реферат

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
(национальный исследовательский университет)»
(МГТУ им. Н.Э. Баумана)
ФАКУЛЬТЕТ _МТ «Машиностроительные технологии»_______________
КАФЕДРА __МТ-8 «Материаловедение»_____________________________
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
по дисциплине: «Инженерия поверхности»
(реферат на тему: «Обработка взрывом»)
Выполнил: студент гр. _МТ8-82Б_ _________________ (_____Лямин С.А._____)
(Подпись)
Проверил:
(Ф.И.О.)
_________________ (____Пахомова С.___)
(Подпись)
Дата сдачи:
Дата проверки:
Дата защиты:
Результаты сдачи (защиты):
- Балльная оценка:
- Оценка:
Москва , 2025-2026 уч. Год
(Ф.И.О.)
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 3
1. ЦЕЛЬ ОБРАБОТКИ ВЗРЫВОМ ........................................................................ 3
2. СПОСОБЫ ПРОВЕДЕНИЯ ОБРАБОТКИ ВЗРЫВОМ .................................. 6
3. ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ ............................................................. 15
4. ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНАСТКА .................................................................. 19
5. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ И ВЛИЯНИЕ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ............................................................................................ 22
6. КОМБИНИРОВАНИЕ С ДРУГИМИ ВИДАМИ ОБРАБОТКИ ................... 24
7. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И БЕЗОПАСНОСТЬ .................................. 26
8. ПРИМЕНЕНИЕ (ДЕТАЛИ, ИЗДЕЛИЯ) ......................................................... 29
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: .................................................................................... 34
2
ВВЕДЕНИЕ
Обработка материалов энергией взрыва представляет собой уникальное
направление в современной инженерии поверхности, которое за последние
десятилетия эволюционировало от простого разрушения к сложным
технологическим процессам созидания. Принципиально новым подходом
стало перенаправление вектора действия взрыва с целей разрушения на задачи
создания новых материалов и придания им уникальных эксплуатационных
свойств.
1. ЦЕЛЬ ОБРАБОТКИ ВЗРЫВОМ
Основные цели обработки взрывом можно классифицировать по
нескольким направлениям:
1. Поверхностное и объемное упрочнение металлов. Одной из первых и
наиболее успешных областей применения энергии взрыва стало упрочнение
металлических материалов. Прохождение ударных волн в твердых телах
сопровождается интенсивными структурными изменениями: полиморфными
и
фазовыми
превращениями,
процессами
дефектообразования
и
совершенствования структуры. Плотность дислокаций в материале достигает
значений 10¹⁰–10¹² см⁻², что приводит к существенному повышению твердости
и прочностных характеристик.
Наибольшее практическое применение этот метод нашел для упрочнения
зубьев ковшей экскаваторов, деталей камнедробилок, фрез врубовых горных
машин, стрелок и крестовин железнодорожных путей. Износ деталей при этом
3
сокращается
на
40–50%,
а
срок
службы
повышается
на
30%.
2. Формообразование деталей сложной конфигурации (штамповка
взрывом). Листовая штамповка взрывом получила особое развитие в 1960-х
годах благодаря потребностям космической отрасли в крупногабаритных
изделиях, изготавливаемых небольшими партиями. Процесс осуществляется
путем расположения между заготовкой и зарядом ВВ передающей среды
(обычно воды). При взрыве энергия передается среде и далее заготовке,
перемещение металла происходит со скоростями 200–300 м/с.
Данным способом удается штамповать толстостенные крупногабаритные
заготовки
из
труднодеформируемых
металлов
(титановых
сплавов,
нержавеющих сталей), что невозможно или экономически нецелесообразно
выполнять традиционными методами.
3. Сварка взрывом – создание биметаллических композиционных
материалов. Это одно из самых эффективных и в ряде случаев единственно
возможных приложений взрыва для создания высококачественных слоистых
композиционных материалов из разнородных металлов. При сварке взрывом
образование
соединения
происходит
в
результате
деформационного
воздействия при высокой скорости соударения (порядка нескольких сотен
метров в секунду) при малой длительности контактного взаимодействия (~10⁻⁶
с).
Под действием давления продуктов детонации пластина разгоняется и
соударяется с неподвижной под углом γ. В зоне контакта образуется
4
кумулятивная струя, которая способствует самоочищению поверхностей,
металл интенсивно деформируется с образованием волн.
Уникальность метода заключается в возможности соединения практически
любых разнородных металлов и сплавов (сталь + титан, сталь + алюминий,
медь + алюминий и др.) с прочностью соединения на уровне свойств основных
металлов, что недостижимо для традиционных методов сварки. Процессы
диффузии за такое короткое время не успевают произойти, соединение
происходит без расплавления металла.
4. Компактирование порошковых материалов. Энергия взрыва позволяет
достигать максимальной плотности прессовки, близкой к плотности монолита,
за счет реализации высоких давлений (до десятков ГПа). При этом за счет
кратковременности процесса диффузия между компонентами смеси не
происходит, что позволяет сохранять исходные свойства компонентов.
Применяются схемы плоского нагружения (через передающую среду – песок,
воду) и ампульные схемы со скользящим нагружением. Предварительное
вакуумирование порошка предотвращает дефекты, связанные с затрудненным
удалением воздуха.
5. Нанесение композиционных порошковых покрытий. Оригинальные
методы
нанесения
взрывом
на
поверхность
монолитных
заготовок
порошковых покрытий из твердых сплавов (карбидов с металлической
связкой) позволяют создавать износостойкие поверхности с прочностью
сцепления 80–100 МПа (рис. 15). Это дает возможность изготавливать из
плакированных заготовок детали подшипников скольжения, режущий
