Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и оценка перспектив использования скоростного лазерного нагрева для целей термической обработки ма териалов. Постановка задачи исследования 9
2. Методические основы исследований 23
2.1 Методика металлографических исследований лазерно-облученного металла 23
2.2 Методика рентгеноструктурных исследований металла после лазерного облучения 24
2.3 Методика электронно-микроскопических исследований зон лазерной обработки 25
2.4 Методика исследований зон лазерного воздействия с использованием сканирующего туннельного микроскопа 25
2.5 Методика мультифрактальной параметризации структур после лазерной обработки 26
2.6 Методика статистического моделирования и прогнозирования свойств лазерно-облученного металла 30
2.7 Теплостойкость лазерно-упрочненного металла и методика ее определения 33
2.8 Износостойкость и методы ее определения 34
3. Тепло физические особенности процессов, протекающих в металлах при
их поверхностной обработке с гипервысокими скоростями 35
3.1 Численное моделирование тепловых процессов 35
3.2 Экспериментальное определение температуры металла в зонах лазерной обработки 40
4. Особенности организации структуры сталей и сплавов при импульсной лазерной обработке 48
4.1 Морфология зон пятна лазерного облучения 48
4.2 Строение зоны лазерной закалки из жидкого состояния 49
4.3 Роль массопереноса в создании структурной картины при импульсной лазерной обработке с подплавлением поверхности 60
5. Металлофизические исследования эффектов локальной пластической деформации в зонах лазерного облучения материалов 72
5.1 Экспериментальные исследования эффектов локальной пластической деформации в зонах лазерной обработки 72
5.2 Расчет напряжений сдвига 86
5.3 Количественные характеристики тонкой структуры металлических материалов в зонах лазерной обработки 94
5.4 Мультифрактальной параметризации структуры и прогнозирование свойств облученных сталей и сплавов 100
5.5 Релаксация напряжений посредством полигонизации и рекристаллизации при высокоскоростных процессах лазерной обработки... 111
6. Структурные особенности процесса упрочнения металлических материалов при лазерной обработке 124
6.1 Выявление физической природы влияния пластической деформации на процессы зарождения и роста в условиях гипернеравно-весности 125
6.2 Влияние исходной структуры сталей на эффект лазерного упр очнения 132
6.3 Особенности у—»а превращения в процессе скоростного лазерного термоупрочнения 149
6.4 Анализ причин увеличения количества у-фазы при лазерном облучении сталей и её влияние на основные эксплуатационные характеристики 154
6.5 Концептуальные положения проблемы прочности сталей и сплавов после лазерной обработки 162
6.6 Устойчивость структур лазерной закалки к разупрочнению при нагреве 180
7. Технологические принципы лазерного поверхностного упрочнения деталей машин и металлообрабатывающего инструмента 187
7.1 Рекомендации по выполнению технологического процесса лазерного упрочнения 194
7.2 Производственные испытания упрочненного металлообрабатывающего инструмента и технологической оснастки 196
Заключение 198
Библиографический список
- Методика рентгеноструктурных исследований металла после лазерного облучения
- Методика статистического моделирования и прогнозирования свойств лазерно-облученного металла
- Роль массопереноса в создании структурной картины при импульсной лазерной обработке с подплавлением поверхности
- Количественные характеристики тонкой структуры металлических материалов в зонах лазерной обработки
Введение к работе
Актуальность проблемы
Современный уровень развитая машиностроения постоянно повышает уровень требований, предъявляемый к конструкционным и инструментальным материалам, и в связи с этим требует их усовершенствования или создания на их основе новых материалов со специальными свойствами Поэтому в последнее время отдается предпочтение управляемым методам термической обработки поверхности металлических материалов, в том числе с использованием концентрированных потоков энергии (КПЗ) Арсенал способов воздействия КПЭ продолжает расширяться, используются непрерывные, импульсные, импульсно - периодические лазеры, импульсная плазма, ионная имплантация, электронное и гамма-облучение и многие другие перспективные технологии, позволяющие существенно повысить эксплуатационные свойства поверхностных слоев сталей и сплавов
В основе импульсной лазерной обработки лежит использование для нагрева материалов тепловых источников высокой энергонасыщенности, плотность мощности которых составляет сотни МВт/м2, а время действия не выходит за пределы миллисекундного диапазона При этом достигаются гипервысокие (106 град/с) скорости нагревания до закритических температур при наличии значительных температурных градиентов по глубине, обеспечивающих за счет отвода тепла в "холодную" массу по механизму теплопроводности охлаждение со скоростями 104-106 град/с
