Особенности структурной организации металлов и сплавов при экстремальном тепловом воздействии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Дьяченко, Лариса Дмитриевна

• Дьяченко, Лариса Дмитриевна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дьяченко, Лариса Дмитриевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. Современное состояние вопроса и оценка перспектив использования скоростного лазерного нагрева для целей термической обработки материалов. Постановка задачи исследования.

2. Методические основы исследований.

2.1 Методика металлографических исследований лазерно-облученного металла.

2.2 Методика рентгеноструктурных исследований металла после лазерного облучения.

2.3 Методика электронно-микроскопических исследований зон лазерной обработки.

2.4 Методика исследований зон лазерного воздействия с использованием сканирующего туннельного микроскопа.

2.5 Методика мультифрактальной параметризации структур после лазерной обработки.

2.6 Методика статистического моделирования и прогнозирования свойств лазерно-облученного металла.

2.7 Теплостойкость лазерно-упрочненного металла и методика ее определения.

2.8 Износостойкость и методы ее определения.

3. Тепло физические особенности процессов, протекающих в металлах при их поверхностной обработке с гипервысокими скоростями.

3.1 Численное моделирование тепловых процессов.

3.2 Экспериментальное определение температуры металла в зонах лазерной обработки.

4. Особенности организации структуры сталей и сплавов при импульсной лазерной обработке.

4.1 Морфология зон пятна лазерного облучения.

4.2 Строение зоны лазерной закалки из жидкого состояния.

4.3 Роль массопереноса в создании структурной картины при импульсной лазерной обработке с подплавлением поверхности.

5. Металлофизические исследования эффектов локальной пластической деформации в зонах лазерного облучения материалов.

5.1 Экспериментальные исследования эффектов локальной пластической деформации в зонах лазерной обработки.

5.2 Расчет напряжений сдвига.

5.3 Количественные характеристики тонкой структуры металлических материалов в зонах лазерной обработки.

5.4 Мультифрактальной параметризации структуры и прогнозирование свойств облученных сталей и сплавов.

5.5 Релаксация напряжений посредством полигонизации и рекристаллизации при высокоскоростных процессах лазерной обработки.

6. Структурные особенности процесса упрочнения металлических материалов при лазерной обработке.

6.1 Выявление физической природы влияния пластической деформации на процессы зарождения и роста в условиях гипернеравно-весности.

6.2 Влияние исходной структуры сталей на эффект лазерного упрочнения.

6.3 Особенности у—>а превращения в процессе скоростного лазерного термоупрочнения.

6.4 Анализ причин увеличения количества у-фазы при лазерном облучении сталей и её влияние на основные эксплуатационные характеристики.

6.5 Концептуальные положения проблемы прочности сталей и сплавов после лазерной обработки.

6.6 Устойчивость структур лазерной закалки к разупрочнению при нагреве.

7. Технологические принципы лазерного поверхностного упрочнения деталей машин и металлообрабатывающего инструмента.

7.1 Рекомендации по выполнению технологического процесса лазерного упрочиения.

7.2 Производственные испытания упрочненного металлообрабатывающего инструмента и технологической оснастки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности структурной организации металлов и сплавов при экстремальном тепловом воздействии»

Интенсификация процессов металлообработки, осуществляемая в последнее время за счет широкого внедрения автоматических линий, гибких производственных систем, многооперационных станков с ЧПУ и других технических мероприятий, реализация которых требует регламентированную стойкость инструмента, вызвала необходимость разработки и промышленного освоения новых методов поверхностной упрочняющей технологии. Применение высоких технологий упрочнения существенно улучшает основные свойства инструментальных и конструкционных материалов, в частности, повышает твердость, износостойкость, теплостойкость, коррозионную стойкость, адгезионную стойкость и т.д., что приводит к повышению эксплуатационных характеристик упрочненных изделий не менее чем в 2-5 раз и позволяет сократить затраты па производство и приобретение инструмента и деталей машин, увеличить производительность труда, улучшить качество механической обработки, уменьшить расход высоколегированных сталей и т.д.

Среди большого разнообразия упрочняющих методов заметное место принадлежит импульсной лазерной обработке (закалке и легированию). Объясняется это рядом особенностей, выгодно отличающих ее от альтернативных. Во-первых, лазерный способ упрочнения является локальным, что дает возможность обрабатывать только повреждаемые в процессе эксплуатации участки и поверхности. Это в свою очередь обеспечивает экономию энергии, уменьшение деформации инструмента и деталей машин. Во-вторых, в отличие, например, от ионно-плазменного напыления и электронно-лучевой обработки, лазерная закалка осуществляется, как правило, на воздухе, то есть не требует трудоемкого вакуумирования. И, в-третьих, процесс лазерной обработки строится на базе серийно выпускаемых высокопроизводительных установок типа "Квант" ("Квант-16", "Квант-17", "Квант-18", «Кристалл», «Корунд» и др.) и легко поддается автоматизации.

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 миллисекундно-го 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.

