高锰钢整铸辙叉爆炸硬化实践与研究.pdf

2 ∞9 年4 月高锰钢整铸辙叉爆炸硬化实践与研究安二峰等 2 5 高锰钢整铸辙叉爆炸硬化实践与研究。 安二峰杨军陈鹏万 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室 北京，1 0 0 0 8 1 [ 摘要] 针对目前爆炸硬化所用炸药的性能不足，研制出一种高聚物粘结塑性炸药，利用该塑性炸药对高锰钢 辙叉进行爆炸硬化。试验表明，经过该炸药表面硬化后的高锰钢辙叉，在铸造基体硬度为H B l 7 0 1 9 0 时，一次硬 化后，表面硬度达到H B 2 6 0 2 8 0 ；两次硬化后，表面硬度达到H B 3 1 0 3 3 0 。并进一步结合金相分析，探讨当前国 内在高锰钢爆炸硬化中硬度测量方面存在的问题。最后，运用动力有限元软件对高锰钢爆炸硬化工艺过程进行了 数值模拟，模拟结果与实验情况基本吻合。 【关键词] 爆炸力学塑性炸药高锰钢爆炸硬化数值模拟 [ 分类号] ∞8 2 ．3 嘲．2 l l 引言 高锰钢辙叉爆炸硬化在2 0 世纪8 0 年代初是爆 炸加工领域的一个研究热点。在中科院力学所、铁 道科学研究院和山海关桥梁厂以及铁道专业设计院 的合作下，进行了系统的高锰钢整铸辙叉的爆炸硬 化研究，取得了一系列研究成果，在爆炸硬化炸药设 计方面研制出塑料板状爆炸硬化炸药【1 ．2 】。9 0 年 代，陈勇富等继续将该塑料硬化炸药改良为橡塑炸 药，该硬化问题看似得到了圆满解决，但在炸药和工 艺方面一直未达到铁道工业应用化标准，至今也没 有在国内推广应用口’4 1 ；相反，欧、美等发达国家却 纷纷在8 0 年代以后建立工业标准，并推广使 用仲】。 2 0 c r 7 年，本文作者与有关辙叉生产单位合作， 对高锰钢辙叉爆炸硬化用炸药和工艺进一步进行系 统研究，研究发现国内对高锰钢硬度的测量存在很 大问题。大量有关爆炸硬化参考文献显示国内对 爆炸硬化高锰钢硬度的测量采用的是洛氏硬度，而 国内铁道标准和发达国家的高锰钢辙叉硬度采用的 是布氏硬度u ．s J 。研究发现，两种硬度测量在高锰 钢上不具有等价转换性。 2 高聚物粘结塑性爆炸硬化炸药 目前，我国主要有两类以R D x 为主炸药的板状 爆炸硬化炸药，一类是塑料片状炸药，另一类是橡塑 片状炸药。这些中高爆速的爆炸硬化用炸药，基本 上能够满足日常情况下的爆炸硬化加工需要，但局 限性亦很明显。从当前所使用的可塑性爆炸硬化炸 药来看，爆炸硬化用炸药存在以下几方面的缺陷 1 低温使用性能差。在低温情况下，不能可 靠起爆或炸药本身变硬、变脆，不易敷设，造成冬季 无法施工。 2 药片密度均匀性差。可塑性炸药在人工擀 制时，质点不易迁移，均匀性差；炸药感度较敏感，不 能使用压面机压制，致使工艺稳定性差，成品率低。 3 起爆难度大，需在起爆端加传爆药起爆。 4 毒性大，工作人员常有头痛和尿频现象出 现。 针对国内现有爆炸硬化用炸药的不足，该项研 究结合中铁山桥集团铁路辙叉爆炸硬化出口需求， 研制成功一种塑性高聚物粘结炸药。该塑性炸药能 够通过爆速调节组分准确调整炸药爆速，使爆速可 以在3 0 0 0 8 0 0 0 ∥s 范围内变化；因此，该炸药可广 泛应用于爆炸加工的各个领域。下面以该爆炸硬化 用炸药为例阐述其工艺和性能。 该塑性硬化炸药的主要成分为普通黑索今，以 烯烃类高聚物作粘结剂，另加癸二酸二辛酯塑性剂、 液体石蜡钝感剂及惰性粉体爆速调节剂等组成，各 种组分均无毒、无刺激性气味[ 9 ．1 0 1 。该爆炸硬化炸 药捏合后形态和初胚形态如图l 所示。 该塑性炸药配制完成后，用模具制作初胚，初胚 经过压面机压制成型，压制成型后的药片在辙叉试 件上的敷设情况如图2 所示。 3 高锰钢爆炸硬化的实验研究 爆炸硬化就是敷设炸药爆炸后，利用爆炸冲击 波和爆轰产物与高锰钢 含锰1 1 ％一1 4 ％，含碳 0 ．9 ％一1 ．