инструмент и другие изделия.
5
2. СПОСОБЫ ПРОВЕДЕНИЯ ОБРАБОТКИ ВЗРЫВОМ
Современные технологии обработки материалов энергией взрыва включают
широкий спектр методов, каждый из которых имеет свои особенности
нагружения, кинематику процесса и области практического применения. Все
способы можно классифицировать по характеру воздействия ударной волны
на обрабатываемый материал и по целевому назначению технологической
операции.
2.1. Импульсная (ударно-волновая) обработка
Импульсная обработка металлов является одним из первых и наиболее
успешных приложений энергии взрыва. Существует две принципиальные
схемы реализации этого процесса (рис. 1):
6
а) Обработка плоской ударной волной – заряд взрывчатого вещества
располагается параллельно поверхности обрабатываемой заготовки. При
детонации формируется плоская ударная волна, которая перпендикулярно
воздействует на поверхность материала, создавая напряженное состояние
трехосного сжатия. Эта схема обеспечивает объемное упрочнение материала
за счет интенсивной пластической деформации и насыщения кристаллической
решетки дефектами.
б) Обработка скользящей волной – заряд смещается относительно
поверхности заготовки, в результате чего ударная волна распространяется под
углом к поверхности, вызывая сдвиговую деформацию материала. Высокий
уровень касательных напряжений, значительно превышающий сопротивление
пластической деформации, инициирует процесс релаксации во время
нагружения. Сжатый твердый металл переходит в состояние текучести,
сопровождающееся бурным образованием дислокаций плотностью до 10¹⁰–
10¹² см⁻².
В работе Ковалевского с соавторами [1] представлена схема упрочнения
взрывом трубных заготовок из сплава Д16Т на цилиндрическую оправку.
Упрочняемая труба 1 располагается на оправке 2, сверху устанавливаются
7
откольные элементы 3 и 4, заряд ВВ 5 инициируется электродетонатором 6.
При взрыве труба высокоскоростно деформируется на оправку, что
обеспечивает максимальное упрочнение.
2.2. Штамповка взрывом
Листовая штамповка взрывом получила особое развитие в 1960-х годах
благодаря потребностям космической отрасли в крупногабаритных изделиях,
изготавливаемых небольшими партиями. Принципиальная схема процесса
показана на рис. 4 [2].
Процесс осуществляется путем расположения между заготовкой и зарядом ВВ
передающей среды (обычно воды). При взрыве заряда ВВ высвобождающаяся
энергия передается окружающей среде, часть которой затрачивается на
8
деформирование заготовки. Перемещение металла заготовки при этом
происходит со скоростями 200–300 м/с, что требует предварительного
вакуумирования полости матрицы.
Данным способом удается штамповать толстостенные крупногабаритные
заготовки
из
труднодеформируемых
металлов
(титановых
сплавов,
нержавеющих сталей типа 1Х18Н9Т), что невозможно или экономически
нецелесообразно выполнять традиционными методами.
При увеличении скоростей деформации до 100 с⁻¹ наблюдается рост
сопротивления текучести – динамические кривые напряжение–деформация
проходят выше статических. Однако ограничением процесса является
критическая (предельная) скорость формообразования, при превышении
которой наблюдается резкое снижение пластичности.
Для различных материалов получены величины предельных коэффициентов
вытяжки К₀: для титанового сплава ОТ-4 – 1,48, стали Ст3 – 1,55,
нержавеющей стали Х18Н10Т – 1,58, алюминиевого сплава АМг6М – 1,64.
2.3. Сварка взрывом
Сварка взрывом является одним из самых эффективных, а в ряде случаев
единственно
слоистых
возможным
инструментом
композиционных
материалов
создания
из
высококачественных
разнородных
металлов.
Принципиальная схема процесса показана на рис. 7 [2].
9
Металлические пластины располагаются параллельно друг над другом с
некоторым зазором. На поверхности метаемой пластины помещают заряд
взрывчатого вещества, который инициируют детонатором. Фронт детонации
распространяется по заряду со скоростью D. Под действием высокого
давления
расширяющихся
продуктов
детонации
метаемая
пластина
разгоняется до скорости Vc порядка нескольких сотен метров в секунду и
соударяется с неподвижной под некоторым углом γ.
Вершина угла (линия или точка контакта) перемещается вдоль неподвижной
пластины со скоростью контакта Vк в направлении распространения
детонации. В окрестностях линии контакта создаются условия, необходимые
для образования соединения металлов. Перед точкой контакта образуется
кумулятивная струя, которая способствует самоочищению поверхностей
пластин, металл интенсивно деформируется, образуется бугор деформации,
10
который движется с большой скоростью к поверхности противоположной
пластины.
Образование
соединения
происходит
в
результате
деформационного
воздействия при высокой скорости соударения (порядка нескольких сотен
метров в секунду) при малой длительности контактного взаимодействия (~10⁻⁶
с). Процессы диффузии за такое короткое время не успевают произойти.
Поэтому этот способ нашел широкое применение при производстве
металлических слоистых композиционных материалов из разнородных
материалов (сталь + титан, сталь + алюминий, медь + алюминий и др.),
соединить которые традиционными методами сварки затруднительно либо
невозможно.
Соединение происходит без расплавления металла, а получаемые сварные
соединения отличаются исключительно высокой прочностью даже при сварке
«несовместимых» металлов – прочность соединения слоев композита
достигает уровня свойств основных металлов.
2.4. Сварка взрывом с одновременной штамповкой (СВШ)
При сварке взрывом часть энергии бесполезно расходуется на кинетическую
энергию движения сваренного пакета, которая к тому же приводит к
нежелательной макродеформации заготовок. Избыточную энергию можно
использовать для штамповки, совместив эту операцию со сваркой, что
позволяет
исключить
применение
дорогостоящего
прессо-штампового
оборудования и повысить производительность труда.
Базовые схемы СВШ биметаллических изделий цилиндрической формы
представлены на рис. 10 [2]:

а) в матрице – сваренный пакет деформируется в металлической
матрице;

б) по оправке – пакет раздается по цилиндрической оправке.
11

К достоинствам этих схем следует отнести простоту сборки и обеспечение
свободного выхода воздуха между пакетом и металлической матрицей без
применения специальных мер, используемых в известных схемах взрывной
штамповки.
На практике СВШ применяется при изготовлении вкладышей подшипников
скольжения, бронзо-стальных накладок бурового оборудования, медноалюминиевых токоподводящих колодок.
2.5. Обработка сварных соединений
12
Энергия взрыва эффективно используется для повышения усталостной
прочности
и
снятия
остаточных
напряжений
в
сварных
швах.
Принципиальные схемы процесса показаны на рис. 12 [2]:

а) полосовым зарядом – заряд ВВ в виде полосы накладывается на зону
сварного шва;

б) шнуровым зарядом – используется комбинация детонирующих
шнуров;

в) «змейкой» – заряд укладывается зигзагообразно, охватывая зону
действия остаточных напряжений растяжения.
Детонация зарядов такой геометрии осуществляется в скользящем режиме, в
результате чего реализуется трехмерная конфигурация течения металла. После
взрывной обработки остаточные напряжения снижаются до 80–85% от
исходной величины, а использование схемы «змейка» приводит даже к
изменению знака напряжений (с растяжения на сжатие).
Создание полей остаточных напряжений сжатия в местах геометрических
концентраторов
прочности
напряжений
сварных
способствует
соединений:
по
повышению
числу
циклов
усталостной
долговечность
увеличивается в 3–5 раз, пределы выносливости при симметричном цикле
напряжений повышаются на 75–120%.
2.6. Компактирование порошковых материалов
13
Для компактирования дисперсных материалов находят применение самые
разные схемы нагружения (рис. 13 [2]):
а) Схемы плоского нагружения – для передачи давления от продуктов
детонации к обрабатываемому материалу используют передающую среду
(песок, воду и т.п.), применение которой позволяет добиться достаточно
плавного нагружения и разгрузки прессовки, обеспечивающей ее сохранение
от образования откольных трещин.
б) Ампульные схемы со скользящим нагружением – порошок помещается
в металлическую ампулу, которая герметизируется. Хорошие результаты дает
предварительное вакуумирование порошка, предотвращающее дефекты,
связанные с затрудненным удалением воздуха.
Высокий уровень давлений (до десятков ГПа), реализуемых в процессе
обработки, позволяет достигать максимальной плотности прессовки, близкой
к плотности монолита. При этом за счет кратковременности процесса
диффузия между компонентами смеси не происходит, что позволяет сохранять
исходные свойства компонентов.
14
Правильным подбором режима нагружения и использованием в качестве
связки твердого сплава металла, способного к карбидообразованию (например,
титана), можно добиться высокой твердости получаемого материала
непосредственно после взрывной обработки без применения операции
спекания.
3. ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Обработка взрывом позволяет воздействовать на широкий спектр материалов
— от пластичных металлов до хрупкой керамики и полимеров. Уникальность
процесса заключается в том, что при сверхвысоких скоростях деформации (до
104 с−1 ) многие материалы приобретают свойства, которые невозможно
получить при статических нагрузках. Например, хрупкие вещества могут
вести себя как пластичные, а тугоплавкие сплавы успешно деформируются.
3.1. Металлы и сплавы
Основным
объектом
ударно-волновой
обработки
являются
металлы.
Поведение материала при взрыве существенно зависит от его кристаллической
решетки.

Железо и стали: Железо является одним из наиболее изученных
материалов в контексте ударного воздействия. Кривая сжимаемости
железа испытывает характерный излом при давлении 13 ГПа, что
обусловлено полиморфным превращением от объемно-центрированной
кубической решетки (𝛼-фаза) к гранецентрированной (𝛾-фаза) или
гексагональной (𝜀-фазе). Это фазовое превращение сопровождается
резким увеличением твердости и прочностных характеристик. Для
низкоуглеродистых и нержавеющих сталей (например, марок Ст3,
1Х18Н9Т,
2Х13)
взрывная
штамповку
заготовок,
обработка
которые
трудно
позволяет
осуществлять
поддаются
формованию
обычными методами. Также взрыв эффективно используется для
15
повышения усталостной прочности сварных швов на стальных
конструкциях.