Исследования, проведенные в течение последних 40 лет ведущими учеными России: Рыкалиным Н.Н., Угловым А.А., Кришталом Н.А., Кокорой А.Н., Миркиным Л.И., Григорьянцем А.Г., Сафоновым А.Н., Зуевым И.В., Коваленко B.C., Крапошиным B.C., Счастливцевым В.М., Бровер Г.И., Пустовойтом В.Н., Кудряковым О.В. и др., позволили установить, что природа упрочнения инструментальных и конструкционных сталей после воздействия лазерного излучения обусловлена уникальной морфологией сосуществующих фаз и особым способом структурной организации, в частности, повышенной плотностью дефектов кристаллического строения, дисперсностью блоков, концентрационной неоднородностью и т.д. Это обеспечивает аномально высокую твердость обработанных поверхностен (10-12,5 ГПа), а также оказывает положительное влияние на основные эксплуатационные свойства - теплостойкость, износостойкость, сопротивление процессам схватывания, коррозионную стойкость.

Лазерная обработка конструкционных и инструментальных материалов позволяет создавать определенное структурное состояние и задавать свойства поверхностных слоев изделий, а следовательно изменять основные характеристики процесса металлообработки и управлять важнейшими выходными параметрами процесса - износом инструмента, а также качеством поверхностных слоев обрабатываемых деталей.

В настоящее время способы обработки материалов с использованием высококонцентрированных потоков энергии распространены недостаточно широко.

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 гиперстеспеиности во времени.

Установлено, что процесс упрочнения материалов при гиперскоростной лазерной поверхностной обработке является многофакторпым. Эффект упрочнения достигается в результате сложных структурных изменений в процессе фазовых переходов при гиперскоростном нагревании и охлаждении металла, происходящих за миллисекундные отрезки времени, на которые накладываются процессы пластического деформирования, вызываемые появлением внутренних напряжений па когерентной границе при полиморфном превращении и термострикционных напряжений из-за огромного температурного градиента между нагретой и холодной зоной металла. Релаксация этих напряжений осуществляется по разным механизмам, в частности, за счет протекания процессов динамической полигонизации и рекристаллизации, причем степепь релаксации определяет остаточное упрочнение и конечную структуру стали.

В результате структурная организация материала во время и после действия лазерного импульса обусловлена совокупным действием нескольких физических механизмов, работающих в процессе фазовых превращений, а также с учетом микролокальной пластической деформации.

Исследование перечисленных явлений является предметом настоящей работы, определяющим механизмы структурной самоорганизации при экстремальных методах тепловой обработки.

Целью работы является получение новых научных знании об условиях получения различных вариантов структур поверхностных слоев сталей и сплавов путем обработки концентрированными потоками энергии (КПЭ), в том числе о создании микро- и субмикрокристаллической структуры; определение путей конструирования при скоростной обработке КПЭ 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.

Решение поставленных задач позволило получить материалы с заданными свойствами в условиях, далеких от равновесия, в частности при лазерной обработке. При этом за счет варьирования режимами поверхностной упрочняющей обработки появилась 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 выполненных исследований в настоящей работе получены новые знания в области теории гипернеравновесных фазовых переходов, которые стали основой для разработки высоких технологий упрочнения с использованием экстремальных способов теплового воздействия; определены корреляционные связи механических свойств со структурным состоянием поверхностных слоев материалов, стабильных или адаптируемых к температурно-силовым условиям эксплуатации, что минимизирует износ пар трения.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

• 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 локальной 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, структурообразования 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 термодиффузшо или эффект Соре;

• проведена количественная оценка элементов структуры в разных зонах облученного пятна, в том числе с использованием метода мультифрактальной 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.

Разработанный в результате теоретических и экспериментальных исследований технологический процесс упрочнения изделий различного функционального назначения включает в себя технологические инструкции по проведению процесса и контролю качества лазерного упрочнения.

Таким образом, выполненная работа представляется как решение научно-технической проблемы материаловедения, имеющей важное значение для национальной экономики и заключающейся в комплексном металлофизпческом исследовании закономерностей структурообразования сталей и сплавов при лазерном воздействии, определении свойств закаленных слоев, возможностей управления процессом упрочнения и в разработке на этой основе технологических процессов упрочнения различных изделий, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 9 в изданиях, рекомендуемых ВАК к опубликованию результатов научных исследований; 5 в материалах международных научно-технических конференций; 2 учебных пособия; 1 патент на полезную модель.

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; копию патента на полезную модель. В тексте диссертационной работы содержится 124 рисунка и 14 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Дьяченко, Лариса Дмитриевна

Выход

Рисунок 3.7 Схема усиливающего звена

На модуле установлен цифровой сигнальный процессор ADSP-2185M с законченными управляющими программами для процессора, позволяющими осуществлять ввод-вывод с аналоговых каналов в самых различных режимах. Тактовая частота встроенного процессора позволяет обрабатывать результаты экспериментов без искажения временных характеристик сигнала, что является очень важным при обработке высокоскоростных аналоговых данных. Кроме того, несмотря на большие возможности модуля, в созданном устройстве используются не все его возможности, а лишь основные, что упрощает работу пользователя.