В результате специфических тепловых процессов на поверхности обрабатываемых сталей фиксируется закаленная зона, обладающая высокодисперсным кристаллическим строением, пониженной травимостью Глубина этой зоны зависит от плотности мощности теплового источника, длительности его воздействия, теплофизических характеристик материалов и составляет 0,1-0,18 мм
Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью механизмов и эффектов, сопровождающих процессы упрочнения различных материалов в условиях гипервысоких скоростей нагрева и охлаждения, что сдерживает разработку рекомендаций прикладного характера применительно к таким высоким технологиям двойного назначения, как лазерное упрочнение, являющееся приоритетным направлением развития науки и техники и входящее в перечень критических технологий федерального уровня
В настоящей работе с научных позиций решается проблема оптимального использования высококонцентрированных потоков энергии для поверхностной обработки сталей и сплавов В частности, рассматриваются вопросы влияния энергетических характеристик и условий обработки на эффективность упрочнения, а также изучаются особенности организации структуры различных материалов в условиях гипернеравновесных фазовых переходов с учетом локальной пластической деформации, оказывающей влияние на процессы структурообразования при гиперскоростном нагреве поверхности металлов На базе результатов систематических экспериментальных исследований процесса лазерной термической обработки сталей и сплавов в работе созданы физические модели явлений, определяющих термодинамическую возможность и кинетику фазовых переходов в условиях гиперстесненности во времени
Основные результаты работы получены в период 2003-2008 г г при выполнении фундаментальных научно-исследовательских работ по программе Федерального агентства по науке и инновациям «Развитие системы ведущих научных школ» на тему «Разработка программного мониторинга структурной самоорганизации металлических сплавов при экстремальном баротермическом воздействии в упрочняющих технологиях»
Цель работы - Получение новых научных знаний об особенностях структурной организации металлов и сплавов при экстремальном тепловом воздействии с учетом локальной пластической деформации, условиях получения различных вариантов структур поверхностных слоев сталей и сплавов, обладающих заданным уровнем эксплуатационных свойств, путем обработки концентрированными потоками энергии (КПЭ), в том числе о создании микро- и субмикрокристаллической структуры, разработка на этой основе технологических принципов упрочнения изделий различного функционального назначения
Научная новизна диссертационной работы заключается в получении следующих научных результатов
выполнен теоретический анализ топографии температурного поля для квазистационарного режима генерации импульсного лазера при нагревании и при охлаждении после прекращения действия лазерного импульса Получены экспериментальные результаты, позволяющие оценить уровень достигаемых температур и скоростей охлаждения за разные промежутки времени действия импульса излучения,
созданы физические представления о возникновении и природе локаль-
ной пластической деформации в поверхностных слоях металлов и сплавов при гиперскоростном нагревании с использованием высококонцентрированных потоков энергии и особой роли этих деформаций в протекании фазовых переходов, явлениях массопереноса, структурообразо-вания и структурной наследственности,
получены новые научные знания о механизмах структурной самоорганизации в процессе гипернеравновесных фазовых переходов в условиях огромной стесненности во времени процесса лазерного нагрева и ограниченности протекания классических диффузионных процессов Установлено, что согласно постулатам термодинамики необратимых процессов применительно к процессам аустенитизации целесообразно рассматривать термодиффузию или эффект Соре,
проведена количественная оценка элементов структуры в разных зонах облученного пятна, в том числе с использованием метода мультифрак-тальной параметризации,
с использованием методик математического моделирования разработаны принципы прогнозирования механических, технологических и эксплуатационных свойств материалов с учетом структурных особенностей процесса упрочнения при гиперскоростной лазерной обработке, зависящих от результирующего уровня возникающих в зонах обработки напряжений, то есть от соотношения процессов пластической деформации при нагреве под действием термических напряжений и процессов диссипации энергии путем динамического возврата, полигонизации и рекристаллизации обработки,
сформирована новая информационная база, позволяющая обоснованно назначать режимы поверхностной лазерной обработки различных материалов для получения заданной структуры и необходимого уровня свойств