Алюминиевые сплавы (Дюралюминий Д16): В работе В.Н.
Ковалевского [1] подробно исследовано поведение сплава Д16Т,
упрочняемого термомеханической обработкой. Схема «закалка +
естественное старение + упрочнение взрывом + естественное (или
искусственное) старение» позволила достичь рекордных значений
временного сопротивления разрыву 𝜎в = 600–630 МПа. Механизм
упрочнения
основан
интерметаллидных
на
выделении
зон
на
дефектах
кристаллической
фаз
Гюнье-Престона
и
решетки,
созданных взрывом. Искусственное старение при 150∘ Cв течение 4
часов обеспечивает стабилизацию структуры без охрупчивания (𝜎в =
580–600 МПа, 𝛿 = 7–8%).

Титановые сплавы: Титановые сплавы (например, ОТ-4) отличаются
высокой прочностью и низкой теплопроводностью, что затрудняет их
обработку давлением в статике. При штамповке взрывом удается
избежать растрескивания и получить сложные формы (например, днища
сосудов) благодаря высокому гидростатическому давлению среды.
3.2. Биметаллические композиции (Разнородные металлы)
Одно из важнейших направлений в инженерии поверхности — создание
биметаллов. Традиционная сварка плавлением часто невозможна для пар
металлов, образующих хрупкие интерметаллиды (например, титан + сталь,
алюминий + медь). Сварка взрывом позволяет соединять практически любые
разнородные металлы (сталь + титан, сталь + алюминий, медь + латунь).
Поскольку время контактного взаимодействия крайне мало (∼ 10−6 с),
диффузия не успевает вызвать фазовые превращения, приводящие к
хрупкости.
16

Пример применения: Биметалл «сталь-титан» используется для
создания антикоррозионных реакторов в химической промышленности,
где сталь обеспечивает прочность, а титан — стойкость к агрессивным
средам.
3.3. Порошковые материалы и керамика
Взрывное компактирование идеально подходит для материалов, склонных к
растрескиванию при обычном прессовании (керамика, твердые сплавы).

Металлокерамика: В работе Лысака и Кузьмина [2] описано
прессование смесей карбидов (например, карбида хрома Cr3 C2 с
металлической связкой из титана). Ударная волна позволяет достигать
плотности прессовки, близкой к монолиту (пористость не более 3%), без
применения операции спекания (рис. 14).


Износостойкие покрытия: Смеси порошков наносятся на поверхность
стальных деталей (например, вкладышей подшипников). Прочность
сцепления покрытия с основой достигает 80–100 МПа.
17
3.4. Полимерные материалы
Ударно-волновая обработка нашла необычное применение для активации
полимеров (фторопласт Ф-4, сверхвысокомолекулярный полиэтилен СВМПЭ).

Механизм:
При
прохождении
микропластическая
деформация,
ударной
разрыв
волны
происходит
полимерных
цепей
и
образование макрорадикалов (рис. 17).

Структурные изменения: Микроструктура полимера Ф-4 меняется с
волокнистой на плотную с пучками нанофибрилл (рис. 18).

Практическое значение: Это позволяет осуществлять сварку трудно
свариваемых полимеров (например, труб из Ф-4) и создавать прочные
18
соединения типа «полимер-металл», что открывает путь к созданию
металлополимерных композитов.
3.5. Углеродсодержащие материалы (Синтез алмазов)
Уникальным «обрабатываемым материалом» является само взрывчатое
вещество, содержащее избыток углерода (смесь тротила и гексогена). При
детонации ВВ с отрицательным кислородным балансом создается температура
и давление, достаточные для того, чтобы свободный углерод конденсировался
в виде алмазной фазы (рис. 21). Выход детонационных наноалмазов (ДНА)
составляет 8–17%от массы заряда, при этом размер частиц не превышает
10 нм. Такие наноалмазы используются
для
создания сверхтвердых
полировочных паст и антифрикционных добавок.
4. ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНАСТКА
В отличие от традиционных методов обработки металлов давлением, где
используется стационарное прессовое оборудование, обработка взрывом часто
представляет
собой
мобильную
или
полуустановочную
технологию.
«Оборудование» в данном случае — это совокупность заряда взрывчатого
19
вещества
(ВВ),
передающей
среды,
технологической
оснастки
и
вспомогательных систем.
4.1. Заряды ВВ и системы инициирования Основным «инструментом»
выступает заряд ВВ. В зависимости от задачи используются:

Пластичные ВВ и гексоген: для создания ударных волн требуемой
мощности.

Детонирующие
шнуры
(ДШ):
используются,
например,
при
развальцовке труб в трубных досках теплообменников. Шнуры
укладываются внутрь трубок через пластиковые муфты и подрываются
одновременно по всей поверхности решетки.

Удлиненные кумулятивные заряды (УКЗ): Для резки металлов
применяются профилированные металлические трубки (с медной или
алюминиевой облицовкой), наполненные гексогеном.

Инициирование: осуществляется с помощью электродетонаторов,
обеспечивающих точный момент начала процесса.
4.2. Технологическая оснастка (Матрицы, оправки, контейнеры)

Матрицы и оправки: при штамповке взрывом и упрочнении трубных
заготовок используются металлические матрицы или цилиндрические
оправки.
Например,
в
схеме
упрочнения
сплава
Д16Т
труба
насаживается на стальную оправку, а сверху фиксируется откольными
элементами для предотвращения разрушения трубы при ударе.