Таким образом, сигнал измеряемой величины, поступающий от датчика (через усилитель), преобразуется в аналого-цифровом преобразователе в число, вернее в двоичный код, который определяет не собственно измеряемою величину, а значение выходного сигнала датчика, функционально связанного с измеряемой величиной. Эти значения вводятся в персональный компьютер (рисунок 3.4., поз.9) в виде файла, содержащего данные о проведенной регистрации, которые могут быть представлены как в матричном, так и в графическом виде. Однако для регистрации температуры необходимо иметь не выходной сигнал датчика, а саму измеряемую величину, выраженную в физических единицах измерения, т.е. в градусах.

Свойства конкретных датчиков и характер производимых в них преобразований определяют функциональную зависимость между измеряемой величиной х и выходным сигналом датчика^ y=F(x), где F(x) - монотонная функция - статистическая характеристика датчика.

Задача заключается в определении измеряемой величины по выходному сигналу датчика у, т.е. в нахождении функции: x=F'(y)=f(y), гдр/(у) - функция, обратная статистической характеристике датчика - его градуи-ровочная характеристика.

Построение градуировочной характеристики проводилось по следующей методике:

- к поверхности никелевой пластинки способом контактной сварки приваривали горячий спай термопары платинородий-платина. Никель выбран в качестве модельного материала, поскольку имеет сходные с железо-углеродистыми сплавами теплофизи-ческие постоянные и показатели светового поглощения;

- пластинка нагревалась способом прямого подогрева путем последовательного ее включения в цепь переменного тока большой силы;

- свободные концы термопары подключали к потенциометру ПП-63 высокого класса точности, с помощью которого регистрировали напряжение на термопаре и переводили его в значения температуры по известным переводным таблицам;

- одновременно с этим на свободной части поверхности никелевой пластинки регистрировали ее световое излучение с использованием созданного комплекса (в геометрических условиях, аналогичных измерениям при лазерном облучении), сигнал вводился в ЭВМ;

- результатом явилась нелинейная зависимость уровня сигнала на выходе АЦП от напряжения на термопаре (и, следовательно, от температуры). Зависимость была аппроксимирована аналитическим выражением, которое использовали для расчета измеряемой величины. При этом значения сигнала, поступающего на вход ЭВМ, автоматически и с высокой скоростью переводились в температурные единицы.

В итоге весь массив данных, входящий в компьютер из АЦП, последовательно считывается, обрабатывается в соответствии с выведенным выражением и представляется в виде графической зависимости. На рисунке 3.8 показаны результаты экспериментальных измерений температуры при импульсном лазерном облучении стали У8 на лазерной установке ГОС-ЗОМ с различной плотностью мощности излучения в сравнении с расчетными зависимостями.

Как видно, повышение плотности мощности излучения приводит к снижению скорости охлаждения, что связано с увеличением глубины прогрева поверхностного слоя вследствие снижением теплоотвода. Результаты эксперимента коррелируют как с теоретическими представлениям, так и с расчетными зависимостями, следовательно, являются их прямым подтверждением.

Однако, зависимости, представленные на рисунке 3.8, показывают, что действительное (экспериментально установленное) время, в течение которого в поверхностном слое металла происходят структурные превращения существенно меньше расчетного значения. В результате такой временной стесненности возникают большие (в среднем в 2 раза) градиенты температуры и скорости охлаждения, которые снижают полноту протекания двухфазного распада мартенсита лазерной закалки. Кроме того, этим объясняется появление локальных напряжений и эффектов пластической деформации в микрообъемах лазерно-облученных слоев, что подробно рассмотрено в главе 4.

Следует отметить, что изменение температуры экспериментально фиксируется (рисунок 3.8) в диапазоне температур *600+1400°С. Данное ограничение связано со спектральной частотной чувствительностью фотодиода. Однако это не создает препятствий для определения градиентов температур нагрева и охлаждения. Таким образом, на данном этапе реализации способа измерения не представляется возможным определение

Рисунок 3.8 Зависимость температуры поверхности стали У8 от времени при облучении с плотностью мощности: 1,3- 120 МВт/м2, 2, 4 - 200 МВт/м2; Э - эксперимент, Р - расчет

В случае необходимости определения скоростей охлаждения поверхности металла в мартенситном интервале (ниже 400°С), полученную зависимость необходимо экстраполировать в заданную температурную область либо графически, либо математически с использованием известной формулы Вина.

Разработанный способ бесконтактной регистрации температуры металла, изменяющейся с гипервысокой скоростью позволяет объяснить физическую природу многих процессов, протекающих в поверхностных слоях при экстремальном тепловом воздействии. В том числе, экспериментально показано (см.рисунок 3.8), что на всех этапах воздействия лазерного импульса градиенты температур имеют существенно большие значения, в сравнении с результатами численного моделирования. На основе данных результатов объясняются некоторые эффекты структурообразования, описанные в следующих разделах настоящей работы.

Использование моделей расчета теплового поля и характерного размера структуры в зоне лазерного воздействия позволяют прогнозировать механические свойства конструкционных сталей в зависимости от энергетических режимов лазерной обработки и тепло-физических свойств сплава. Предложенный в работе модельный подход к прогнозированию свойств стали может использоваться в инженерных и практических целях для разработки технологий лазерного упрочнения.

4. ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ПРИ

ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ 4.1 Морфология зон пятна лазерного облучения.

