступную для других методов. HIDRA специально предназначен для пространственного картирования и оптимизирован для определения остаточных напряжений в материалах, что позволяет проводить измерения в заданных трехмерных областях внутри образца.

Исследовательская группа сообщила, что данные, полученные с помощью HIDRA, будут использованы для верификации соответствующих моделей. На следующем этапе исследователи планируют доставить на HFIR образцы, изготовленные с применением традиционной технологии сварки, для сравнения с образцами, полученными методом сварки трением с перемешиванием, и в сочетании с последующими баллистическими испытаниями провести дальнейший анализ влияния остаточных напряжений на баллистические характеристики броневой стали.