高锰钢爆炸硬化专用炸药与硬化机理的研究

摘要

高锰钢具有优良的加工硬化、较高强度和韧性等特性，已被广泛用于铁路辙叉和相关的工程机械上。但由于高锰钢在服役初期的磨耗较大，并且产生严重的压溃塑性变形现象，从而降低了高锰钢的使用寿命。为了提高高锰钢的使用寿命，人们利用爆炸硬化技术来提高高锰钢表面硬度，从而保证内部的高强度和高韧性，可满足特殊工件的需求。目前，在一些西方发达国家，经爆炸硬化用的高锰钢爆炸已得到广泛应用，而我国还没有正式使用爆炸硬化后的高锰钢辙叉，同时，人们对高锰钢爆炸硬化机理还存在较大分歧。因此，系统研究高锰钢爆炸硬化机理，对我国早日使用爆炸硬化高锰钢辙叉具有重要意义，可产生很好的社会效益和经济效益。
　　本文利用试验观察、理论分析和数值计算相结合的方法，在自制新型爆炸硬化用炸药的基础上，从高锰钢爆炸硬化后硬度增加量与爆炸硬化次数之间的关系、炸药爆轰参数对高锰钢爆炸硬化效果的影响、高锰钢爆炸硬化的数值模拟、高锰钢爆炸硬化机理、爆炸硬化后高锰钢力学性能的变化规律以及爆炸硬化对高锰钢辙叉使用寿命的影响等方面进行了系统的研究。
　　首先根据爆炸硬化所需炸药的要求，提出了一种由黑索今、橡胶、钝感剂、增塑剂和防老化剂等成份组成的新型炸药配方;该种配方炸药能够在8号雷管作用下可靠起爆，其撞击感度和摩擦感度分别为28％和24％。在该炸药配方的基础上，制备了密度分别为1.48g/cm3和1.38g/cm3两种不同密度的爆炸硬化用炸药并分别对其爆轰参数进行了测试和计算，结果表明:密度为1.48g/cm3炸药的爆速为7200m/s，爆轰压力为19.18GPa，爆容为0.51 cm3/g，爆轰产物物质速度为1800m/s;密度为1.38g/cm3炸药的爆速为6470m/s，爆轰压力为14.44GPa，爆容为0.54cm3/g，爆轰产物物质速度为1617.5m/s。
　　利用制备的两种不同密度炸药对高锰钢进行爆炸硬化实验，在表面硬度达到352HB、压缩量小于1.0mm的目标前提下，确定高锰钢表面硬度增量与炸药爆轰参数、炸药厚度和爆炸次数之间的定量关系。实验结果表明:在一次爆炸硬化下，在炸药密度相同的条件下，随着炸药厚度的增加，硬化后高锰钢试件表面硬度增加量也在增加;在炸药厚度的相同条件下，炸药密度越大，爆炸硬化后高锰钢试件表面硬度增加量越大;随着爆炸硬化次数的增加，高锰钢试件表面硬度的增加量逐渐减小;硬化后高锰钢表面硬度增加量与爆炸次数呈指数关系;在炸药厚度为3mm时，使用密度为1.48g/cm3和1.38 g/cm3的炸药分别对高锰钢试件进行2次和3次爆炸硬化均能使高锰钢试件表面硬度和压缩量达到规定要求。
　　考虑到炸药爆轰参数对高锰钢爆炸硬化效果的影响，给出了作用在高锰钢试件上冲击波初始参数及其冲量的计算模型。理论计算结果表明:在炸药厚度相同的情况下，随着炸药密度的增加，作用到高锰钢试件上的法向冲量在增加;在炸药密度相同的情况下，作用在高锰钢试件的法向冲量随着炸药厚度的增加而增加，且作用到高锰钢试件上的法向冲量与炸药厚度之间具有线性关系;两种密度炸药作用到试样表面的法向冲量之间具有线性关系，即在炸药厚度相同的情况下，相应的法向冲量的比值为一常数;高锰钢表面硬度的增加量与作用到试件上的总冲量具有线性关系，表面硬度的增加量随着所受到的冲量的增加而增加。
