Технические науки / 8. Обработка материалов в машиностроении

К.т.н., доц. Бровер А.В., д.т.н., проф. Бровер Г.И.

Донской государственный технический университет, Россия

САМООРГАНИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЁВ СТАЛИ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ

Современный уровень развития машиностроения постоянно повышает уровень требований, предъявляемый к инструментальным материалам, и в связи с этим требует их усовершенствования или создания на их основе новых материалов со специальными свойствами. В последнее время отдается предпочтение управляемым методам термической обработки поверхности металлических материалов, в том числе с использованием высокоэффективных концентрированных потоков энергии (КПЭ). Арсенал способов воздействия КПЭ продолжает расширяться, используются непрерывные, импульсные, импульсно - периодические лазеры, плазменная дуга, ионная имплантация и многие другие перспективные технологии, позволяющие существенно повысить эксплуатационные свойства поверхностных слоёв сталей и сплавов.

Первые отечественные работы по изучению структурных и фазовых превращений в зонах обработки КПЭ появились в 70-е годы прошлого века. Но решение существенно важных проблем современного материаловедения, связанных с изучением механизма структурной самоорганизации металлических материалов при экстремальном тепловом воздействии и с разработкой единой концепции о структурном механизме создания в поверхностных слоях упрочненного состояния металла, пока значительно отстает от темпов внедрения источников КПЭ в промышленность.

Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью механизмов и эффектов, сопровождающих процессы упрочнения и легирования инструментальных материалов из покрытий в условиях гипервысоких скоростей нагрева и охлаждения, что сдерживает разработку рекомендаций прикладного характера применительно, в частности, к таким высоким технологиям двойного назначения, как лазерное упрочнение и легирование.

В настоящей работе при изучении гипернеравновесных фазовых переходов и механизмов структурной самоорганизации в условиях экстремального теплового воздействия энергии лазерного импульса (скорость нагревания до 10⁶ град/с) определенное место занимают оценки влияния внешних воздействий (нагрева, деформации, ультразвука, магнитного поля и т.п.), как предваряющих термический процесс, так и действующих во время протекания фазовых превращений.

Отличительной особенностью исследований является признание доминирующей роли локальной пластической деформации, которая является основным механизмом диссипации упругой энергии, возникающей при фазовых превращениях, а скорость этого процесса (пластической деформации) во многом определяет кинетику превращения. При этом следует учитывать, что проблема генерации и движения дислокаций во многом аналогична проблеме зарождения и роста новой фазы, и между теорией пластической деформации и теорией фазовых превращений имеется вполне определенная методическая общность. Пластическая деформация при гиперскоростном лазерном нагреве является результатом нескольких процессов, в частности, релаксации внутренних термострикционных напряжений из-за огромного температурного градиента между нагретой и холодной зоной металла, релаксации внутренних напряжений на когерентной границе при полиморфном превращении, а также в результате пластического сдвига, сопровождающего обратное a®g превращение, когда исходная a-фаза имеет упорядоченную (мартенситную) структуру. В результате пластической деформации возникает явление фазового наклепа, который сопровождается более или менее значительным упрочнением. Последствия фазового наклепа релаксируют за счет протекания процессов (диффузионных) динамической полигонизации и рекристаллизации. Степень релаксации напряжений определяет остаточное упрочнение и конечную структуру стали.

Следует отметить, что локальная пластическая деформация при гипернеравновесном нагревании делает возможным образование избыточных вакансий, за счет которых их общая концентрация может быть достаточно высокой и требуются соответствующие оценки отличия этой общей концентрации от равновесной. Величина концентрации вакансий очень важна как для описания процессов релаксации последствий фазового наклепа (диффузия вакансий в поле напряжений), так и для обсуждения возможных механизмов реализации вакансионных потоков в процессе охлаждения стали с учетом структурного различия мест, являющихся стоками для избыточных вакансий.

Получение новых знаний в области теории гипернеравновесных фазовых переходов следует считать основой для разработки высоких технологий упрочнения и легирования с использованием экстремальных способов теплового воздействия.

На основании выполненных исследований разработаны положения, позволяющие:

· сформулировать и реализовать системный многофакторный подход к созданию методов термического упрочнения и легирования сталей и сплавов с применением лазерного нагрева, позволяющий решать задачу конструирования наноразмерной структуры поверхностного слоя, индифферентной или адаптируемой к условиям эксплуатации;

· сформулировать принципы прогнозирования механических, технологических и эксплуатационных свойств ультрадисперсных поверхностных слоев на металлических материалах с учетом структурных особенностей процесса упрочнения и легирования 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 ранних стадий рекристаллизации;

· выявить природу и закономерности влияния факторов внешнего воздействия (предварительного пластического деформирования, ультразвуковой обработки) на механизм и развитие гипернеравновесных фазовых переходов в материалах, что позволит интенсифицировать процессы поверхностного лазерного упрочнения и легирования сталей и сплавов;

· сформировать новую информационную базу, позволяющую обоснованно назначать режимы поверхностной лазерной обработки и легирования инструментальных материалов для формирования требуемого уровня свойств, что ляжет в основу разработки технологических принципов получения материалов с нанодисперсной структурой.