Генераторы
плоской
детонационной
волны:
Специальные
устройства, необходимые для нанесения порошковых покрытий на
большие
площади.
Они
формируют
фронт
ударной
волны,
параллельный поверхности детали.
20

Ампулы (контейнеры): при компактировании порошковых материалов
часто используются герметичные металлические ампулы, внутри
которых создается вакуум перед засыпкой порошка.
4.3. Передающие среды: для передачи энергии взрыва на заготовку без
прямого контакта или для сглаживания профиля давления используются
передающие среды:

Вода: Основной элемент в штамповке взрывом. Заряд подвешивается в
емкости с водой над заготовкой. Вода передает гидродинамическое
давление равномерно по всей поверхности листа.

Песок:
используется
в
схемах
плоского
нагружения
при
компактировании порошков для плавной разгрузки прессовки, что
предотвращает образование откольных трещин.
4.4. Вакуумные системы Использование вакуума является критически
важным условием для ряда процессов:

При штамповке: Скорость деформации металла достигает 200–300 м/с.
Чтобы воздух не создавал подушку, препятствующую заполнению
матрицы, полость матрицы предварительно вакуумируется.

При компактировании: Воздух, находящийся между частицами
порошка, при быстром сжатии может вызвать «отдачу» или разрушение
таблетки. Поэтому порошки часто вакуумируются в ампулах перед
взрывом.
4.5. Термическое оборудование Для комплексной термомеханической
обработки
(например,
сплава
Д16Т)
наряду
со
взрывной
камерой
используются печи искусственного старения. Процесс включает нагрев до
500°C (закалка), взрывную деформацию и последующую выдержку при
температурах 150–200°C в течение 4–30 часов.
21
5. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ И ВЛИЯНИЕ НА
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Влияние энергии взрыва на материалы носит сложный характер и проявляется
на нескольких уровнях: от изменения атомно-кристаллической структуры до
повышения макроскопических эксплуатационных характеристик готовых
изделий. Уникальность взрывной обработки заключается в том, что благодаря
сверхвысоким скоростям деформации (102 –104 с−1 ) материалы приобретают
такие свойства, которые невозможно получить при статическом нагружении
или традиционной термообработке.
5.1. Структурные изменения на микроуровне
Основным механизмом упрочнения при ударно-волновой обработке является
насыщение объема материала дефектами кристаллической решетки. Под
воздействием мощной ударной волны сжатый твердый металл переходит в
состояние пластической текучести.
1. Увеличение плотности дислокаций: В материале возникает бурное
образование линейных дефектов (дислокаций). Их плотность возрастает
с типичных значений до 1010 –1012 см−2 . Скопление дислокаций
затрудняет движение других дислокаций, что приводит к резкому
увеличению твердости и предела текучести.
2. Фазовые превращения: при давлениях выше критических (например,
13
ГПа
для
железа)
происходит
полиморфное
превращение
кристаллической решетки (𝛼-фаза в 𝜀-фазу). Это сопровождается
скачкообразным ростом твердости.
3. Особенности упрочнения сплавов Д16Т: как показали исследования
В.Н. Ковалевского, при обработке дюралюминия (сплав Д16Т) по схеме
«закалка + взрыв + старение» достигаются рекордные механические
свойства. Временное сопротивление разрыву (𝜎в ) достигает значений
600–630 МПа, что значительно выше стандартных показателей (440
22
МПа). Этот эффект достигается за счет того, что энергия взрыва ускоряет
выделение упрочняющих фаз (зоны Гинье-Престона и интерметаллиды
𝐶𝑢𝑀𝑔𝐴𝑙, 𝐶𝑢𝐴𝑙2 ) непосредственно на дефектах решетки, созданных
ударной волной. При искусственном старении (выдержка при 150∘ Cв
течение 4 часов) структура стабилизируется без охрупчивания, сохраняя
высокий уровень прочности и относительного удлинения (7–8%).
5.2. Повышение износостойкости
Для деталей, работающих в условиях абразивного износа (зубья ковшей
экскаваторов,
режущие
инструменты,
детали
горнодобывающего
оборудования), взрывная обработка позволяет значительно продлить срок
службы.

Механизм
упрочнения
поверхности
(наклеп)
увеличивает
сопротивление выкрашиванию и истиранию.

По данным В.И. Лысака, обработка деталей из высокомарганцовистой
стали взрывом снижает износ на 40–50%.

В результате срок службы таких изделий возрастает на 30% и более, что
обеспечивает существенную экономию при эксплуатации тяжелой
техники.
5.3. Влияние на усталостную прочность и остаточные напряжения
Сварка и механическая обработка часто создают в изделиях зоны
растягивающих остаточных напряжений, которые являются центрами
зарождения усталостных трещин. Обработка взрывом позволяет эффективно
бороться с этим дефектом.

Снятие напряжений: при обработке сварных швов ударной волной
(полосовыми
или
шнуровыми
зарядами)
уровень
остаточных
напряжений растяжения снижается на 80–85% от исходной величины. В
23
некоторых случаях (схема «змейка») напряжения даже меняют знак на
сжимающие, что наиболее благоприятно для усталости.