Как было показано ранее, лазерная обработка материалов в целом носит локальный характер. Размеры зон импульсного лазерного воздействия составляют несколько миллиметров, (диаметр пятна - 1-5 мм), глубина зон термического влияния (-50-150 мкм) [3,4,61,62]. Температуры по пятну имеют гауссово распределение. При этом отмечается выраженная неоднородность структуры, состава и свойств облученного пятна, связанная с гипервысокими скоростями нагрева и охлаждения, а также со значительными градиентами температур и напряжений. В результате нагрева КПЭ на поверхности материалов формируется структура, особенности которой обусловлены степенью завершённости фазовых и структурных превращений при нагреве и охлаждении.

Рисунок 4,1 Морфология облученного пятна на стали У10 (в поперечном сечении): а -микроструктура с указанием основных зон; б- схема

Как видно на рисунке 4.1, в общем случае в облученном слое различимы три принципиально различных по природе фазовых превращений зоны.

Первая зона, зона оплавления (30), получена при закалке материала из жидкого состояния, В большинстве случаев она имеет дендритное строение, причём дендриты направлены в сторону теплоотвода. Карбиды при этом обычно растворяются почти полностью. После лазерной закалки сталей в интервале реально применяемых на практике режимов в зоне обработке отсутствуют кратеры, шлаковые включения, обезуглерожен-ные зоны. При лазерной закалке без оплавления первая зона- (30) отсутствует.

Вторая зона, зона закалки из твёрдого состояния (ТС), имеет пониженную трави-мость. На сталях нижняя граница этой зоны облученного пятна определяется нагревом выше точки ACh т.е. может иметь место как полная, так и неполная закалка. Между зонами 30 и ТС наблюдается переходная зона подплавления (Ж/Т) с несколько большей травимостью, чем зона ТС.

Третья зона, переходная, или зона термического влияния (ЗТВ), формируется при нагреве основного металла за счет теплоотвода от облученного пятна. Чаще всего, эта зона присутствует при лазерной обработке предварительно закаленной или отпущенной стали, имеет повышенную травимость и пониженную микротвёрдость, связанную с образованием структур отпуска - троостита или сорбита.

Поскольку результат лазерной обработки материалов (структура, свойства) зависит от соотношения объемов разных зон облученного пятна, рассмотрим подробнее условия формирования, структурные и фазовые превращения во всех зонах при ЛО разных материалов.

4.2 Строение зоны лазерной закалки из жидкого состояния.

С целью увеличения глубины зоны лазерного воздействия, при упрочняющей обработке, особенно при лазерном легировании часто используется облучение материалов с оплавлением поверхности. Высокоскоростная кристаллизация из расплава, полученного при воздействии КПЭ (лазерные, плазменные, электронные лучи), открывает новые возможности для получения качественного иного структурного состояния в сплавах по сравнению с традиционными металлургическими процессами [20-22].

При лазерной термической обработке с оплавлением поверхности конечная структура формируется на стадии охлаждения расплавленного металла. После начала действия светового луча на материал в центральной части облучаемого пятна возникает тонкий слой жидкой фазы (10-30 мкм).

Для 30 характерны дендритные формы роста кристаллов. Дендритные кристаллы различной формы, растущие в жидкой фазе, во многом определяют показатели качества поверхности после лазерной обработки, поэтому являются одним из объектов исследования при структурообразовании различных материалов под воздействием КПЭ.

Металлографически было выявлено несколько типов строения 30 (рисунок 4.2).

На микрофотографии стали Х12Ф1 (рисунок 4.2,а) в оплавленной части пятна хорошо просматривается дендритное строение, для никеля и его сплавов характерно ячеистое строение этой зоны (рисунок 4.2,6), а для стали Р6М5 (рисуиок 4.2,в), мозаичное. Возможен также и недендритный рост кристаллов в оплавленной зоне. Как видно на рисунке 4.2,г и 4.2,д в ЗО на сплавах ферритного класса возникает «игольчатая» структура. Она отмечается на техническом железе и на легированных сталях типа 08X13. Такая структура нетипична и не встречается в таких сплавах при обычных скоростях охлаждения. V fe-j тйй*

Хб00 х400 х500 х500

Д. е.

Рисунок 4.2 Строение оплавленной зоны на различных материалах (вид сверху): а) дендритное на стали Х12Ф1; б) ячеистое на никеле; в) мозаичное на стали Р6М5; г) игольчатое" на стали 08X13; д) "игольчатое" на техническом железе; е) -то же место наблюдаемое в интерференционный микроскоп.

