28.Структурно-фазові перетворення у вуглецевих сталях при швидкісному, лазерному нагріванні

В общем случае микротвердость (твердость, определяемая как отношение нагрузки к площади отпечатка оставляемого в материале алмазной четырехгранной пирамидой при этом нагрузки составляют 20, 50, 100 г) зависит от содержания углерода в сплаве и скорости охлаждения.

Малоуглеродистые стали имеющие в исходном состоянии феритоперлитную структуру или феритную при лазерном нагреве претерпевают СФП.

При импульсном нагреве с плотностью энергии W_E < 2,5 Дж/мм² и длительности импульса порядка τ = 5 – 6 мс в поверхностном слое стали 20 образуется ЗТВ глубиной 20 –150 мкм. ЗТВ представляет собой зону с плохотравящейся структурой (3% спиртовый раствор НNO₃). При слабом травлении она представляет собой белый слой на фоне темной протравленной феритоперлитной структуры. Структура зоны мелкоигольчатый мартенсит реечного типа, который является малоуглеродистым. Однако микротвердость его достаточно большая 5000 – 6000 МПа. Твердость распределена не равномерно ввиду имеющихся скоплений участков с повышенным содержанием углерода. Глубина слоя определяется длительностью импульса – при 6 мс не превышает 150 мкм.

При обработке с плотностями энергии больше W_E > 2,5 Дж/мм² в ЗТВ у поверхности появляется дополнительный слой имеющий структуру закалки из жидкого состояния. Структура имеет характерное дендритное строение (оси дендритов расположены в направлении теплоотвода). Под этим слоем располагается слой закалки из твердого состояния с характерной мартенситной структурой.

По твердости упрочненный слой, полученный на различных режимах (закалка из твердого состояния, закалка из жидкого состояния) практический не отличаются.

Обработка с оплавлением поверхности приводит к ухудшению шероховатости поверхности (на острых кромках может быть выплеск жидкого металла), что потребует применения последующей механической обработки.

При жестких режимах W_E = 10 – 20 Дж/мм² могут возникать микротрещины. Серия импульсов в одну точку приводит к перекрестализации структуры без существенного изменения глубины ЗТВ.

При обработке непрерывным излучением существенно увеличиваются временные возможности облучения. В этом случае образуются ЗТВ значительно больших размеров как по глубине, так и по ширину (сталь 20 z_max = 0,8 мм при Р = 1 кВт, V = 1 м/мин, d₀ = 5 мм). При этих условиях оплавление поверхности отсутствует, ЗТВ имеет неравномерную структуру. Для увеличения равномерности распределения твердости такие стали целесообразно упрочнять при пониженных скоростях обработки (увеличить время облучения, время аустенизации) или даже обрабатывать с оплавлением поверхности.

29.(30.) Структурно-фазові перетворення у вуглецевих сталях при швидкісному охолодженні.(Механізм Структурно-фазових перетворень і зміна властивостей сталей при швидкісному охолодженні.)

При лазерном нагреве ввиду его локальности, а значит большого градиента температур, обеспечиваются скорости охлаждения за счет электронной теплопроводности значительно превышающие и составляют 10⁵ – 10⁶ °С/с, т.е. при таких скоростях охлаждения можно термический закаливать даже малоуглеродистые стали, которые обычно не закаливаются сталь 10, сталь 20 и др.

Мартенситное превращение, протекающее при таких скоростях охлаждения, имеет определенные особенности:

1. ввиду того, что при таких скоростях охлаждения практический полностью подавляется диффузия углерода, образующийся пересыщенный раствор углерода в α-Fe (мартенсит) имеет увеличенную степень тетрагональности решетки, а значит увеличенные внутренние напряжения, а значит и повышенную твердость;

2. мартенситные пластины (иглы) имеют разупорядоченную в пространстве ориентацию. Поскольку пластическая деформация это движение дислокаций, то и дислокации, располагаясь по границам зерен, имеют также сложную пространственную конфигурацию. Ввиду этого движению дислокаций при пластической деформации препятствуют границы зерен, т.е. имеет место упрочнение;

3. в легированных сталях или сплавах легирующие элементы всегда располагаются по границам зерен. Поскольку высокие скорости охлаждения способствуют формированию высокодисперсной и даже ультрадисперсной структуры, то происходит перераспределение легирующих элементов и равномерность их распределения на порядок становится выше (в среднем величина зерна 0,1…0,5 мкм);

4. поскольку сплавы являются многокомпонентными, многофазными, а каждая фаза имеет свои теплофизические свойства, в том числе коэффициент объемного температурного расширения, то при скоростном цикле "нагрев-охлаждение" в результате быстрого расширения и сжатия фазы испытывают наклеп (упрочнение за счет пластичного деформирования).

Все названные процессы, особенности и представляют собой механизм лазерного упрочнения материала.

31-34.Механизм лазерного упрочнения вуглецевих сталей.

При лазерном нагреве ввиду его локальности, а значит большого градиента температур, обеспечиваются скорости охлаждения за счет электронной теплопроводности значительно превышающие и составляют 10⁵ – 10⁶ °С/с, т.е. при таких скоростях охлаждения можно термический закаливать даже малоуглеродистые стали, которые обычно не закаливаются сталь 10, сталь 20 и др.

Мартенситное превращение, протекающее при таких скоростях охлаждения, имеет определенные особенности:

1. ввиду того, что при таких скоростях охлаждения практический полностью подавляется диффузия углерода, образующийся пересыщенный раствор углерода в α-Fe (мартенсит) имеет увеличенную степень тетрагональности решетки, а значит увеличенные внутренние напряжения, а значит и повышенную твердость;

2. мартенситные пластины (иглы) имеют разупорядоченную в пространстве ориентацию. Поскольку пластическая деформация это движение дислокаций, то и дислокации, располагаясь по границам зерен, имеют также сложную пространственную конфигурацию. Ввиду этого движению дислокаций при пластической деформации препятствуют границы зерен, т.е. имеет место упрочнение;

3. в легированных сталях или сплавах легирующие элементы всегда располагаются по границам зерен. Поскольку высокие скорости охлаждения способствуют формированию высокодисперсной и даже ультрадисперсной структуры, то происходит перераспределение легирующих элементов и равномерность их распределения на порядок становится выше (в среднем величина зерна 0,1…0,5 мкм);

4. поскольку сплавы являются многокомпонентными, многофазными, а каждая фаза имеет свои теплофизические свойства, в том числе коэффициент объемного температурного расширения, то при скоростном цикле "нагрев-охлаждение" в результате быстрого расширения и сжатия фазы испытывают наклеп (упрочнение за счет пластичного деформирования).

Все названные процессы, особенности и представляют собой механизм лазерного упрочнения материала.