Практическая ценность и реализация работы в промышленности В диссертации изложены научно обоснованные технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса В частности, установлены основные технологические схемы лазерного упрочнения, даны рекомендации по практической реализации технологического процесса лазерного термоупрочнения режущего инструмента (резцы, фрезы, сверла и др ) из сталей Р6М5, Р18, а также штампов холодного и горячего деформирования (пуансоны, матрицы) из сталей У10А, Х12Ф1, Х12М, Р6М5, Р18 и т д
Разработанный в результате теоретических и экспериментальных исследований технологический процесс упрочнения изделий различного функционального назначения, включающий в себя технологические инструкции по проведению процесса и контролю качества лазерного упрочнения, апробирован и внедрен на ряде предприятий- ОАО «Тагмет» (г Таганрог), ООО "Металлообработка" (г Ростов-на-Дону)
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в виде содержательной части текстов лекций, учебных пособий, раскрывающих теоретические и технологические особенности методов поверхностного упрочнения материалов концентрированными потоками энергии, при чтении курсов "Упрочнение поверхности концентрированными потоками энергии", "Теория и технология термической и химико-термической обработки"
Апробация работы Основные положения диссертации доложены и обсуждены за период с 2005 по 2008 год на 3 международных научно-технических и 2 научно-практических конференциях, в том числе международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиноведения и высоких технологий» (г Ростов-на-Дону, 2005), научно-практической конференции «Современные технологии упрочнения металла и нанесение покрытий» (г Ростов-на-Дону, 2005), V международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г Пенза, 2007), V международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Санкт-Петербург, 2008), IV международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2008)
Публикации результатов исследований По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 9 работ в изданиях, рекомендуемых ВАК для опубликования результатов научных исследований, 1 патент на полезную модель «Устройство для измерения температуры поверхности металла при воздействии концентрированным потоком энергии»
Структура и объем работы Диссертационная работа изложена на 217 страницах машинописного текста и состоит из введения, 7 глав основной части, выводов, списка литературных источников из 152 наименования, приложения, содержащего акты внедрения технологического процесса лазерного упрочнения в производство и учебный процесс, патент на полезную модель В тексте диссертационной работы содержится 124 рисунка и 14 таблиц
Методика рентгеноструктурных исследований металла после лазерного облучения
Авторы работ [16,32-35]основными факторами, влияющими на ускорение диффузии, считают растягивающие напряжения, формирующиеся в поверхностном слое при нагреве и в процессе фазовых превращений. При этом увеличение глубины проникновения атомов с поверхности в матрицу при импульсном лазерном облучении объясняется увлечением их упругим полем движущихся дислокационных выступов, генерируемых вследствие возникновения градиентов термических напряжений.
Из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что ряд аспектов взаимодействия ЛИ с металлами еще недостаточно изучен и, в частности, такие вопросы как аномальный массоперенос, эффекты локальной пластической деформации зон ЛО, оценка величин действующих напряжений и усредненной степени микропластической деформации, вопрос подобия структур ЛО, остаются открытыми и, поэтому, остаются предметом исследований последних лет [36,37], и, в частности, данной работы.
Успешное совершенствование способов поверхностного упрочнения сталей и сплавов путем обработки концентрированными потоками энергии (КПЭ) (лазерным импульсным и непрерывным излучением, плазменной дугой, электронным лучом и др.) невозможно без развития структурной теории конструктивной прочности различных материалов с использованием концептуально-синергетического подхода.
Можно выделить следующие каналы диссипации внешней энергии лазерного излучения: непосредственная диссипация части подводимой энергии в тепло при движении дефектов-носителей пластической деформации; частичная диссипация запасенной энергии при перестройках дефектных структур. Отсюда возможны два подхода к повышению срока службы изделий под внешним воздействием: повышение предела нечувствительности и, напротив, улучшение приспосабливаемости материала к температурно-силовым условиям эксплуатации.
Первый заключается в создании при лазерной обработке таких структур поверхностных слоев материалов, которые были бы стабильны при последующем внешнем воздействии в процессе эксплуатации. Второй предусматривает создание структур, способных эффективно рассеивать подводимую энергию в момент появления пика напряжений с помощью преобразований на различных структурных уровнях.