Обращают на себя внимание также такие особенности строения оплавленной, зоны на. стали Р6М5, выявленные тепловым травлением, как зубчатость границ зерен и присутствие полос скольжения (рисунок 4.2,в). Это может быть связано с протеканием процессов, аналогичных ВТМО, т.е. динамической высокотемпературной деформации. Искривленность границ зерен в виде зубчатости, видимо,, является следствием миграции границ за счет возникающих при лазерной обработке значительных микронапряжений и пластической деформации в микрообъемах. В случае лазерного оплавления поверхности металла, то есть когда в центральной части пятна возникает слой застывшего расплава, основным источником локальной пластической деформации являются термические напряжения* при: кристаллизации, а также напряжения, возникающие на; границе зоны расплава с твердым металлом:. Дополнительный вклад в появление напряжений и формирование наблюдаемой мозаичной; структуры, состоящей из субзерен (блоков),, вносит гидродинамическое перемешивание расплава под действием термокапилярных сил, возникающих вследствие, неоднородного нагрева поверхности. В процессе исследований установлено, что в зонах лазерной закалки из жидкого состояния вследствие температурных и концентрационных градиентов возникает высокая степень неравновесности жидкошфа-зы, бифуркационная неустойчивость расплава и переход ламинарного течения жидкости к турбулентному. Возникающие при этом циркуляционные вихри распадающиеся на ряд завихрений (рисунок 4.3,а), обеспечивают на разных масштабных уровнях диссипацию энергии, аномальные потоки массопереноса и диспергирование растущих кристаллов, т.е. наноструктурные эффекты. Наиболее вероятной силой, приводящей в движение жидкость, может являться сила поверхностного натяжения;

При нагреве лазерным лучом металлической поверхности температура оказывается зависящей от координаты вдоль поверхности. В центре пятна температура нагрева максимальна; и к краю пятна она уменьшается: Поверхностное натяжение зависит от температуры поверхности и уменьшается с ростом температуры. Вследствие, этого на поверхности возникает сила, направленная от центра светового пятна к его краям. Если поверхность расплавлена, то из-за этой силы возникает движение жидкости. Сила, действующая на единицу поверхности металлического образца, уравновешивается вязкой силой трения. Таким образом на поверхности жидкости оказывается заданным ротор скорости.

На рисунке 4.3,6 смоделированы направления движения жидкости после неравномерного нагрева лазерным лучом на свободной металлической поверхности [12]. На схеме: Q , п плоскость потока падающего лазерного излучения; А и А -точки, в которых скорость течения падает до нуля; ej и е2 - оси эллиптической системы координат, используемой для моделирования течения, показанного линиями потока. Внутренние течения, возникающие в ванне расплава, могут существенно ускорить процесс перемешивания и растворения легирующих добавок в поверхностном слое металла.

Iq х500 а. б.

Рисунок 4.3 Турбулентное перемешивание расплава в 30: а) микрофотография; б) схема: позиция 1- расплав в поперечном сечении; позиция 2-течение расплава

Управляющим параметром является градиент колебательного давления на границе раздела твердая - жидкая фаза, который при достижении критического уровня становится параметром порядка, контролирующим конвективные и аномальные диффузионные потоки, обеспечивая диспергирование растущих кристаллов. Конвективное течение является ответственным за дисперсию в объеме ванны богатых растворенными элементами участков расплава. Малый размер кристаллитов оплавленного металла приводит к тому, что значительную долю материала 50%) занимают межкристаллитные границы, что коренным образом меняет механизмы, ответственные за формирование макроскопических характеристик лазерно-оплавленного металла.

Бездиффузионной кристаллизации, кроме высокой скорости охлаждения, способствует чистота сплава, предварительный перегрев жидкого металла, узкий интервал кристаллизации и малая скорость диффузии компонентов. Такие условия практические реализуются при лазерном воздействии на металлические системы. Как уже указывалось, большое влияние на свойства зоны оплавления оказывает процесс практически мгновенного поглощения энергии при ЛО, который приводит к генерации волн напряжений, ускоряющих процессы массопереноса элементов металла и к высокоскоростной локальной пластической деформации микрообъемов поверхностного слоя.

Отдельно следует выделить роль включений различного состава исходной структуры в формирование структуры и свойств лазерно-оплавленных слоев. Включения карбидов, нитридов, оксидов в поверхностных слоях материалов, неполностью растворившиеся при лазерном нагреве, способствуют локализации пластической деформации путем взаимодействия с движущимися в плоскостях скольжения дислокациями и возникновению локальных пластических ротаций. При этом включения могут являться не только концентраторами, но и релаксаторами напряжений в процессе полигонизации, рекристаллизации, фазовых превращений, направленного массопереноса и т.д.

Смещение интерференционных полос на возникающем рельефе поверхности в центральной части пятна отчетливо фиксируется при исследовании структуры (рисунок 4.4) с использованием микроинтерференционного микроскопа МИИ-4М. Движущей силой процесса является стремление системы снизить производство энтропии путем самоорганизации диссипативных структур, обусловленной возникновением нелинейной динамики на границе твердой и жидкой фазы. При критических условиях она приводит к неустойчивости движения и бифуркациям, при которых затвердевание сплава связано со сложными кооперативными процессами массопереноса, течением жидкости, фазовыми переходами. х400 *400 а. б.

Рисунок 4.4 Строение оплавленной зоны на никеле: а - наблюдаемое в обычном микроскопе; б- то же место, в интерференционном микроскопе

Определим скорость конвективного перемешивания в жидкой фазе. Для этого необходимо оценить величину градиента поверхностного натяжения расплава по глубине, возникающего вследствие температурного градиента и температурной зависимости поверхностного натяжения при лазерном нагреве, из выражения: da da dT dx dT dx где a - поверхностное натяжение; x - расстояние по глубине образца.

