31. Структурно-фазовые превращения в углеродистых сталях при лазерной обработке.

При лазерном термоупрочнении отдельные слои обрабатываемого участка прогреваются по глубине до различных температур, вследствие чего ЗЛВ имеет слоистое строение. В зависимости от микроструктуры и микротвердости в сталях по глубине ЗЛВ различают три слоя.

Первый слой – зона оплавления, имеет место при закалке из расплавленного состояния. Как правило, зона оплавления имеет столбчатое строение с кристаллами, вытянутыми в направлении топлоотвода. Основная структурная составляющая – мартенсит, карбиды обычно растворяются. При оптимальных режимах закалки с расплавлением обезуглероживания не происходит, кратеры и шлаковые включения отсутствуют. При лазерной закалке без оплавления первый слой отсутствует.

Второй слой – зона закалки из твердой фазы. Его нижняя граница определяется температурой нагрева А_С1. В этом случае наряду с полной закалкой происходит и неполная. По глубине данный слой характеризуется структурной неоднородностью. Ближе к поверхности имеются мартенсит и остаточный аустенит, полученные при охлаждении из гомогенного аустенита. Ближе к исходному металлу наряду с мартенситом имеются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидной стали и цементит в заэвтектоидной.

Третий слой – переходная зона, в которой металл нагревался ниже точки А_С1. Если сталь имеет исходное состояние после закалки или отпуска, то в результате лазерной обработки в этом слое образуются структуры отпуска – троостит или сорбит, характеризуемые пониженной микротвердостью.

Подобное слоистое строение характерно для лазерной обработки как импульсным, так и непрерывным излучением.

32. Структурно-фазовые превращения в малоуглеродистых сталях при лазерной обработке.

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.