При изучении процессов самоорганизации, не поддающихся непосредственному наблюдению, в последнее время, используется новые направления физического материаловедения [38]. К таким направлениям можно отнести мультифрактальное материаловедение. Принципы мультифрактального формализма развиты в работах авторов [39 16 41] и являются основой для описания жидкофазных и твердофазных физико-химических процессов самоорганизации самоподобных структур различной природы. Так, в работе [41] обнаружено и подтверждено расчетами самоподобное поведение структурных элементов твердой фазы в двухфазной зоне при изменении температурных градиентов. Использование мультифрактального подхода к описанию структур сплава АВТ-1 позволило выявить ряд новых закономерностей формирования структур в зоне удара высокоскоростной частицы (при дробеструйной, обработке) и сформулировать рекомендации по оптимизации технологий упрочнения поверхности деталей. Методика мультифрак-тальной параметризации существенно дополняет традиционные методы количественного описания.структур металлических материалов, полученных под воздействии лазерного излучения.
Целью настоящей работы является рассмотрение возможных процессов структурной, самоорганизации сплавов при импульсном лазерном воздействии, получения рассмотренных вариантов структур поверхностных слоев сталей и сплавов путем лазерной обработки; определение путей конструирования при лазерном облучении оптимальной структуры материалов, позволяющей реализовать иерархию, механизмов диссипации энергии и приводящей в процессе эксплуатации к явлению структурно-энергетической приспосабливаемости пар трения; повышение эффективности упрочняющих технологий путем целенаправленного использования внутренних резервов структурной приспосабливаемости сталей и сплавов в условиях эксплуатации. Количественная оценка получаемых структур после лазерного воздействия и выбор оптимальной технологии лазерного упрочнения, с использованием метода мультифрактальной параметризации, рассматривается в разделе 5.2.
Решение поставленных задач позволяет получать материалы с заданными свойствами в условиях, далеких от равновесия, в частности при лазерной обработке. При этом за счет варьирования режимами поверхностной упрочняющей обработки появляется возможность создавать условия, обеспечивающие самооптимизацию иерархической структуры путем организации наиболее эффективного обмена энергией и веществом, как в пределах самой системы, так и с окружающей средой за счет активизации обратных связей.
В результате определены корреляционные связи механических свойств со структурным состоянием поверхностных слоев материалов, стабильных или адаптируемых к температурно-силовым условиям эксплуатации, что минимизирует износ пар трения.
Исследованиям структурных эффектов упрочнения различных материалов при обработке КПЭ (лазерной, плазменной, ТВЧ) посвящено большое количество работ ? [1,3,9,10,23,36,37], но в них недостаточно конкретно и четко выявлены принципы конструирования оптимальной структуры поверхностных слоев изделий для различных условий эксплуатации, например, путем изменения химического состава, структурного и напряженного состояния, степени гетерогенности, текстурированности, степени аморфи-зации и т.д. За счет этого в поверхностных слоях материалов- может достигаться уникальное сочетание свойств: твердости, устойчивости к разупрочнению при нагреве, износостойкости, адгезионной стойкости и др.
Методика статистического моделирования и прогнозирования свойств лазерно-облученного металла
Небольшая глубина обработки и высокая скорость изменения температуры при воздействии КПЭ не позволяет использовать в качестве регистрирующего элемента ни термопары, ни другие измерительные элементы, имеющие большую инерционность. В этой связи широкое применение нашли оптические преобразователи, действие которых основано на физическом явлении изменения цвета металла (сплава) при варьировании его температуры.
Например, существует общепризнанное понятие о цветах каления углеродистой стали - цветах свечения, зависящих от нагрева. При низких температурах излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в ультрафиолетовой области, и такое тело кажется тёмным. При повышении температуры излучаемые телом волны смещаются в видимую область спектра, и тело вначале кажется тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец - при высоких температурах - белым. Инфракрасные лучи (при более высоком нагреве) занимают спектральную область между красным видимым светом (длина волны 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (1-2 мм).
