28. Общая характеристика структурно-фазовых превращений в сталях при лазерном облучении: нагрев, охлаждение, критические точки, критические скорости охлаждения, влияние содержания углерода.

СФП определяются химическим составом материала, исходным структурным состоянием, температурой и временем нагрева, скоростью охлаждения.

Лазерный нагрев отличается высокими скоростями процесса (10³…10⁶ °С/с), высокой локальностью, что обуславливает интенсивный теплоотвод в холодную массу основы со скоростями 10³…10⁶ °С/с. Эти скорости и накладывают свой отпечаток на своеобразие СФП-й в отличии от таковых при классических способах нагрева.

Сплавы на основе железа

В равновесном состоянии железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода имеют различную структуру. α-Fe – ферит, имеет объемно-центрированную (ОЦК) решетку (9 атомов). В присутствии углерода, который образует с железом раствор внедрения и располагается в межузлиях решетки, образуется, в зависимости от содержания углерода, феритоперлитная (перлит – механическая смесь ферита и цементита), перлитная и перлитоцементитная структура. В заэфтектоидных сталях избыточный цементит выделяется по границам зерен и образует цементитную сетку.

При нагреве в сплавах протекают полиморфные превращения. При нагреве выше точки А_С1 (727 °С – первая критическая точка) α-Fe превращается в γ-Fe (аустенит, имеющий решетку в виде гранецентрированного куба (ГЦК), образованного 14-ю атомами и имеющую больший объем чем ОЦК α-Fe). При этом межузлия и в этой решетку заполняются углеродом.

При нагреве в межкритическом интервале А_С1–А_С3 в первую очередь превращение испытывает α-Fe перлита. Такие превращения называются неполными. При нагреве выше второй критической точки А_С3 происходит полное превращение α-Fe в γ-Fe. Этот процесс называется аустенизацией.

При лазерном нагреве протекают аналогичные превращения. Однако чрезвычайно высокие скорости нагрева входят в конфликт со скоростью диффузии углерода. В результате чего, при прочих равных условиях, может иметь место неполные превращения (не полная аустенизация). Для осуществления полной аустенизации необходимо или делать выдержку при высокой температуре или осуществлять нагрев до более высоких температур. Поскольку при лазерном нагреве сложно осуществлять выдержку. По этому принято смещать критические точки А_С1 и А_С3 на величину 80 – 100 °С в сторону увеличения.

Второй особенностью лазерного нагрева является то, что с увеличением скорости нагрева значительно уменьшается величина аустенитного зерна. Лазерный нагрев позволяет без опасности "перегрева" проводить аустенизацию во всем температурном интервале, включая температуру плавления Т_ПЛ.

При охлаждении железоуглеродистых сплавов протекают обратные γ-Fe → α-Fe полиморфные превращения. При медленном охлаждении от температуры аустенизации наблюдается распад аустенита на феритоперлитную смесь (отжиг). При охлаждении со скоростями (касательная к С образной кривой) в точке М_Н (начало мартенситного превращения) переохлажденный аустенит превращается в мартенсит (при охлаждении ГЦК решетка γ-Fe при М_Н перестраивается в ОЦК решетку α-Fe меньшего объема. При этом углерод, заполнявший ГЦК решетку, не успевает диффундировать и остается в ней, хотя она сама перестраивается в ОЦК решетку. Избыточный углерод искажает ОЦК решетку – меняется ее период (степень тетрагональности), увеличиваются внутренние напряжения, несколько увеличивается объем решетки, увеличивается твердость). Чем больше скорость охлаждения, содержание углерода в сплаве тем выше твердость мартенсита. При скоростях охлаждения промежуточных значение образуются промежуточные структуры: бейнит, троостит, сорбит.

Чтобы подавить диффузию углерода при охлаждении для стали с содержанием углерода 0,35 – 0,4 % и больше требуется скорость охлаждения 200 °С/с. При меньшем содержании углерода требуются значительно более высокие скорости охлаждения, которые получить обычными способами сложно. Поэтому малоуглеродистые стали, т.е. меньше 0,3 % не закаливаются, а предварительно подвергаются цементации.

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.