Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University26610.18323/2782-4039-2022-1-61-72ArticlesСтатьиSpecial aspects of structure formation of a transition zone in a layer composite produced by explosion weldingОсобенности структурообразования переходной зоны в слоистом композиционном материале, полученном сваркой взрывомhttps://orcid.org/0000-0003-3362-9617RozenAndrey E.РозенАндрей Евгеньевич
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Head of Chair “Welding, Foundry Engineering, and Materials Science”

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сварочное, литейное производство и материаловедение»

aerozen@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1847-2917KharinaIrina L.ХаринаИрина Лазаревна
Russian Federation

PhD (Engineering), chief researcher of the Laboratory of Corrosion Tests

кандидат технических наук, главный научный сотрудник лаборатории коррозионных испытаний

cniitmash@cniitmash.comhttps://orcid.org/0000-0001-6459-9516GudenkoAndrey S.ГуденкоАндрей Сергеевич
Russian Federation

PhD (Engineering), Head of Department of Physical and Chemical Methods of Metal Research

кандидат технических наук, заведующий отделом физико-химических методов исследования металлов

andgas@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1770-6678PryshchakAleksey V.ПрыщакАлексей Валерьевич
Russian Federation

PhD (Engineering), assistant professor of Chair “Welding, Foundry Engineering, and Materials Science”

кандидат технических наук, доцент кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение»

metal@pnzgu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7164-7942KhorinAleksandr V.ХоринАлександр Владимирович
Russian Federation

PhD (Engineering), assistant professor of Chair “Control and Material Tests”

кандидат технических наук, доцент кафедры «Контроль и испытания материалов»

alexkho154@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8475-2987BatrashovViktor M.БатрашовВиктор Михайлович
Russian Federation

PhD (Engineering), assistant professor of Chair “Control and Material Tests”

кандидат технических наук, доцент кафедры «Контроль и испытания материалов»

metal@pnzgu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4143-576XGuskovMaksim S.ГуськовМаксим Сергеевич
Russian Federation

PhD (Engineering), assistant professor of Chair “Control and Material Tests”

кандидат технических наук, доцент кафедры «Контроль и испытания материалов»

metal@pnzgu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3970-1707RozenAndrey A.РозенАндрей Андреевич
Russian Federation

postgraduate student of Chair “Welding, Foundry Engineering, and Materials Science”

аспирант кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение»

aarozen@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2501-7768KozlovDmitry V.КозловДмитрий Вячеславович
Russian Federation

postgraduate student of Chair “Welding, Foundry Engineering, and Materials Science”

аспирант кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение»

d_v_kozlov@yahoo.comPenza State University, PenzaПензенский государственный университет, ПензаJSC “RPA “CNIITMASH”, MoscowАО «НПО «ЦНИИТМАШ», Москва310320221617208072021https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/266

The paper presents the research on special aspects of structure formation in the transition zones of a layer metal material made of structural carbon and alloy stainless steels with an internal protector. The authors specify the order of layers arrangement. As an industrial method of producing such a material, the explosion welding technology was selected, which ensures the production of three-, four- and six-layer materials with one and two internal protectors per one explosion. The selection of optimal process parameters was carried out using computer modeling in the LS-DYNA software product. By calculation, the authors determined the main technological parameters of the process, which provide in the contact zone at each interlayer boundary the ratio of the amplitude of the generated waves to their length in the range from 0.3 to 0.5. Mechanical tests of multilayer workpieces were carried out. The shear strength of layers was from 320 to 410 MPa, the ultimate tensile strength of the main layer was from 520 to 710 MPa, the impact resistance was from 290 to 740 kJ/m2, and the bending angle under static loading was 140 degrees and higher. The authors determined the phase composition and characteristics of the crystallographic structure of transition zones of a layer metal material with an internal protector. The study identified the presence of γ-Fe with a face-centered crystal lattice, two cubic structures, one hexagonal, and one orthorhombic. On the samples with artificial pitting, the authors determined their influence on the rate of anodic dissolution of a protective layer when contacting with an aggressive environment. The study shows that the interlayer boundaries with a homogeneous structure and minimal thickness have the highest corrosion resistance.