Для жидкого железа — составляет 0,5 дии/(см-град), градиент температур по dT da глубине составляет ~104 град/см, поэтому — » 5 • 101 дин/см2. dx

Согласно уравнению Навье -Стокса для установившегося движения несжимаемой жидкости в одномерном случае и в пренебрежении силой тяжести, скорость движения жидкости со можно оценить из соотношения: ах j] ах где р - капиллярное давление; о т) - динамическая вязкость, для расплава железа Г|=3,7х10~ дин/с-см. dp d2a 1 d<7 т „ ,

Считая, что — - —— «---, где L - характерная длина канала жидкои фазы, поdx dx L dx

L da лучаем оценку для со ~---. т] dx

По данным металлографии L«10"3 см, поэтому с учетом оценки для — получаем, dx что й)»103 см/с. ч

Можно сделать вывод о том, что несмотря на грубую оценку, конвективное перемешивание расплава может быть одной из причин аномально высокого массопереноса в зоне лазерного воздействия и оказывать влияние на размерные характеристики дендри-тов в оплавленной зоне пятна.

Для понимания механизма протекания процессов кристаллизации в 30 важны показатели морфологии дендритного кристалла (степень развития ветвей первого, второго и т.д. порядков, расстояния между ветвями, толщина ветвей). При большой скорости охлаждения размер зерен склонен к уменьшению, это обусловлено зависимостью скорости роста кристаллов Vpocma и числа образовавшихся зародышей N3apod. от степени переохлаждения AT; и связан с параметрами кристаллизации выражением:

4.3) зарод.

Однако, различный характер зависимости параметров кристаллизации от переохлаждения указывает на определенную трудность установления надежных закономерностей между размером зерна и скоростью охлаждения.

Малая длительность импульса, наряду с высокой плотностью мощности излучения приводит к высокоскоростным процессам затвердевания расплавленной ванны, причем в центре пятна и у поверхности расплава переохлаждение наименьшее, поэтому здесь чаще всего можно встретить ячеисто- мозаичное строение. Там, же где достигается наибольшее переохлаждение, а именно, на границе расплавленной ванны с подложкой, параметры Уроста и N3арод. будут иметь наибольшие значения, в связи с чем наблюдается своеобразная «береговая линия» из одинаково ориентированных в сторону теплоотвода неразветвленных дендритов (рисунок 4.5). В темном поле хорошо просматривается различие форм дендритных кристаллов, строение которых напрямую связано с тепловыми режимами охлаждения.

400 х400 а. б.

Рисунок 4.5 Строение облученных зон на стали 12Х18Н9Т: а- при наблюдении в оптический микроскоп; б- то же место в темном поле

Наблюдаемые особенности структурообразования при высоких скоростях охлаждения могут быть выяснены на основе анализа кинетики кристаллизации. Как было показано выше, скорость охлаждения при лазерной закалке составляет от 10*3 до 106К/с.

Для достоверного определения скорости движения границы раздела жидкой и твердой фаз Г"и выявления последующего влияния на струюгурообразование, проведём её сопоставление с типом и характерным размером структуры, полученной при JIO, и сравним полученные зависимости с теоретическими значениями.

Рассмотрим вариант строения оплавленной зоны упрочненного пятна, когда в поперечном сечении столбчатые кристаллы выглядят как равноосные зерна, состоящие из отдельных блоков, ориентированных определенным образом в пределах каждого зерна, то есть центральная часть пятна имеет мозаичную структуру (рисунок 4.2,в, 4.6, а). а. б.

Рисунок 4.6 Мозаичное строение 30 на стали I2XI8H9T (а) и схема взаимного расположения дендритов, с указанием дендритного параметра d (б)

Воспользовавшись установленной корреляционной связью между скоростью охлаждения и величиной дендритного параметра для ряда сплавов в указанном интервале скоростей охлаждения [67], полученной из выражения 4.3, определяем значения локальной скорости кристаллизации V" через значение дендритного параметра, из установленной экспериментально зависимости: d п А • V~n, (4.4) где d - величина дендритного параметра, мкм;

А и «-константы металлических материалов. Значения констант в выражении (4.4) приведены в таблице 4.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итог научных разработок, изложенных в диссертации и соответствующих целям и задачам исследований, можно сформулировать в виде следующих общих выводов:

1. Выполнен теоретический анализ топографии температурного поля для квазистационарного режима генерации импульсного лазера при нагревании и при охлаждении после прекращения действия лазерного импульса. Сравнение теоретических результатов с результатами экспериментального определения температурного режима импульсного лазерного облучения позволило установить, что реально достижимые градиенты температур между нагретой и холодной зонами материала, так же как и скорости охлаждения, превышают расчетные значения на 15-20%.

2. Созданы физические представления о возникновении и природе локальной пластической деформации в поверхностных слоях металлов и сплавов при гиперскоростном нагревании с использованием импульсного лазерного излучения, вызываемой появлением внутренних напряжений на когерентной границе при полиморфном превращении и термострикционных напряжений из-за огромного температурного градиента в облучаемом металле. Показана особая роль этих деформаций в протекании фазовых переходов, явлениях массопереноса и структурообразования, которая заключается в приросте свободной энергии фаз, получении выигрыша в движущей силе фазовых переходов, что реализуется в увеличении темпа превращений.

