ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЕЙ В ЗОНАХ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

Бровер А.В., Бровер Г.И., Арутюнян О.С., Кирпилянский Г.П.

При воздействии концентрированных потоков энергии, в частности лазерного излучения, в стали в течение тысячных долей секунды происходит сложный комплекс структурных и фазовых превращений, способствующих возникновению значительного упрочнения. Уровень твердости и свойства сталей после лазерной закалки зависят от многих факторов: от степени развития мартенситного превращения, исходного химического состава, количества и дисперсности карбидной фазы. Максимальное упрочнение после лазерной обработки характерно для сталей с содержанием углерода более 0,6-0,8% по массе. Скоростные процессы, свойственные лазерному способу закалки, повышают твердость сталей на 20-30% по сравнению с традиционным объемным упрочнением.

Природа этого явления обусловлена формированием в металле в процессе практически мгновенного поглощения энергии термических и структурных напряжений, приводящих к высокотемпературной локальной пластической деформации микрообъемов металла, к особому дислокационному строению с повышенной дисперсностью блоков и к ускорению процесса массопереноса. Ведущую роль в организации конечных структур играет незавершенность гомогенизационных процессов и характер распределения примесей и легирующих элементов в растворе перед охлаждением. При этом твердость конечных структур будет зависеть не только от уровня общей насыщенности твердых растворов, но и от степени сохранившейся микрохимической неоднородности вокруг источников растворения.

Практическое использование эффектов лазерного облучения сдерживается отсутствием единой концепции о механизме нетривиального структурообразования и о физических процессах, протекающих в зонах воздействия лазерного излучения на металлы, с учетом роли явления структурной наследственности, возникновения значительных температурных градиентов, приводящих к локальной деформации, а также степени релаксации последствий наклепа.

В настоящей работе сделана попытка систематизации экспериментальных данных, содержащихся в литературе и полученных авторами, об особенностях структурного состояния сталей в зонах лазерной обработки, в частности, о возможных причинах увеличения в них количества остаточного аустенита.

Материалами для исследований послужили стали У10А, У12, 9ХС, ХВГ, Х12М, Х12Ф1, ШХ15, Р6М5 и др. Особое внимание в работе уделялось легированным сталям Х12М и Р6М5, в которых после лазерной обработки наблюдается 50-80% остаточного аустенита.

В ходе выполнения работы был осуществлен комплекс лабораторных экспериментов по изучению природы и механизма процессов скоростной лазерной обработки сталей.

Импульсное лазерное облучение проводилось на технологической установке “Квант-16”. Изменение энергии излучения (до 30 Дж), степени дефокусировки луча (3-6 мм), длительности излучения от 3×10^-3 с до 6×10^-3 с позволило варьировать плотность мощности излучения в широких пределах.

Зоны упрочненного пятна различаются морфологией. В случае лазерной обработки с оплавлением поверхности образцов в пятне присутствуют три зоны. Центральная, оплавленная зона, глубиной 5-20 мкм, имеет дендритно-ячеистое строение и содержит a-, g-фазы и некоторое количество нерастворившихся карбидов, причем количество g-фазы достигает 30-90% в зависимости от химического состава облучаемой стали.

Зона лазерной закалки по сравнению с исходным металлом под микроскопом выглядит светлой, что связано, в том числе, и с повышенным содержанием остаточного аустенита.

Вторая зона обладает пониженной травимостью (по сравнению с травимостью исходного термообработанного металла), глубина ее 50-100 мкм, она также содержит a- и g-фазы с сохранением значительного количества исходных карбидов. Эта зона подвергнута скоростной закалке из аустенитного состояния и имеет повышенную твердость (10-11 ГПа). Третья зона пятна представляет собой слой металла, подвергнутого высокоскоростному отпуску. Она имеет пониженную твердость (6-6,5 ГПа), если лазерной обработке подвергался объемно-закаленный металл.

Поскольку основной вклад в общую твердость облученного металла вносят зоны закалки из жидкого и твердого состояний, рассмотрим особенности структурно-фазового состояния этих зон и оценим степень влияния количества остаточного аустенита на эксплуатационные характеристики упрочненных поверхностей.

Методами количественной металлографии установлено, что, несмотря на повышенное содержание остаточного аустенита в облученных зонах сталей достигается максимальная степень упрочнения металла, что связано, видимо, с присутствием необычных по свойствам фаз, формирующихся при скоростном нагреве и охлаждении и характеризующихся высокой дисперсностью блоков мозаики (Д»6×10^-7 см) и повышенной плотностью дефектов кристаллического строения (r»7×10¹¹ см^-2), микронапряжения составляют ( ГПа).

Зафиксированное экспериментально повышенное количество остаточного аустенита в структуре углеродистых и легированных сталей после импульсного лазерного облучения на определенных режимах может быть вызвано следующими факторами: более высокой температурой нагрева по сравнению с нагревом при печной закалке по стандартному режиму; малым временем аустенитизации; высокой скоростью охлаждения; большей степенью наклепа исходного аустенита перед началом мартенситного превращения; влиянием пластической деформации и напряжений, действующих в процессе облучения; гетерогенным химическим составом облученных зон по углероду и легирующим элементам.

При малых плотностях мощности излучения (q<100 МВт/м²) и, следовательно, относительно низких температурах нагрева в зонах лазерной закалки без оплавления поверхности, к увеличению количества g-фазы приводит повышенная плотность дислокаций, возникающая в аустените при a®g превращении и наследуемая от исходной до нагрева a-фазы. Из-за кратковременности процесса облучения дефектность аустенита сохраняется до начала g®a превращения и тормозит его.

При больших плотностях мощности излучения и нагреве в верхнюю часть твердофазной области, то есть в зонах лазерного подплавления поверхности, к увеличению объема остаточного аустенита приводит более полное растворение карбидов, чем это имеет место при печной закалке по стандартным режимам. При этом происходит насыщение аустенита углеродом и легирующими элементами и понижение мартенситной точки.

С концентрационной неоднородностью и высокой плотностью дефектов кристаллического строения g-фазы облученного металла связана невысокая ее термическая устойчивость. Уже после нагрева до 300^оС наблюдается уменьшение количества остаточного аустенита в закаленных зонах металла до 20-40%.

Учитывая возможность g®a превращения (образования мартенсита деформации) в поверхностных слоях облученных сталей при нагружении в процессе эксплуатации и с целью определения возможностей повышения механических свойств лазерно-упрочненных изделий определено оптимальное количество остаточного аустенита в структурах поверхностных слоев облученных сталей по результатам испытаний на износостойкость и теплостойкость.

Установлено, что увеличение содержания остаточного аустенита в облученной стали до определенного предела (40-60%) сопровождается активизацией его превращения в мартенсит при деформации. Но наиболее высокий уровень прочностных свойств в сочетании с достаточной пластичностью достигается, если в структуре стали наряду с мартенситом и карбидами сохраняется 15-20% остаточного аустенита.

Таким образом установлено, что в зависимости от конкретных условий нагружения при эксплуатации необходимо регулировать количество остаточного аустенита и степень его стабильности в структурах лазерной закалки путем варьирования режимов облучения.. Это позволяет управлять механическими свойствами стали и получать высокий уровень тех из них, которые в конкретных условиях эксплуатации наиболее важны.