Приведены исследования особенностей структурообразования в переходных зонах слоистого металлического материала из конструкционных углеродистых и легированных нержавеющих сталей с внутренним протектором. Определена последовательность расположения слоев. Промышленным способом производства такого материала была принята технология сварки взрывом, обеспечивающая получение 3-, 4- и 6-слойных материалов с одним и двумя внутренними протекторами за один подрыв. Выбор оптимальных параметров процесса осуществляли при помощи компьютерного моделирования с использованием программного продукта LS-DYNA. Расчетом определяли основные технологические параметры процесса, обеспечивающие в контактной зоне на каждой межслойной границе соотношение амплитуды образующихся волн к их длине в диапазоне от 0,3 до 0,5. Проведенны механические испытания многослойных заготовок. Величина прочности сцепления слоев на срез составила от 320 до 410 МПа, временного сопротивления на разрыв основного слоя – от 520 до 710 МПа, ударной вязкости – от 290 до 740 кДж/м2, угол загиба при статическом нагружении – 140 градусов и выше. Определен фазовый состав и характеристики кристаллографической структуры переходных зон слоистого металлического материала с внутренним протектором. Установлено наличие γ-Fe с гранецентрированной кристаллической решеткой, две кубические структуры, по одной гексагональной и орторомбической. На образцах с искусственным питтнгом установлено их влияние на скорость анодного растворения протекторного слоя при контакте с агрессивной средой. Показано, что наибольшей коррозионной стойкостью обладают межслойные границы с однородной структурой и минимальной толщиной.

