36.Особливості лазерного гартування чавунів при використанні безперервного потужного лазерного випромінювання
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:
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;
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;
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);
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.
37. Особливості структурно-фазових перетворень при лазерному нагріванні сплавів на основі Алюмінію
ЗЛВ при термоупрочнении алюминиевых сплавов отличается от сталей и чугунов наличием лишь одного слоя, полученного закалкой из жидкого состояния, т.е. зоны оплавления. Зона термического влияния практически отсутствует.
В сплаве АК4и дюралюминах Д16 и Д19 исходная структура представляет собой α-твердый раствор с различного рода упрочняющими вторичными фазами CuAl2, Al2CuMn, Mn2Si и др. Наибольшее упрочнение этих сплавов достигается при искусственном или естественном старении для образования зон Гинье-Престона или вторичных фаз в метастабильном состоянии. После лазерной обработки происходит значительное измельчение зерен α-твердого раствора и исчезновение вторичных фаз. В результате микротвердость в ЗО деформируемых алюминиевых сплавов, предварительно термоупрочненных, несколько понижается по сравнению с исходным состоянием.
В результате лазерной обработки силуминов, в исходном состоянии также подвергнутых старению, структура состоит из первичных светлых зерен α-твердого раствора и эвтектики α+Si. После лазерной обработки структура силуминов в зоне оплавления значительно изменилась. В сплавах с составом, близким к эвтектическому, подавляются кристаллизация и рост первичных кристаллов α и Si. Структура в ЗО имеет квазиэвтектическое строение, отличающееся мелкодисперсностью фаз. Микроствердость при этом чуть выше микротвердости эвтектики в исходной структуре. Крупные первичные кристаллы Si измельчаются в 18…40 раз. Изменяется при этом и морфология фаз: если в исходной структуре эвтектики имеются остроугольные фазы, то после лазерной обработки форма частиц близка к глобулярной. Очевидно, при этом следует ожидать улучшения механических свойств сплавов.
39.Особливості структурно-фазових перетворень при лазерному нагріванні сплавів на основі Титанових сплавів(сплав ОТ4). Вверху имеется темный слой, представляющий собой зону оплавления. Под ним – светлый широкий слой, представляющий собой зону термического влияния. Поверхность зоны оплавления покрыта толстой черной пленкой. Микротвердость в ЗО имеет высокие значения: ОТ4 – 8000…16000 МПа, ВТ6 – 7700…16500 МПа, ВТ3-1 – 5320…10100 МПа, ВТ16 – 6440…8900 МПа.
Для выяснения механизмов упрочнения рассмотрим рентгенограммы поверхностей этих сплавов. Видно, что на рентгенограммах имеются линии TiN и фаз α', α''. В процессе оплавления на воздухе титановые сплавы насыщаются газами, в первую очередь, азотом, и твердость повышается вследствие образования нитридов и оксидов титана. Кроме того, зафиксировано образование мартенситных фаз α' и α'', которые обычно образуются в двухфазных α+β-сплавах при закалке. Это всегда приводит к повышению твердости, причем α'-фаза значительно тверже, чем α''. С увеличением легированности титановых сплавов количество α''-фазы увеличивается, что сопровождается некоторым уменьшением микротвердости.
При обработке с оплавлением в струе защитных газов возможности насыщения расплава азотом и кислородом уменьшаются, уменьшается количество нитридов и оксидов в ЗО и микротвердость титановых сплавов заметно понижается по сравнению с обработкой на воздухе. Для вышеуказанных сплавов она находится в интервале 5000…8500 МПа. После обработки в защитных средах в отличие от обработки на воздухе, поверхность имеет светлый цвет, причем геометрические размеры ЗЛВ меньше. Это объясняется увеличением отражения излучения из-за отсутствия оксидной пленки.
ЗТВ в титановых сплавах состоит из зоны закалки из твердой фазы и переходной зоны. В зоне закалки сплав нагревают до сверхкритических температур. Видна мартенситная структура зоны закалки, т.е. в этой зоне также формируются α' и α''-фазы, чем и объясняется повышение ее микротвердости. Микротвердость этой зоны заметно меньше, чем ЗО, и составляет примерно для сплава ВТЗ-1 6440…6770 МПа, а для ВТ16 – 4860…5080 МПа. Переходная зона имеет заметно большую ширину, чем зона закалки в ЗТВ. Структура переходной зоны двухфазная, аналогичная исходному сплаву, но размеры фаз в ней несколько увеличены. Очевидно здесь имел место нагрев до критической температуры, при этом происходили в сплаве процессы увеличения размеров фаз, поэтому эту зону можно назвать зоной рекристаллизации. Микротвердость в переходной зоне примерно равна микротвердости исходного сплава.