Долговечность: Создание полей сжимающих напряжений в зоне
концентрации напряжений (у корня шва) повышает усталостную
прочность сварных соединений в 3–5 раз. Пределы выносливости при
симметричном цикле напряжений возрастают на 75–120%. Это
критически важно для ответственных конструкций (трубопроводы,
мосты, корпуса ракет).
5.4. Свойства композиционных и порошковых материалов
Обработка
взрывом
позволяет
получать
материалы
с
уникальными
порошков
(керамика,
прессовки,
близкая
свойствами, недостижимыми в равновесных условиях:

Плотность:
при
металлокерамика)
компактировании
достигается
плотность
к
теоретической плотности монолита. Пористость снижается до уровня 2–
3%, что позволяет исключить процесс спекания.

Твердость
сплавов:
Использование
металлов,
способных
к
карбидообразованию (например, титана) в связке с карбидами,
позволяет за счет реакции на границах зерен получать твердые сплавы
высокой прочности сразу после взрыва.

Прочность соединения: при нанесении порошковых покрытий
прочность сцепления слоя с основой достигает 80–100 МПа, что
позволяет использовать такие заготовки для изготовления подшипников
скольжения.
6. КОМБИНИРОВАНИЕ С ДРУГИМИ ВИДАМИ ОБРАБОТКИ
Технология обработки взрывом обладает уникальной гибкостью и часто
интегрируется в традиционные технологические цепочки для усиления
эффекта или сокращения количества операций. Синергия взрывного
24
воздействия с термической или механической обработкой позволяет получать
материалы с характеристиками, недостижимыми при использовании методов
по отдельности.
6.1. Термомеханическая обработка (ТМО) сплавов Одним из самых ярких
примеров комбинированной обработки является упрочнение дюралюминия
(сплав Д16). Традиционно для упрочнения используется схема: «закалка +
пластическая деформация + старение». Однако пластическая деформация на
прессах требует значительных усилий и создает неоднородность свойств. В.Н.
Ковалевский
предложил
заменить
статическую
деформацию
высокоскоростной деформацией взрывом. Оптимальная технологическая
схема выглядит следующим образом:
1. Закалка: Нагрев до 500°C и охлаждение в воде (получение
пересыщенного твердого раствора).
2. Естественное старение: Выдержка при комнатной температуре (начало
выделения зон Гюнье-Престона).
3. Упрочнение взрывом: Высокоскоростная деформация трубы на
оправку. Ударная волна создает высокую плотность дислокаций, которые
становятся центрами кристаллизации для упрочняющих фаз.
4. Искусственное старение: Нагрев до 150°C (4 часа).
Взрывная обработка в этой цепочке играет роль катализатора: дефекты
решетки,
созданные
(интерметаллидам
взрывом,
𝐶𝑢𝑀𝑔𝐴𝑙и
позволяют
𝐶𝑢𝐴𝑙2 )
выделяться
упрочняющим
более
фазам
дисперсно
и
равномерно. В результате временное сопротивление разрыву достигает 600–
630 МПа, что на 20–30% выше, чем при классической закалке и старении, при
сохранении достаточной пластичности (7–8%).
6.2. Сварка взрывом с одновременной штамповкой (СВШ) В процессе
сварки взрывом значительная часть энергии заряда переходит в кинетическую
25
энергию сваренного пакета, что часто приводит к нежелательной деформации
изделий.
Ученые
Волгоградского
государственного
технического
университета (В.И. Лысак, С.В. Кузьмин) разработали метод, использующий
эту «лишнюю» энергию с пользой. Технология Сварки Взрывом с
Одновременной Штамповкой (СВШ) позволяет за один импульс:
1. Соединить слои биметалла (например, сталь + бронза).
2. Придать пакету нужную форму (раздать по оправке или выдавить в
матрицу).
Энергетический баланс процесса показывает, что кинетическая энергия
движения сваренного пакета (𝑊к ) расходуется на деформацию (𝑊шт ). Это
позволяет исключить дорогостоящее прессовое оборудование. Данная
комбинированная
технология
широко
применяется
для
изготовления
вкладышей подшипников скольжения, бронзо-стальных накладок бурового
оборудования и медно-алюминиевых токопроводящих колодок.
6.3. Комбинированная сварка (Взрыв + Дуговая) Обработка взрывом часто
является первым этапом в создании переходных звеньев для традиционной
сварки. Например, соединение стали и титана дуговой сваркой невозможно изза образования хрупких интерметаллидов. В таких случаях создают
биметаллическую вставку (переходник) методом сварки взрывом (стальтитан). Затем к стальной стороне этого переходника приваривают стальную
конструкцию, а к титановой — титановую арматуру, используя обычные
методы (TIG/MIG сварку). Таким образом, взрыв обеспечивает качественный
стык разнородных металлов, а дуговая сварка завершает монтаж узла.
7. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И БЕЗОПАСНОСТЬ
Обработка материалов энергией взрыва обладает рядом существенных
преимуществ с точки зрения экологии и охраны окружающей среды по
26
сравнению с традиционными методами металлургии и металлообработки
(литьем, дуговой сваркой, термической обработкой).
7.1. Отсутствие вредных выбросов при сварке (Холодная сварка) Одним
из главных экологических плюсов сварки взрывом является то, что процесс
соединения происходит в твердом состоянии без расплавления металла.

Отсутствие газов и дыма: Поскольку нет фазового перехода «твердое
тело →жидкость», не происходит испарения легирующих элементов и
окисления металла. В атмосферу не выделяются вредные аэрозоли и
газы, характерные для дуговой сварки.