layer metal materialinternal protectorexplosion weldinginterlayer boundarycomputer simulationслоистый металлический материалвнутренний протекторсварка взрывоммежслойная границакомпьютерное моделированиеThe work was carried out within the framework of the project No. 0748-2020-0013 “Scientific principles of formation of heterogeneous structures by the physical-chemical dispersion methods” (state assignment to the university in the field of scientific activity. Customer: Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation). The authors express gratitude to the employees of the specialized laboratory of JSC “RPA “CNIITMASH” (Moscow), JSC Institute of Nuclear Materials (Zarechny, the Sverdlovsk Region), OOO Mid-Volga Region Certification and Diagnostic Center “Delta” (Togliatti, the Samara Region), and to Core Facility Center “ROMET” (Penza) for assistance in carrying out the experiments.Работа выполнена в рамках проекта № 0748-2020-0013 «Научные принципы формирования гетерогенных структур методами физико-химического диспергирования» (государственное задание вузу в сфере научной деятельности. Заказчик: Министерство науки и высшего образования РФ). Авторы выражают благодарность сотрудникам специализированной лаборатории АО «НПО «ЦНИИТМАШ» (г. Москва), АО «Институт реакторных материалов» (г. Заречный, Свердловская область), ООО «Средневолжский сертификационно-диагностический центр "Дельта"» (г. Тольятти, Самарская область) и Центру коллективного пользования ООО «РОМЕТ» (г. Пенза) за помощь в проведении экспериментов.Akpanyung K.V., Loto R.T. Pitting corrosion evaluation: a review. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1378, no. 2, article number 022088. DOI: 10.1088/1742-6596/1378/2/022088.Akpanyung K.V., Loto R.T. Pitting corrosion evaluation: a review // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1378. № 2. Article number 022088. DOI: 10.1088/1742-6596/1378/2/022088.Jafarzadeh S., Chen Z., Bobaru F. Computational modeling of pitting corrosion. Corrosion reviews, 2019, vol. 37, no. 5, pp. 419–439. DOI: 10.1515/corrrev-2019-0049.Jafarzadeh S., Chen Z., Bobaru F. Computational modeling of pitting corrosion // Corrosion reviews. 2019. Vol. 37. № 5. P. 419–439. DOI: 10.1515/corrrev-2019-0049.Xiang Y., Li C., Hesitao W., Long Z., Yan W. Understanding the pitting corrosion mechanism of pipeline steel in an impure supercritical CO2 environment. The Journal of Supercritical Fluids, 2018, vol. 138, pp. 132–142. DOI: 10.1016/j.supflu.2018.04.009.Xiang Y., Li C., Hesitao W., Long Z., Yan W. Understanding the pitting corrosion mechanism of pipeline steel in an impure supercritical CO2 environment // The Journal of Supercritical Fluids. 2018. Vol. 138. P. 132–142. DOI: 10.1016/j.supflu.2018.04.009.Frankel G.S., Li T., Scully J.R. Localized corrosion: Passive film breakdown vs pit growth stability. Journal of the electrochemical society, 2017, vol. 164, no. 4, pp. C180–C181. DOI: 10.1149/2.1381704 jes.Frankel G.S., Li T., Scully J.R. Localized corrosion: Passive film breakdown vs pit growth stability // Journal of the electrochemical society. 2017. Vol. 164. № 4. P. C180–C181. DOI: 10.1149/2.1381704 jes.Chi G., Yi D., Liu H. Effect of roughness on electrochemical and pitting corrosion of Ti-6Al-4V alloy in 12 wt.% HCl solution at 35 °C. Journal of Materials Research and Technology, 2020, vol. 9, no. 2, pp. 1162–1174. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.11.044.Chi G., Yi D., Liu H. Effect of roughness on electrochemical and pitting corrosion of Ti-6Al-4V alloy in 12 wt.% HCl solution at 35 °C // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. № 2. P. 1162–1174. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.11.044.Obeyesekere N. Pitting corrosion. Trends in Oil and Gas Corrosion Research and Technologies, 2017, pp. 215–248. DOI: 10.1016/B978-0-08-101105-8.00009-7.Obeyesekere N. Pitting corrosion // Trends in Oil and Gas Corrosion Research and Technologies. 2017. P. 215–248. DOI: 10.1016/B978-0-08-101105-8.00009-7.Ha H.-Y., Lee T.-H., Lee C.-G., Yoon H. Understanding the relation between pitting corrosion resistance and phase fraction of S32101 duplex stainless steel. Corrosion Science, 2019, vol. 149, pp. 226–235. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.01.001.Ha H.-Y., Lee T.-H., Lee C.-G., Yoon H. Understanding the relation between pitting corrosion resistance and phase fraction of S32101 duplex stainless steel // Corrosion Science. 2019. Vol. 149. P. 226–235. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.01.001.Wei L., Liu Y., Li Q., Cheng Y.F. Effect of roughness on general corrosion and pitting of (FeCoCrNi)0.89(WC)0.11 high-entropy alloy composite in 3.5 wt.% NaCl solution. Corrosion Science, 2019, vol. 146, pp. 44–57. DOI: 10.1016/j.corsci.2018.10.025.Wei L., Liu Y., Li Q., Cheng Y.F. Effect of roughness on general corrosion and pitting of (FeCoCrNi)0.89(WC)0.11 high-entropy alloy composite in 3.5 wt.% NaCl solution // Corrosion Science. 2019. Vol. 146. P. 44–57. DOI: 10.1016/j.corsci.2018.10.025.Mohammed S., Hua Y., Barker R., Neville A. Investigating pitting in X65 carbon steel using potentiostatic polarization. Applied Surface Science, 2017, vol. 423, pp. 25–32. DOI: 10.1016/j.apsusc.2017.06.015.Mohammed S., Hua Y., Barker R., Neville A. Investigating pitting in X65 carbon steel using potentiostatic polarization // Applied Surface Science. 