3 ％的一种耐磨钢 表面相互作用，金属 收稿日期2 ∞8 1 0 J 略 作者筒介安二峰 1 9 r 7 5 一 ．男，讲师，主要从事鼍炸力学及爆炸加工技术研究。B 叫丑皿d - 钆一b 谴．e d u ．∞ 万方数据 2 6 - 爆破器材E 【p l o s i V eM a l e r i a l s 第3 8 卷第2 期 图1塑性炸药捏合形态和初胚的形态 图2 塑性炸药在试件上的敷设情况 中产生强烈冲击波，金属晶体结构上产生位错或孪 晶，随之硬化。冲击波压力越高，爆炸硬化次数越 多，则表面硬度越大，但也越容易产生裂纹，严重影 响硬化效果；因此，爆炸硬化炸药并不是爆速越高越 好。 3 ．1 爆炸硬化一次实验及结果 利用上述研制的塑性爆炸硬化炸药，对整铸高 锰钢试件进行一次爆炸硬化研究，高锰钢基体硬度 为H B l 7 0 ～1 9 0 ，爆炸硬化实验前、后情况如图3 所 示。爆炸硬化过后，高锰钢表面遗留灰迹表明该塑 性炸药爆轰性能稳定，药层敷设均匀，表面硬度分散 性小，起爆距离很短，仅有6 7 m m 的距离。 一次硬化后，在参考有关文献基础上【lq 】，采用 两种硬度计对高锰钢的爆炸硬化硬度分别进行测 量，这两种硬度计分别为洛氏 R c 和布氏硬度计 图3 硬化一次前、后实验情况 H B ，测试的结果如表1 所示。 表l 爆炸硬化一次表面硬度测试 3 ．2 硬度测量及剖面金相分析探讨Ⅲ1 由于表l 所示两种测量方法的测量值之间存在 换算关系，但对同一试件的两种测量结果经换算后 竟然大相径庭。对于平均初始硬度为H B l 8 0 的1 ’ 高锰钢试件来说，经一次爆炸硬化后，布氏测量平均 结果为H B 2 6 6 ；而洛氏 R c 测量平均结果为3 6 ．6 ， 将洛氏 R c 测量结果换算成布氏硬度为H B 3 4 l ，同 一块试件，两种测试结果相差如此巨大。在相关参 考文献中，国内爆炸界多采用洛氏硬度进行测量，而 国内外铁标则采用布氏硬度测量，哪种测量结果正 确呢 金相分析发现，高锰钢基体晶粒相对粗大，晶粒 大小不一，平均粒径达到O ．2 m m 以上，如图4 和图5 所示。而洛氏 R c 硬度计的压痕装置是针状的，接 触面积小，当压痕打在晶体和晶界上时，硬度值具有 显著差别，显然用该法测量高锰钢的硬度不太合适。 布氏硬度计 H B 的压痕装置是球状的，测量时接触 面积大，硬度测量值一致性好。另一方面，高锰钢爆 万方数据 2 ∞9 年4 月高锰钢整铸辙叉爆炸硬化实践与研究安二峰等 2 7 炸硬化前后测量值均在布氏硬度有效测量范围中部 区间，而处于洛氏 R c 硬度有效测量范围的下部区 间。对于国外高锰钢辙又爆炸硬化标准而言，也是 以布氏 H B 测量为标准的【2 J 。综合以上三方面的 探讨可知，布氏 H B 测量结果是合理可信的。另 外，从对l 。、2 。试件的金相分析图片上的位错滑移带 的分布来看，高锰钢经过一次爆炸硬化后，硬化层深 度可达1 3 1 6 m m o 型 髫 戗 鼍 图6 辙叉爆炸硬化情况 剖面深度／衄 图7 爆炸硬化后硬度随深度的变化情况 值模拟研究。在计算中，运用A L E 计算方法，炸药 厚度为3 咖，长6 0 c m ；高锰钢厚度为4 c m ，长 l o o c m 。塑性炸药采用H I G H E x P L O S ⅣE B u R N 材 料模型和凡几状态方程，空气采用N U L L 材料模型 和L I 】姬A R ．P o I 朋、『O M 【A L 状态方程，高锰钢采用 J o H N S O N ．C O O K 材料模型和G R U N E I S E N 状态方 3 ．3 二次爆炸硬化实验 程。炸药主要材料参数为P 1 ．5 lg ／c o ，D 6 7 结合高锰钢辙叉爆炸硬化出口需求，在小试件k l n ／s ，A 3 7 4 G P a ，B 3 2 3 G P a ，R l 4 1 5 ，R 22 试验基础上，运用上述研制的爆炸硬化用炸药进行 0 ．