На практике измерение температуры металлических материалов осуществляется оптическими пирометрами или оптико-электронными системами [13,63]. К параметрам, характеризующим поток излучения, относятся абсолютное значение потока и его спектральное распределение. Поэтому системы оптического измерения температуры обычно разделяют на энергетические и спектральные. В энсргетичесюгх системах осуществляется прием и измерение абсолютного значения потока излучения на каком-либо выбранном участке спектра. Действие спектральных основано на измерении отношения теплового излучения на двух (или более) длинах волн. Однако подобные способы в основном используются либо для стационарного измерения температуры, либо при ее изменении с относительно невысокими скоростями (несколько сотен градусов в секунду), например, в случаях обработки металлических материалов токами высокой частоты и т.п.
В последние годы создаются системы измерения температурных полей быстро-протекающих процессов [14,64]. Однако инерционность используемых датчиков не позволяет регистрировать температуру, изменяющуюся с еще большими скоростями. Такое изменение характерно для процесса лазерного облучения, при котором скорость может достигать нескольких десятков (а в некоторых случаях и сотен) тысяч градусов в секунду. Подобные температурные градиенты позволяют формировать сложные и нетривиальные поверхностные структуры, поэтому особенно актуальным является вопрос регистрации температуры при ее изменении с гипервысокими скоростями, что явилось задачей данной работы. Литературный обзор показал, что рассматриваемые вопросы находили решение, в основном, путем математического моделирования. Аппаратно реализованные комплексы измерения [13,64] помимо инерционности имеют существенные погрешности.
Благодаря достижениям современной техники, на кафедре "ФиПМ" ДГТУ создано оригинальное устройство для экспериментального определения температуры поверхности металлических материалов в процессе импульсного лазерного воздействия путем регистрации вторичного излучения, испускаемого нагретым объектом [65]. Все составляющие измерительного комплекса имеют постоянные времени значительно меньшие, чем длительность действия лазерного импульса ( 10"3 с), что позволяет регистрировать описываемый высокоскоростной процесс. На разработапное устройство получен патент на полезную модель [66](приложение 2). Схема комплекса представлена на рисунке 3.4.
Основой и главной отличительной особенностью устройства является наиболее безынерционный датчик - фотодиод - фоточувствительнын полупроводниковый диод с p-n-переходом. При освещении p-n-перехода в нем возникают электронно-дырочные пары, что вызывает появление направленного заряда небольшого уровня. Фотодиоды обладают большим быстродействием (способны реагировать на сигналы частотой 1-10 МГц), что на несколько порядков превосходит распространенные и широко используемые элементы регистрации температуры (пирометры, фотосопротивления и т.п.).
В созданном устройстве используется кремниевый фотодиод BPW24R, способный регистрировать световое излучение тела в как в видимом диапазоне спектра, так и в инфракрасной области, и позволяет производить интегральную (в пределах диаметра лазерного пучка) регистрацию температуры поверхности металла при крайне малой длительности лазерного импульса. С целью повышения достоверности полученных результатов (для исключения регистрации отражения лазерного луча) поверхность образца покрывалась сажей, т.е. создавался эффект "абсолютно черного тела"
Для более точного и безопасного для фотодиода измерения температуры поверхности материала при его лазерном облучении регистрация производилась с использованием световода, изготовленного из высокочистого халькогенидного стекла с малыми оптическими потерями в среднем инфракрасном диапазоне.
На рисунке 3.5 представлен внешний вид совместного взаимного расположения фотодиода (в крепежном модуле) и световода. Световод выполнен в форме цилиндра и совместно с фотодиодом помещен в светонепроницаемый водоохлаждаемый корпус (см. рисунок 3.4, поз.6). Следует отметить, Рисунок 3.5 Конструктивное исполнение све товода (I) в контакте с фотодиодом (2). За- что в слУчае импульсного лазерного об щитный корпус снят лучения материалов нагреву подверга ется небольшой участок поверхности в течение крайне малого времени, что не оказывает теплового воздействия на измерительную систему, поэтому водяное охлаждение не требуется и комплекс обладает большой мобильностью. В случае другого способа нагрева со значительным тепловложением (например, при длительной непрерывной обработке) охлаждение необходимо.
Светонепроницаемый корпус диафрагмирован в месте, примыкающем к лазерному пятну (03 мм).
Угол отклонения световода от поверхности материала(а также от оси лазерного луча) составлял 45+3 град., расстояние от пятна облучения - не более 5 мм. Генерируемый фотодиодом аналоговый сигнал с целью дальнейшей обработки на ЭВМ необходимо привести к массиву цифровых значений, последовательно изменяющихся во времени согласно схеме на рисунке 3.6. Данную задачу выполняют аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).