2017. Vol. 423. P. 25–32. DOI: 10.1016/j.apsusc.2017.06.015.Grachev V.A., Rozen A.E., Perelygin Y.P., Kireev S.Y., Los I.S., Rozen A.A. Measuring corrosion rate and protector effectiveness of advanced multilayer metallic materials by newly developed methods. Heliyon, 2018, vol. 4, no. 8, article number e00731. DOI: 10.1016/j.heliyon.2018.e00731.Grachev V.A., Rozen A.E., Perelygin Y.P., Kireev S.Y., Los I.S., Rozen A.A. Measuring corrosion rate and protector effectiveness of advanced multilayer metallic materials by newly developed methods // Heliyon. 2018. Vol. 4. № 8. Article number e00731. DOI: 10.1016/j.heliyon.2018.e00731.Rozen A.E., Kireev S.Yu., Dub A.V., Safonov I.A., Makarova E.A., Rozen A.A., Isakov E.G., Korolkov A.O. Special aspects of arc welding of a laminated corrosion-resistant material. Frontier Materials & Technologies, 2021, no. 4, pp. 57–68. DOI: 10.18323/2782-4039-2021-4-57-68.Розен А.Е., Киреев С.Ю., Дуб А.В., Сафонов И.А., Макарова Е.А., Розен А.А., Исаков Е.Г., Корольков А.О. Особенности дуговой сварки слоистого коррозионностойкого материала // Frontier Materials & Technologies. 2021. № 4. С. 57–68. DOI: 10.18323/2782-4039-2021-4-57-68.Grachev V.A., Rozen A.E., Perelygin Yu.P., Kireev S.Yu., Los’ I.S., Rozen A.A. Accelerated Corrosion Tests of a New Class of Multilayer Metallic Materials with an Internal Protector. Russian Metallurgy (Metally), 2019, no. 3, pp. 247–256. DOI: 10.1134/S0036029519030030.Grachev V.A., Rozen A.E., Perelygin Yu.P., Kireev S.Yu., Los’ I.S., Rozen A.A. Accelerated Corrosion Tests of a New Class of Multilayer Metallic Materials with an Internal Protector // Russian Metallurgy (Metally). 2019. № 3. P. 247–256. DOI: 10.1134/S0036029519030030.Rozen A.E., Korneev A.E., Khorin A.V., Pryshchak A.V., Gudenko A.S., Rozen A.A., Kozlov D.V. Structural formation of interlayer boundaries layered metal material in explosion welding. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2020, no. 11, pp. 41–45. DOI: 10.35211/1990-5297-2020-11-246-41-45.Розен А.Е., Корнеев А.Е., Хорин А.В., Прыщак А.В., Гуденко А.С., Розен А.А., Козлов Д.В. Структурообразование межслойных границ слоистого металлического материала при сварке взрывом // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2020. № 11. С. 41–45. DOI: 10.35211/1990-5297-2020-11-246-41-45.Saikov I.V., Malakhov A.Y., Saikova G.R., Denisov I.V., Gulyaev P.Y. Influence of Explosive Welding Parameters on the Structure of Interface in Brass–Invar Thermobimetal. Inorganic Materials: Applied Research, 2020, vol. 11, no. 2, pp. 448–452. DOI: 10.1134/S2075113320020331.Saikov I.V., Malakhov A.Y., Saikova G.R., Denisov I.V., Gulyaev P.Y. Influence of Explosive Welding Parameters on the Structure of Interface in Brass–Invar Thermobimetal // Inorganic Materials: Applied Research. 2020. Vol. 11. № 2. P. 448–452. DOI: 10.1134/S2075113320020331.Malakhov A.Y., Saikov I.V., Denisov I.V. Brass–Invar Bimetal Interface in the Joint Formed by Explosive Welding. Russian Metallurgy (Metally), 2021, vol. 2021, no. 10, pp. 1289–1293. DOI: 10.1134/S0036029521100219.Malakhov A.Y., Saikov I.V., Denisov I.V. Brass–Invar Bimetal Interface in the Joint Formed by Explosive Welding // Russian Metallurgy (Metally). 2021. Vol. 2021. № 10. P. 1289–1293. DOI: 10.1134/S0036029521100219.Bataev I.A., Lazurenko D.V., Malyutina Y.N., Nikulina A.A., Bataev A.A., Mats O.E., Kuchumova I.D. Ultrahigh cooling rates at the interface of explosively welded materials and their effect on the formation of the structure of mixing zones. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2018, vol. 54, no. 2, pp. 238–245. DOI: 10.15372/FGV20180213.Батаев И.А., Лазуренко Д.В., Малютина Ю.Н., Никулина А.А., Батаев А.А., Матц О.Э., Кучумова И.Д. Сверхвысокие скорости охлаждения на границе свариваемых взрывом материалов и их влияние на формирование структуры зон перемешивания // Физика горения и взрыва. 2018. Т. 54. № 2. C. 122–130. DOI: 10.15372/FGV20180213.Bataev I.A. Structure of explosively welded materials: experimental study and numerical simulation. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty), 2017, no. 4, pp. 55–67. DOI: 10.17212/1994-6309-2017-4-55-67.Батаев И.А. Формирование структуры сваренных взрывом материалов: экспериментальные исследования и численное моделирование // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2017. № 4. C. 55–67. DOI: 10.17212/1994-6309-2017-4-55-67.Mukhutdinov A.R., Garifullin R.Sh., Efimov M.G., Vakhidova Z.R. Explosion welding simulation using Ansys autodyne. Vzryvnoe delo, 2019, no. 125-82, pp. 65–73.Мухутдинов А.Р., Гарифуллин Р.Ш., Ефимов М.Г., Вахидова З.Р. Моделирование процесса сварки взрывом с использованием Ansys autodyn // Взрывное дело. 2019. № 125-82. С. 65–73.Marinin M.A., Khokhlov S.V., Isheyskiy V.A. Modeling of the welding process of flat sheet parts by an explosion. Zapiski Gornogo instituta, 2019, vol. 237, pp. 275–280. DOI: 10.31897/pmi.2019.3.275.Маринин М.А., Хохлов С.В., Ишейский В.А. Моделирование режима протекания процесса сварки плоских листовых деталей взрывом // Записки Горного института. 2019. Т. 237. С. 275–280. DOI: 10.31897/pmi.2019.3.275.Los I.S. Corrosion-resistance evaluation of multi-layered metal materials. Voprosy materialovedeniya, 2016, no. 3, pp. 138–144.Лось И.С. Оценка коррозионной стойкости многослойных металлических материалов // Вопросы материаловедения. 2016. № 3. С. 138–144.