9 5 ，∞ O ．3 ，e o 7 k J ／c m 3 ；高锰钢主要材料参数 了爆炸硬化试生产。通过生产试验研究表明在硬为p 7 ．8 3g ／c m 3 ，G 7 7 G P a ，A O ．7 9 2 G P a ，B 化前初始基体硬度为H B l 7 0 1 9 0 情况下，使用该 0 ．5 1G P a ，玷 0 ．2 6 ，C 0 ．0 1 4 ，m 1 ．0 3 ，乙 塑性炸药对高锰钢辙叉进行爆炸硬化，经爆炸硬化1 7 9 3 K ，k 2 9 4 K ，c o 4 ．5 6 9 l 吖8 ，s 1 ．4 9 ，y 一次后，表面硬度达到H B 2 6 0 2 8 0 ，深度达1 6 m m ；1 ．9 ；采用c m g - p s 建模u 。 两次硬化后，表面硬度可以达到H B 3 l O 一3 3 0 ，深度 4 ．2 数值模拟结果 达3 0 衄以上；硬化后经探伤表明，表面和内部无裂 为了研究爆炸硬化工艺过程及其硬化机理，本 纹、无损伤。进行一次和两次爆炸硬化作业时的实 研究主要从滑移爆轰波压力、钢中的冲击波压力和 验情况见图6 所示；一次和二次爆炸硬化后，硬度随爆炸硬化表面下沉量三个参数来进行研究。 剖面深度的变化情况见图7 所示。 首先从数值模拟的下沉量来看，下沉量是高锰 4 爆炸硬化工艺的数值模拟研究 钢辙叉爆炸硬化工艺中的一个主要指标，它决定辙 4 ．1 材料模型及参数叉铸造加工中预留量的多少，一般取最大下沉量作 根据爆炸硬化工艺实际情况，利用动力有限元预留量。爆炸硬化端部下沉效应很明显，爆炸硬化 软件 L s D Y N A 3 D 对其爆炸硬化工艺过程进行数 一次的最大下沉量并不出现在起爆点处，而是距离 万方数据 2 8 爆破器材E 【p l o s i v eM m e r i a l 8 第3 8 卷第2 期 起爆端一小段距离 1 0 c m 左右 ，如图8 a 所示；这 与爆炸硬化测量结果基本一致，计算的最大下沉量 为1 ．6 衄，而实际测量的最大下沉量为1 ．O m m 左 右，计算比实际测量结果偏大。除了端部以外，其它 部分下沉量均在O ．4 5 一O ．6 0 姗，如图8 b 所示。 逞 蕾 星 b 图8 爆炸硬化端部效应及其它部位下沉量随时间变化 其次，从滑移爆轰波和钢中冲击波压力来看，在 爆炸硬化中，由于炸药层厚度很薄，仅3 m m 左右，滑 移爆轰波计算压力仅有3 4 G P a ，远小于该炸药的 C ．J 爆轰压力；钢中冲击波最大压力为5 6 G P a ，如 图9 所示。由于从有关爆炸冲击相变的资料来看， 高锰钢要发生高压马氏体相变一般至少需要达到 8 9 G P a 以上的压力才可以；因此，从以上分析，爆 炸硬化机理不应由马氏体相变起主导作用，而是位 错滑移所致n 2 J 3 1 。 蛊 o 、 R 出 图9 炸药滑移爆轰压力和钢中冲击波压力曲线。 5 结论 1 研制出一种高聚物粘结塑性爆炸硬化炸 药，该炸药具有耐低温，抗拉强度高，爆轰性能稳定 等优点。 2 在有关文献基础上，探讨了高锰钢爆炸硬 化中有关硬度测量的有关问题，发现利用洛氏硬度 计对高锰钢进行硬度测量是不科学的，利用布氏 H B 硬度计进行测量的结果是科学有效的。 3 利用所研制的爆炸硬化炸药进行高锰钢辙 叉爆炸硬化时，在高锰钢基体硬度为H B l 7 0 ～1 9 0 情况下，一次硬化后，高锰钢表面硬度达H B 2 6 0 2 8 0 ；两次硬化后，表面硬度达H B 3 l O 一3 3 0 。 4 利用动力有限元数值模拟结果显示，爆炸 硬化的最大下沉量不在起爆点处，而是距离起爆端 一小段距离，该距离大致为钢板厚度的2 3 倍，与 实验结果基本一致，但模拟结果下沉量偏大；其余地 方下沉量在O ．4 5 一O ．6 0 m m 之间，与实验结果吻合。 