3. Мсталлофизическими методами изучены структурные проявления эффекта релаксации напряжений в процессе высокотемпературной лазерной обработки, в частности, путем протекания дииамической полигонизации и рекристаллизации, степень реализации которых определяет остаточное упрочнение и конечную структуру стали.

4. Получены новые научные знания о механизмах структурной самоорганизации в процессе гипернеравновесных фазовых переходов в условиях огромной стесненности во времени процесса лазерного нагрева н ограниченности протекания классических диффузионных процессов. Установлено, что аномальный ускоренный локальный массоперенос в сталях и сплавах при скоростном лазерном нагреве носит кооперативный характер и в первую очередь связан с выраженным влиянием процессов локальной пластической деформации. Параметры массопереноса при лазерном воздействии зависят от масштаба возникающих напряжений, релаксация которых сопровождается образованием повышенного количества линейных дефектов кристаллического строения, способствующих захвату и переносу атомов углерода и других элементов по механизму «дрейфа» вглубь облученного материала (термоэффект Соре).

5. Проведена количественная оценка элементов структуры в разных зонах облученного пятна, в том числе с использованием метода мультифракгальной параметризации. Проведенный анализ обусловлен необходимостью введения количественной характеристики динамической структуры в виде фрактальной размерности структуры зон перехода и позволил выявить взаимосвязь исходной структуры металлов с динамической, эволюционирующей при лазерной воздействии структурой.

6. Показано, что наиболее подготовленной с скоростной лазерной термообработке является исходная структура мартенсит отпуска с заложенным в ней в процессе предварительной объемной термообработки содержанием углерода. В условиях импульсного лазерного облучения, практически в отсутствии диффузионных процессов мартенсит отпуска превращается в у-фазу по сдвиговому механизму с наследственной передачей ей углерода и дефектов кристаллического строения. В свою очередь, образующийся при лазерном нагреве аустенит за счет фазового наклепа при у—>а превращении, а также за счет динамических эффектов в облучаемой зоне приобретает мелкозернистое строение с малоугловыми границами, высокой плотностью деформационных дефектов упаковки и высокой плотностью дислокаций. Перечисленные процессы обеспечивают диспергирование продуктов сдвигового у—>а превращения при последующем скоростном охлаждении, а также являются одной из причин сохранения некоторого количества устойчивого к превращению остаточного аустенита.

7. Определены возможности повышения конструкционной прочности а также эксплуатационных свойств материалов после импульсной лазерной обработки за счет получения фрагментированного строения мартенсита, малоугловые субграницы которого являются «полупроницаемыми» барьерами для движения дислокаций, что обеспечивает сочетание высокой прочности и достаточной пластичности облученного металла.

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;

8. В результате теоретических и экспериментальных исследований сформирована новая информационная база, позволяющая обоснованно назначать режимы поверхностной лазерной обработки различных материалов для получения заданной структуры и необходимого уровня свойств. Разработаны технологические принципы импульсного лазерного облучения изделий различного функционального назначения, включающие в себя технологические инструкции по проведению процесса и контролю качества лазерного упрочнения, практическое использование которых позволило повысить работоспособность различных изделий в 2-5 раз.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дьяченко, Лариса Дмитриевна, 2008 год

1. Криштал М.А., Корвачев В.Д., Кокора А.Н. В сб. «Термодинамика и физическая кинетика структурообразования в стали и чугуне», Приокскос изд-во, 1967. 285 с.

2. Рыкалин Н.Н Воздействие излучением ОКГ на железные сплавы // Физика и химия обработки материалов, 1972. №6, с.14-21

3. Миркин Л.И. Физические основы обработки материалов лучами лазера. М.: МГУ, 1975.-383 с.

4. Криштал М.А., Жуков А.А., Кокора А.Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. М.: Металлургия, 1973. -192с.

5. Лазерно-лучевая обработка материалов. Справочник / Рыкалин Н.Н. и др. М.: Машиностроение, 1985. -496 с.

6. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1988. 494 с.

7. Углов А.А., Смурнов И.Ю., Лапин A.M., Гуськов А.Г. и др. Моделирование тепло-физических процессов импульсного лазерного воздействия на металлы. М.: Наука, 1991.-285с.

8. Физико-химические процессы при обработке материалов концентрированными потоками энергии. /Под ред. А.А. Углова. М.: Наука. 1989. 270с.

9. Углов А.А. Воздействие концентрированных потоков энергии на материалы // Материаловедение. 1997. №5. С. 3-7

10. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989.-294 с.

11. Коваленко B.C. и др. Упрочнение деталей лучом лазера. Киев: Техника, 1981 г. 132с.

12. Веденов А.А., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработки материалов. М.: Энегроатомиздат.1985. 224с.