　　利用AUTODYN-3D程序对高锰钢爆炸硬化建立标准模型，通过选择合适的炸药及高锰钢的材料模型和参数，利用SPH求解器对高锰钢爆炸硬化过程进行了数值模拟，数值模拟结果表明:片状炸药与高锰钢试件作用过程为滑移爆轰与高锰钢的相互作用，在高锰钢中入射一个斜冲击波，并向爆轰产物反射稀疏波;对于相同厚度的炸药，炸药的密度越大，作用到高锰钢试件上的冲量越大;对于同种密度的炸药，随着炸药厚度的增加，炸药作用到高锰钢试件上的冲量越大;理论计算值和数值模拟计算值之间的误差不大于5％，这说明了理论模型和数值计算模型的正确性。
　　通过对未爆炸硬化以及两种爆炸硬化条件下得到的高锰钢试件的微观结构、硬度梯度、抗拉强度、延伸率以及冲击韧性等相关力学性能进行对比分析，提出高锰钢爆炸硬化微观机理以及爆炸硬化后高锰钢相关力学性能的变化规律。相关实验结果表明:与未爆炸硬化高锰钢相比，爆炸硬化后高锰钢试样表面有大量滑移线产生，发生塑性变形。在爆轰波的冲击作用下，高锰钢吸收爆炸作用产生的能量，在材料内产生大量的层错和位错，从而使得高锰钢得到硬化。爆炸硬化不仅能提高高锰钢表面硬度，还能提高其一定深度的硬度。在相同深度的情况下，使用密度为1.38g/cm3的炸药进行3次爆炸硬化后高锰钢试件的硬度高于使用密度为1.48g/cm3的炸药进行2次爆炸硬化后高锰钢试件的硬度;爆炸硬化后高锰钢的抗拉强度增加，从爆炸硬化表面向下15mm内，使用密度为1.38g/cm3的炸药进行3次爆炸硬化后高锰钢试件的抗拉强度高于使用密度为1.48g/cm3的炸药进行2次爆炸硬化后高锰钢试件的抗拉强度，但深度在15mm以上时，密度为1.38g/cm3的炸药进行3次爆炸硬化后高锰钢试件的抗拉强度低于密度为1.48g/cm3的炸药进行2次爆炸硬化后高锰钢试件的抗拉强度;爆炸硬化后高锰钢的延伸率和冲击韧性有所降低，在相同深度的情况下，使用密度为1.38g/cm3的炸药进行3次爆炸硬化后高锰钢试件的延伸率和冲击韧性均高于密度为1.48g/cm3的炸药进行2次爆炸硬化后高锰钢试件的延伸率和冲击韧性;从硬化后试件的硬度、抗拉强度、延伸率以及冲击韧性这四方面考虑，使用密度较小的炸药进行多次爆炸硬化效果较好。
　　在高锰钢试件爆炸硬化的基础上，通过对高锰钢辙叉试件进行爆炸硬化实验，从而确定对整体高锰钢辙叉进行爆炸硬化的条件，并对整体高锰钢辙叉进行爆炸硬化实验。实验结果表明:使用厚度为3mm，密度为1.48g/cm3炸药对高锰钢辙叉试件分别在钢板上、空中以及沙土上进行2次爆炸硬化后，高锰钢辙叉试件的硬度增加量分别为77％、70.1％和77.7％;使用厚度为3mm，密度为1.38g/cm3炸药对高锰钢辙叉试件分别在钢板上、空中以及沙土上进行3次爆炸硬化后，高锰钢辙叉试件的硬度增加量分别为85.1％、76.6％和82.6％;相对于在钢板上对高锰钢辙叉试件进行爆炸硬化来说，对高锰钢辙叉试件在空中和沙土上进行爆炸硬化后辙叉试件的整体变形量较小;在沙土上对高锰钢辙叉试件进行爆炸硬化既能保证硬化后辙叉试件的硬度≧350HB，又能保证辙叉试件的整体不发生严重的变形;爆炸硬化后整体辙叉在实际应用的试验结果表明:使用厚度为3mm，密度为1.48g/cm3的炸药在地面上进行2次爆炸硬化的高锰钢辙叉后，高锰钢辙叉的使用寿命提高了40％。使用厚度为3mm、密度为1.38g/cm3的炸药在地面上进行3次爆炸硬化后的高锰钢辙叉的使用寿命提高了53.3％。
　　本文的研究成果可以为高锰钢爆炸硬化生产企业提供理论指导和工程参考。