5 数值模拟结果进一步显示，爆炸硬化时，滑 移爆轰波压力远小于其C - J 爆轰压力，该压力传人 钢表面层的压力也明显低于发生高压马氏体相变所 需要的压力。因此，爆炸硬化机理不应该是由高压 马氏体相变主导的，这与绝大部分参考文献中的观 察结果是吻合的。 参考文献 【1 ] 赵士达，陈维波．高锰钢整铸辙叉爆炸硬化的研究 [ J ] ．爆炸与冲击，1 9 8 2 ，2 1 1 1 2 3 ． [ 2 ]陈维波．塑料板状炸药[ J ] ．爆炸与冲击，1 9 8 4 ，4 3 6 5 7 0 ． [ 3 】陈勇富，洪友秋．高锰钢爆炸硬化理论及技术[ J ] ．矿 冶工程，1 9 9 3 ， 1 1 6 2 0 ． [ 4 ] 陈勇富，洪友秋．高锰钢爆炸硬化机理【J ] ．海南矿冶， 1 9 9 4 ， 3 2 0 一2 4 ． [ 5 ] 郑哲敏，杨振声．爆炸加工[ M ] ．北京国防工业出版 社，1 9 8 1 ．5 3 2 5 3 6 ． 【6 】龙维棋．特种爆破技术[ M ] ．北京冶金工业出版社， 1 9 9 1 6 ．2 0 5 2 1 2 ． [ 7 ] 张俊秀，刘光烈．爆炸及其应用技术[ M ] ．北京兵器 工业出版社，1 9 9 8 ．4 2 3 4 2 5 ． [ 8 ]中华人民共和国铁道部．铁道行业标准 高锰钢辙叉 技术条件T B ／1 撕．2 I 0 4 [ S ] ．北京中国铁道出版 社，2 0 0 4 ． [ 9 ]混合炸药编写组．猛炸药的化学与工艺学[ M ] ．北 京国防工业出版社，1 9 8 3 ．1 8 7 1 9 1 ． [ 1 0 ] 孙国祥．高分子混合炸药【M ] ．北京国防工业出版 社。1 9 8 4 ．2 3 1 2 1 5 2 ． [ 1 1 ] 时党勇，李裕春，张胜民．基于 砸嬲／L S - m ⅢA 8 ．1 进行显式动力分析[ M ] ．北京清华大学出版社， 2 ∞5 ．1 8 4 3 2 6 ． 下转第3 l 页 万方数据 2 0 0 9 年4 月阳江核电站负挖爆破地震波衰减参数的回归分析与研究宁强等 3 l 表4 预裂爆破加速度测量值 爆破振动要比深、浅孔爆破强得多‘2 1 。 4 结论 表5 不同爆破方式参数比较 根据质点振动加速度公式，采用数值回归的方 法，计算出阳江核电站拟进行负挖地段的爆破衰减 参数，并验证所得参数的可信性。发现预裂爆破和 深、浅孔爆破由于爆破方式的不同，在爆破地震加速 度上存在较大的差异，其中预裂爆破在同等条件下 引起的爆破地震效应较大，为今后拟进行的负挖爆 破施工提供理论和技术支持。 参考文献 【l 】于亚伦．工程爆破理论与技术[ M 】．北京冶金工业出 版社，2 0 0 r 7 ．4 5 5 ． 【2 】郭学彬，张继春．微差爆破的波形叠加作用分析【J ] ． 爆破，2 ∞6 ，2 3 2 4 8 ．4 9 ． 黜掣咖砌舢蛐I ．o rA №加棚蚰P 舢e t e 髂o f 瑚a s 6 坞s e i 锄王cW 愀缸 N e g 娟“ D i g 醇呜a t 州i a n g N l _ c l e a rP o 刑肾S 纽廿伽 眦N GQ i 柚g ，祧X i a 唧 功出雠T i I l gh I 曲u 钯t I fE 唱i I 圮叮C o 町埒，P L AU I l i 啪畸0 fS c i e n ∞＆T e c h n 山啊 J i a n 8 mN a n j i I l g ，2 l ∞0 r 7 W A N GM i T I 庐I l g 7 ∞3 2 u n “t I fP L A I l l l b e ic l l a n 8 | b l l i ，4 3 2 7 2 1 【A B S 豫 c T 】 o I I 岫b 鹕i 8o ft h en 神e 锄聊墙唱舳di 协b l a 8 血唱o f 岫Ⅱl i f dn 似i I It h e6 衅咖萨p m j e c t 砒 Y a r 酒i 舢唱N u d l e 叮P ．