Роль массопереноса в создании структурной картины при импульсной лазерной обработке с подплавлением поверхности
Ускоренным массопереносом примесных атомов углерода в стальную матрицу в условиях лазерного облучения можно объяснить частичное растворение цементитных пластин в углеродистых сталях (рисунок 4.16 а,б). Сохранение пластинчатой формы цементита в зоне ТС указывает, как на отсутствие в явной форме процесса растворения пластин цементита, так и механического их разрушения в результате действия термоуп 67 ругих полей напряжений, формирующихся на поверхности стальных образцов при высоких скоростях нагрева и охлаждения лазерной обработки.
Металлографический анализ на электронном и оптическом микроскопах показал, что углерод к границам зерна подается не издалека, а от границ карбидных выделений (рисунок 4.16,а). Также, при проведении металлофизических экспериментов установлено, что лазерной энергии достаточно и для развития процессов массопереноса через границы раздела включение - матрица в твердом состоянии. Зоны матрицы, прилегающие к включениям, насыщаются при этом компонентами включений, которые фиксируются при резком охлаждении в твердом растворе. Специфическая структура, образованная при лазерном воздействии в местах бывших карбидных включений, например на стали Х12М, представляет собой комбинацию «новой» реполигонизованной структуры и «старой» (деформированного металла), и может также обуславливать специфические диффузионные эффекты (рисунок 4.16,6).
Ускорение процесса растворения карбидов при импульсном лазерном воздействии на легированную сталь с включениями проявляется в появлении вокруг карбидов светлой нетравящейся оторочки (рисунок 4.16,6, 4.17). Это можно также объяснить мас-сопереносом легирующих элементов в твердую матрицу через жидкую прослойку вокруг карбидов, которая образуется из-за контактного плавления на границе фаз в условиях повышенной плотности дефектов кристаллического строения. Таким образом, при лазерной обработке металла, содержащего карбиды, становится возможным виртуальный фазовый переход по границам карбидов (плавление). Будучи инициированным, такой переход обеспечивает быстрое перемешивание компонентов на атомном уровне.
Растворение карбидов в зоне ТС при лазерном воздействии на стали Х12Ф1: а- в поперечном сечении; 6-е поверхности облучения
При этом на поверхности карбидов наблюдается спонтанное генерирование дефектов до плотности, отвечающей предплавильным температурам.
В результате на межфазной границе возникает виртуальная прослойка более мягкого компонента. В ней растворяются более твердые компоненты вплоть до составов, отвечающих пересыщенным твердым растворам. Эти насыщенные области обладают высокой термической устойчивостью к у—»сс превращению и металлографически проявляются в появлении вокруг карбидов "светлых" областей. Массоперенос при этом существенно повышается. Вблизи включений в момент лазерного воздействия происходят релаксационные микропластические процессы деформационного происхождения, а при охлаждении - релаксация термических напряжений.
При неполном растворении карбидов в структуре лазер но-закаленного слоя формируется специфическое распределение легирующих элементов вблизи включений [77], показанное на рисунке 4.18. Эти результаты получены при непрерывном сканировании поверхности стали Р6М5 методом рентгеноспектрального анализа на приборе "Камека 46". Маршрут сканирования проходил через карбиды практически одинаковых размеров, которые присутствовали в зоне лазерной закалки из жидкого состояния (рисунок 4,18, зона 1), из твердого состояния (зона 2) и структуре основного металла (зона 3). Как видно, вокруг частично растворенных карбидов образуются пространства с высоким насыщением легирующими элементами. Размер таких зон по радиусу не превышаетЮ-12 мкм, что создает достаточно высокую их плотность в целом по закаленному слою. С другой стороны, средняя насыщенность матрицы между включениями после лазерной обработки выше, чем в исходном состоянии.
Количественные характеристики тонкой структуры металлических материалов в зонах лазерной обработки
Перечисленные свойства наблюдаются в точках неустойчивости системы - на границах зон, в виде переходов фрактальной размерности порядок -беспорядок - порядок. Проведенный анализ выявил взаимосвязь исходной структуры с динамической и эволюционирующей при лазерном воздействии структурой, и обуславливает необходимость введения количественной характеристики динамической структуры в виде фрактальной размерности структуры зон перехода.