Отсутствие УФ-излучения: Процесс не сопровождается электрической
дугой, что исключает вредное ультрафиолетовое излучение для
персонала и окружающей среды.

Отсутствие
шлаков:
Не
требуется
применение
флюсов
или
электродных покрытий, что eliminates проблему утилизации сварочных
шлаков.
7.2. Энергоэффективность и сохранение тепла Взрывная обработка — это
сверхбыстрый процесс (время контакта при сварке ∼ 10−6 с).

Адиабатический процесс: Из-за высокой скорости деформации
выделяющееся тепло не успевает рассеяться в окружающую среду (как
это происходит при медленном прессовании или прокатке). Вся энергия
расходуется на изменение структуры материала.

Экономия энергии: Для штамповки или сварки крупногабаритных
деталей (например, корпусов ракет или труб большого диаметра) не
требуются огромные печи для нагрева заготовок до ковочных
температур, что значительно снижает энергопотребление предприятия.
27
7.3. Увеличение срока службы изделий (Ресурсосбережение) Упрочнение
взрывом деталей, работающих в условиях абразивного износа (зубья
экскаваторов, крестовины ж/д путей), снижает их износ на 40–50%.

Это приводит к увеличению срока службы деталей на 30% и более.

С экологической точки зрения это означает сокращение частоты замены
деталей, уменьшение объема металлолома и снижение потребности в
добыче и переработке новых руд.
7.4. Утилизация и синтез материалов (Детонационные наноалмазы)
Уникальным примером «зеленой» химии является синтез детонационных
наноалмазов (ДНА).

Алмазы синтезируются непосредственно из углерода, содержащегося в
самом взрывчатом веществе (смесь тротила и гексогена с отрицательным
кислородным балансом).

Таким образом, химическая энергия ВВ и его углеродный компонент
трансформируются в ценный наноматериал, используемый в полировке
и биомедицине, без необходимости добычи природных алмазов.
7.5. Безопасность производства: несмотря на использование взрывчатых
веществ,
современные
технологии
обеспечивают
высокий
уровень
безопасности.

Локализация: Процессы проводятся в специальных промышленных
камерах или на полигонах.

Вакуумирование: Использование вакуумных систем при штамповке и
компактировании предотвращает разлет пыли и осколков.

Контролируемость:
соударения)
Расчеты
позволяют
точно
параметров
дозировать
(масса
заряда,
энергию,
угол
исключая
разрушение оборудования.
28
8. ПРИМЕНЕНИЕ (ДЕТАЛИ, ИЗДЕЛИЯ)
Обработка взрывом давно перестала быть экзотическим лабораторным
методом и прочно вошла в технологические цепочки многих отраслей
промышленности. Благодаря способности придавать материалам уникальные
эксплуатационные свойства, а также соединять компоненты с принципиально
разной физической природой, взрывные технологии часто выступают
безальтернативным или наиболее экономически эффективным решением.
Область применения охватывает как тяжелое машиностроение, так и
высокотехнологичные сферы.
8.1. Горнодобывающая промышленность и тяжелое машиностроение:
наиболее массовое применение обработка взрывом нашла для упрочнения
деталей, работающих в условиях экстремального абразивного и ударного
износа. Речь идет о рабочих органах землеройной и горной техники: зубьях
ковшей
экскаваторов,
режущих
кромках
бульдозеров,
кулачках
камнедробилок, фрезах врубовых горных машин. Упрочнение поверхности
высокомарганцовистой стали ударно-волновым воздействием создает эффект
наклепа и формирует структуру, устойчивую к выкрашиванию. Практика
показывает, что износ таких деталей сокращается на 40–50%, а межремонтный
ресурс
увеличивается
не
менее
чем
на
30%.
Для
предприятий,
эксплуатирующих парк тяжелой техники, это означает снижение затрат на
замену узлов и простоев оборудования.
8.2. Железнодорожный транспорт Важнейшим элементом стрелочных
переводов являются крестовины и сердечники, которые испытывают
колоссальные динамические нагрузки и удары при прохождении подвижного
состава. Традиционные методы термообработки не позволяют в полной мере
решить проблему смятия головки рельса. Взрывная обработка сердечников
крестовин (схема с «всквашиванием» поверхности) позволяет исключить
29
начальную зону смятия и повысить износостойкость. Срок службы
стрелочных переводов возрастает в 1,5–2 раза, что напрямую влияет на
безопасность движения и экономику железнодорожных перевозок.
8.3.
Авиационная
и
космическая
промышленность
В
авиа-
и
ракетостроении взрывные технологии используются для решения задач,
которые невозможно выполнить на стандартных прессах из-за габаритов или
свойств материалов.

Крупногабаритная штамповка: Изготовление панелей обшивки, днищ
и силовых элементов каркасов из труднодеформируемых титановых
сплавов и нержавеющих сталей. Скорость формообразования (200–300
м/с) позволяет избежать разрыва металла при глубокой вытяжке.

Трубы из сплавов Д16Т: Высокоскоростная деформация трубных
заготовок на оправку в сочетании с закалкой и старением позволяет
получать элементы конструкций с временным сопротивлением разрыву
до 600–630 МПа, что критически важно для ответственных узлов
летательных аппаратов.

