35. Особенности структурно-фазовых превращений в низколегированных сталях.
Образцы стали 20ЮЧ обрабатывали на однокиловатном СО2-лазере при плотностях мощности 15,7 и 45,8 мВт/м2 и скоростях соответственно 3,25 и 7,5 мм/с. В зоне оплавления в верхней части ЗТВ образуется реечный мартенсит с рельефными границами между пакетами, аналогично стали Ст3. Однако длина реек мартенсита заметно меньше. Микротвердость в верхней части ЗО остается 5000 МПа, а в нижней части, где дисперсность мартенсита выше, – 6500 МПа.
По мере увеличения глубины в ЗТВ увеличивается неоднородность микроструктуры: появляются участки феррита с микротвердостью 2000…2500 МПа и участки мартенситотроостита с микротвердостью 3400…4800 МПа. Мартенситотроостит образуется на месте бывшего перлитного зерна и около него. Еще ниже расположен слой неполной закалки, включающий феррит с микротвердостью 1900…2100 МПа и мартенсит с микротвердостью 7000…11200 МПа, образовавшийся на месте перлита. В нижней части ЗТВ на границе с исходной структурой имеется феррит и бейнит. Границы бейнитных зерен (Нμ = 2800…5300 МПа) размыты и имеют повышенную травимость. Образование бейнита обусловлено понижением скорости охлаждения на границе с исходным металлом.
В малоуглеродистой стали наличие легирующих элементов приводит к заметному увеличению количества мартенсита в ЗТВ, очевидно из-за понижения критической скорости охлаждения. Незначительно увеличивается и микротвердость.
36. Особенности структурно-фазовых превращений в высоколегированных сталях.
Диффузионная подвижность углерода в высоколегированных сталях уменьшается настолько, что трудно осуществить лазерную закалку при оптимальной степени аустенизации, т.е. с достаточным насыщением твердого раствора и минимальным растворением карбидной фазы, при малой мощности излучения может не достигаться насыщение аустенита и при закалке образуется малоуглеродистый мартенсит и остаточный аустенит. При большой энергии излучения возможно пересыщение аустенита за счет растворения карбидов, и после охлаждения образуется большое количество остаточного аустенита. Следовательно, для высоколегированных сталей имеется узкий интервал режимов, при которых мартенсит содержит достаточное количество углерода, а растворение карбидов находится в начальной стадии. Этот интервал режимов индивидуален для каждой стали и осуществить его можно как при обработке без оплавления, так и с минимальным оплавлением поверхности.
37. Механизм лазерного упрочнения сталей, чугунов, цветных сплавов.
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.