Полученные результаты расчета основных мультифрактальных характеристик исследуемых структур позволяют сделать следующие выводы:
1. Фрактальная размерность (D0), параметр не способный сам по себе определять структурные изменения, происходящие при внешнем воздействии, уменьшается в зависимости от степени дефектности исходного состояния структуры металлического материала до ЛО. Решающим фактором, влияющим на самоподобие структуры зоны ТС, оказалась предварительная объемная закалка стали. Показатель D0 для облученных сталей разного состава, в таком случае уменьшился от 1,8 до 1,6.
2. Степень упорядоченности (AJOQ), термин используемый для оценки относительного порядка расположения информационных элементов (зерен, субзерен и др.) в исследуемой структуре, и имеет максимальные значения: в зоне оплавления технического железа или сталей с исходной мартенситной структурой; в зоне ТС для предварительно объемно-закаленной стали. Для структуры стали, предварительно деформированной до ЛО, этот показатель в зоне ТС несколько ниже, но выше чем для отожженной. Самые низкие значения А/оо наблюдаются в зоне ТС стали У10, если она подвергалась лазерному воздействию в отожженном состоянии.
3. Однородность (f]oo) структуры зоны оплавления максимальна в техниче ском железе и имеет высокие значения в стали с исходной мартенситной структурой. Однородность зоны ТС облученного слоя имеет самые высокие значения для стали, которая до ЛО находилась в объемно-закаленном со стоянии. Самые низкие значения//0о в зоне ТС наблюдаются для структур сталей, предварительно подвергнутых пластической деформации.
4. Значения показателя порога устойчивости (DWQ) или термодинамических условий формирования структуры максимальны в зоне ТС для сталей, которые до ЛО имели мартенситную структуру.
5. Показатели адаптивности (А4") облученного металла, то есть степень устойчивости структур к внешнему воздействию, зависят от исходного состояния (плотности дефектов кристаллического строения) и содержания углерода в стали.
Адаптивность, т.е. приспосабливаемость, достигает высоких значений, если сталь до лазерной обработки подвергалась объемной закалке. Причем, на стали 45 адаптивность зоны ТС выше, чем 30, а на стали У10- наоборот, адаптивность выше в ЗО.
Таким образом, проведенная количественная оценка и анализ параметров структуры облученных сталей позволяет обоснованно назначать режимы лазерной обработки с целью получения заданных условиями эксплуатации свойств поверхностных слоев изделий различного функционального назначения: устойчивых к нагрузкам или адаптируемых к ним.
5.5 Релаксация напряжений посредством полнгонизацни и рекристаллизации при высокоскоростных процессах лазерной обработки.
Экспериментальные исследования особенностей структурообразования в поверхностных слоях сталей и модельных сплавов при обработке концентрированными потоками энергии показали, что лазерный нагрев приводит к появлению термических и структурных напряжений. Под действием этих напряжений поверхностные слои испытывают локальное пластическое деформирование по механизмам, аналогичным ВТМО. Вследствие этого в процессе охлаждения после ЛО можно ожидать протекание процессов динамической полигонизации или начальных стадий рекристаллизации.
Установлено, что в зоне лазерной закалки из твердого состояния - ТС, независимо от того, проводилась ли обработка поверхности с оплавлением или без него, наблюдаются структурные признаки этих процессов. Следует отметить, что из-за кратковременности воздействия лазерного импульса на материал, высоких скоростей нагрева и охлаждения, динамические процессы полигонизации и рекристаллизации находятся в очень жестких временных рамках, и как следствие, накладываются и конкурируют друг с другом. В результате наблюдается ряд промежуточных структурных состояний. Например, присутствуют зародыши рекристаллизации, растущие за счет полигонизованной структуры, и в то же время наблюдаются определенные участки полигонизованной структуры с большими субзернами, образовавшимися по механизму "in situ"[S4,95]. Из изложенного очевидна трудность точного определения разновидностей структурных изменений при экстремальном лазерном нагреве и охлаждении.
Тем не менее, экспериментально наблюдаемая фрагментация зерен, образование достаточно искаженных и несовершенных субзерен в локальных объемах зон лазерной обработки выявляется очень четко, оказывает влияние на ряд механических свойств облученных металлов и требует проведения тщательных металлографических исследований.