州盯吼B t i 叩蛐di 协6 e 旧t e ∞，t h em e 鹪l l r e d1 ，i 啪o na o c e l e m 6 伽v l d u 髓i 8r e 伊∞8 e d ，舳dt l l e 蜘I l B ． 妇p a m m e t e 墙o fb l 髓血g8 e i 8 mw Ⅱ卵 K 锄da i nt l l j B 陀g ．o na 陀d b t a i n e d ．A f I 贫盯咀I y z i I I gt h ev i b 蒯加i l l t e n 8 畸c E ft h e 8 l o p et h e 陀l a 汹h i pb t 慨ni I I2 0 m 删觚di I l 柏ma w a y ，i ti 3f 池dt I l a te a c h0 f t h 锄i 8n o ti I lal i l 屺缸r e l 砒i 伽，a n d t h ed i 珏凹眦∞0 f 她删岫眦硝咖瑚m e 啪0 fb 枷n g 的i | m J i a I l d 口 i np 把一叩l i 出I 唱b l 碰玛日I l d 州8 h a l l 删b ‘髓 b k 血l gB ∞8 t l l d i e d ． [ 硒Ⅳw O 尉粥] 龇瞄衄词础，n 叼击他日明倒∞，砒∞u 幽I 胂删蜘 上接第船页 [ 1 2 ] 李明山，赵士达，师国顺．高锰钢爆炸硬化的微观机 制[ J ] ．金属学报。1 9 如，2 6 6 3 9 1 3 9 4 ． 【1 3 】T ．z ．m B 句r n 淄．＆p l ∞i 他w e l d i 唱，F o 皿i I l ga I - d c 锄p ∞6 叩[ M ] ．A p 曲e ds c i e I 啪眦h 啪啪， 1 9 8 3 ．9 0 1 0 9 ． 呻佃脚I 嘲他皿州I 加j 嵋o f ＆I 删S t e e l 舢脚 A NE 南唱，Y 肘临J 衄，C 阳’NP e n g 咖n S t m e 硒岫0 f 岫鼬黼a I I d ％M 0 9 y ，酬i n g 蜥m t e0 f ‰h n o 蛔 酬i I l g ，1 0 0 0 8 1 [ A B 黜]‰t h e 曲I 砷l g e 80 f 既p 1 0 s 确u 6 e d 叩唧h i 他b 且r l d e I l i I l g mP 啦e n t ，B 嗍p 咖埘b o n d e dp h s 6 c 昏 幽i v ei 8d e v e 】o p e d ．’I k 唧l o B i v eh r d e 血g 眈p e r i n 嘲佃衄H a 曲e l dn e e lo fr B i l 丘。伊8 h o wt h 砒t h el l 且r d I I 幅s ∞t l I e8 u r - 鼬o f 砌呻锄舢h 丘砌肋1 7 0 _ 1 9 0f oH B 2 6 0 ～2 8 0b yh a z d 朗e d0 n e 妇a I l dl oH B 3 1 0 _ 3 3 0b y 删咖 血∞．H 础∞s 咖籼m 衄t 60 f 靠p l o B i v eh a r d 即i I l 哆蛐l I l 衄l e d 砒e da 陀d i 鲫岫| e db a 8 e d 鲫咖嚏a u 9 卿h ya I l a l y 8 i 8 ．A t l 且s t ，t h ee x p l o B i v eh 丑I d e I l i n g i 8 血l l l l 矗l e db y b 由姐，柚d t h e n 酬船u h 5 叭鲫删d l y 哪1 8 i 删试t he x p e r i m 肌t 舟 池． [ ⅪⅣW 0 砌 s 】盘p I l 赫联宅b 蛆妇，岫口岫，m 删砷e e l ，缸岫h l m 融i ％，加武血d 血叫l a 6 叩 万方数据