Аварийный
ремонт:
Уникальным
примером
стала
заделка
технологической пробоины на готовом корпусе топливного бака
сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия-Буран» (диаметр 16 м). С
помощью компактного цилиндрического заряда и приварной накладки
соединение было выполнено без демонтажа бака, что спасло
уникальный экземпляр от утилизации.
8.4.
Химическая
промышленность,
энергетика
и
теплообменное
оборудование: для агрессивных сред традиционно используются титановые
или
циркониевые
сплавы,
однако
их
высокая
стоимость
делает
цельнометаллические аппараты экономически нецелесообразными. Сварка
взрывом позволяет создавать биметаллические емкости и реакторы, где
несущим
элементом
выступает
дешевая
углеродистая
сталь,
а
30
коррозионностойкий слой (толщиной 0,5–5 мм) из титана или циркония
защищает оборудование от химического разрушения. В теплообменниках и
конденсаторах атомных и химических станций широко применяется
взрывная развальцовка труб в трубных досках. Заряды в виде
детонирующего
шнура
размещаются
внутри
трубок
и
подрываются
одновременно. Труба пластически деформируется, обеспечивая плотную
посадку и герметичность соединения, после чего выполняется контрольная
обварка. Этот метод заменяет трудоемкую механическую развальцовку и
исключает риск негерметичности при термоциклировании.
8.5. Нефтегазовый комплекс и трубопроводный транспорт Взрывные
технологии решают задачи, требующие оперативности и работы под
давлением.

Вварка отводов в действующие трубопроводы: Комбинированная
технология позволяет приварить профилированную стальную пластину
через медный подслой к магистрали, находящейся под давлением, без
остановки перекачки продукта. После вырезки отверстия вваривается
отвод традиционной дуговой сваркой.

Кумулятивная резка: Удлиненные кумулятивные заряды (УКЗ) с
медной или алюминиевой облицовкой используются для перфорации
нефтегазодобывающих скважин и оперативной резки труб при ремонте
подводных и наземных коммуникаций.
8.6. Электротехника и подшипниковая промышленность Технология
сварки взрывом с одновременной штамповкой (СВШ) стала стандартом для
производства биметаллических вкладышей подшипников скольжения. Пакет
«сталь + бронза/алюминий» сваривается и сразу же раздается по
цилиндрической форме. Стальной каркас обеспечивает прочность посадки в
постели, а антифрикционный слой гарантирует работу узлов трения в тяжелых
режимах. Аналогично изготавливаются медно-алюминиевые токоподводящие
31
колодки и шинные переходы для ЛЭП, где требуется минимальное переходное
сопротивление и высокая механическая стойкость контакта.
8.7. Медицина, сельское хозяйство и нанотехнологии Применение энергии
взрыва вышло далеко за рамки металлургии:

Детонационные наноалмазы (ДНА): синтезируются непосредственно
из углерода ВВ с отрицательным кислородным балансом (смеси
ТНТ/гексогена). Выход составляет 8–17% от массы заряда, размер
частиц
–
менее
10
нм.
ДНА
используются
в
качестве
высокоэффективного абразива для полировки оптических элементов,
добавок в моторные масла и смазки, сорбентов для очистки воды, а также
в биомедицине для доставки лекарств и создания биосовместимых
покрытий имплантатов.

Стимуляция
посевного
материала:
Метод
экстремального
воздействия слабыми ударными волнами (давление 5–20 МПа) на семена
растений (гречиха, ячмень, томаты) переводит биополимеры в
стеклообразное состояние, продлевая жизнеспособность и стимулируя
физиологические процессы. Это повышает всхожесть и увеличивает
урожайность на 15–25% без применения химических удобрений.
8.8. Ремонт и восстановление конструкций Энергия взрыва эффективно
используется
для
повышения
надежности
существующих
металлоконструкций. Обработка сварных швов крупных мостовых ферм,
корпусов судов и резервуаров детонирующими шнурами или полосовыми
зарядами снимает до 80–85% растягивающих остаточных напряжений.
Создание полей сжимающих напряжений в зонах концентраторов повышает
усталостную долговечность соединений в 3–5 раз, предотвращая развитие
трещин и аварийные разрушения.
Таким
образом,
сфера
применения
обработки
взрывом
непрерывно
расширяется. От ремонта бронетехники в полевых условиях до создания
32
нанокомпозитов для медицины – технология доказала свою универсальность,
экономическую эффективность и незаменимость в современных инженерных
задачах.
33
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Ковалевский, В. Н. Обработка взрывом и искусственное старение
дюралюминиевого сплава Д16Т / В. Н. Ковалевский, Г. М. Сенченко, Н.
И. Урбанович // Материаловедение и металловедение в металлургии и
машиностроении : сб. докл. междунар. науч.-техн. конф., Минск, 22–23
сент. 2005 г. – Минск : БНТУ, 2005. – С. 246–249.
2. Лысак, В. И. Применение энергии взрыва для создания и обработки
материалов и конструкций / В. И. Лысак, С. В. Кузьмин // Наука Юга
России. – 2022. – Т. 18, № 4. – С. 66–84. – DOI: 10.7868/S25000640220408.
3. Дерибас, А. А. Физика упрочнения и сварки металлов взрывом / А. А.
Дерибас. – Новосибирск : Наука, Сиб. отд-ние, 1972. – 216 с.
4. Лысак, В. И. Сварка взрывом / В. И. Лысак, С. В. Кузьмин. – М. :
Машиностроение-1, 2005. – 544 с.
34