13. Бекренев А.Н., Жаткин С.С., Паркин А.А. Исследование динамики нагрева металлов при импульсном лазерном воздействии // Физика и химия обработки материалов. 1994. №6. С.25-31

14. Паркин А.А., Жаткин С.С. Специальная приставка к ШС-1001 для измерения параметров излучения процесса взаимодействия концентрированных потоков энергии с веществом. // Обработка концентрированными потоками энергии. Пенза: Изд. Дома техники, 1988. С.22-23

15. Коротких В.М., Гуляев П.Ю., Гумиров М.А., Еськов А.В., Евстигнеев В.В. Способ измерения яркостной температуры. Патент РФ №2099674 от 20.12.97.

16. Зуев И.В. Обработка материалов концентрированными потоками энергии. М.: Изд-во МЭИ, 1997. -437с.

17. Гуреев Д.М., Ямщиков С.В. Основы физики лазеров и лазерной обработки материалов. Самара: Изд-во СГУ, 2001. 392с.

18. Галенко П.К., Харанжевский Е.В., Данилов Д.А. Высокоскоростная кристаллизация конструкционной стали при лазерной обработке поверхности// Журнал технической физики. 2002, том 72, вып. 5, с.48-55

19. Садовский В.Д. и др. Лазерный нагрев и структура стали: Атлас микроструктур. Свердловск: УрО АН СССР, 1989 102 с.

20. Бекренев А.Н., Беркин А.Г., Дробязко С.Б. Образование структуры равноосных кристаллов при лазерном оплавлении быстрорежущей стали // Металлофизи-ка.1989. Т. 11, №З.С.120-121

21. Гуреев Д.М. Фазовый состав быстрорежущих сталей при быстрой кристаллизации лазерного расплава // Физика и химия обработки материалов. 1994. №6. С. 126-138

22. Ломаев Г.В, Харанжевский Е.В. Упрочняющая обработка поверхности методом высокоскоростной лазерной перекристаллизации // Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. №3. С.27-32

23. Гаращук В.П., Карета Н.Л., Молчан И.В., Моравский В.Э. Структура зоны упрочняющего воздействия светового луча лазера на монокристалл кремнистого железа // Физика и химия обработки материалов. 1973. №5. С.113-116

24. Ерматов С.Е., Турдыбеков П.И., Орозбаев P.O. Исследование изменения микротвердости монокристаллов молибдена под действием лазерного излучения // Влияние примесей и дефектов на свойства кристаллов. Фрунзе,1970. С.32-37

25. Папиров И.И., Авотин С.С., Крпвчикова Э.П. Деформация монокристалла бериллия при действии лазерного излучения // Физика и химия обработки материалов. 1973. №2. С.147-148

26. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация неравновесных систем. М.: Мир, 1979. -635 с.

27. Мнркин Л.И. Деформация и разрушение материалов лучом лазера. М.: МГУ, 1975.-354 с.

28. Ершова Л.С. О механизме перекристаллизации при лазерной обработке // Металловедение и термическая обработка металлов, 1979. №3. С. 17-19

29. Губенко С.И. О динамическом характере рекристаллизации стали при лазерном воздействии // Металловедение и термическая обработка металлов, 1989. №10. С.2-5

30. Миркин Л.И., Пилипецкий Н.Ф. О физической природе упрочнения сталей при воздействии световых импульсов // Доклады АН СССР, 1972. №3. С.580-582

31. Мазанко В.Ф., Покоев А.В., Миронов В.М. и др. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций: в двух томах. М.: Машиностроение-1; Самара: Самарский университет, 2006 320 с.

32. Варавка В.Н., Домбровский Ю.М., Шабаринов А.В. О структурных эффектах в зоне обработки материалов концентрированными потоками энергии // Вестник ДГТУ, 2003. Т.З. №4 (18). С.445-451

33. Домбровский Ю.М., Пустовойт В.Н., Бровер А.В. Структурообразование в стали при нагреве плазменной сканируемой дугой.// Материаловедение, 1997. №7. С.52-56

34. Крипггал М.А., Захаров Н.Н., Кокора А.Н. О вкладе диффузионных процессов в перераспределение вещества в твердом теле под воздействием лазерного излучения // Физика и химия обработки материалов. 1976. №4. С. 25-28

35. Захаров С.М., Лариков Л.Н., Межевинский Р.Л. Влияние движущей силы, созданной внешним воздействием, на массоперенос в твердом теле // Металлофизика и новейшие технологии, 1995. Т171, №1. С.30-35

36. Бровер А.В. Структурные особенности процесса поверхностного упрочнения стали концентрированными потоками энергии // Материаловедение, 2005. №9. С. 18-23

37. Семенцев A.M. Особенности структурообразования в низколегированных сталях при лазерной обработке // Автоматизация и современные технологии, 2006. №7. С. 16-18

38. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения. Воронеж: ВГУ, 2000. 360 с.

39. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука. 1994. 383с.

40. Иванова B.C., Встовский Г.В., Колмаков А.Г. Мультифрактальный метод тестирования устойчивости структур материала, Москва: НОЦ ИМиМ им Байкова РАН, 2000. 56 с.

41. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Бунин И.Ж. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов. Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2001.-39 с.

42. Кидин И.Н., Андрюшечкин В.И. и др. Электротермическая обработка металлов и сплавов. М.: Метеллургия, 1978. 320с.43