Технические науки / 8.Обработка материалов в машиностроении

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

Донской государственный технический университет,

г. Ростов-на-Дону, Россия

Формирование нетривиальных структур в сталях

при импульсной лазерной обработке

На кафедре «Физическое и прикладное материаловедение» ДГТУ проведены экспериментальные исследования и теоретический анализ особенностей фазовых и структурных превращений, происходящих в сталях при импульсной лазерной обработке, осуществляемой по режимам как с оплавлением, так и без оплавления поверхности.

Актуальность и значимость 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 технологиям двойного назначения, как лазерное упрочнение.

Обоснованный выбор параметров облучения, обеспечивающих заданный уровень свойств материалов, возможен лишь на основе знания общих закономерностей, связывающих параметры лазерного облучения, формирующуюся структуру и достигаемые свойства. Для решения этой задачи потребовалось обобщение, научный анализ результатов экспериментальных исследований и новый подход к изучению механизма структурообразования в металлах и сплавах при гиперскоростном нагревании лазерным излучением.

В ходе выполнения работы проведено комплексное металлофизическое исследование физической природы и механизма структурообразующих процессов лазерной закалки сталей и сплавов широкого технологического спектра. Экспериментальную основу составили методы исследования тонкой структуры: металлографический, электронно-микроскопический, микрорентгеноспектральный, рентгеноструктурный анализ и др.

Установлено, что процесс упрочнения материалов при гиперскоростной лазерной поверхностной обработке является многофакторным. 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 при полиморфном превращении и термострикционных напряжений из-за огромного температурного градиента между нагретой и холодной зоной металла.

Показано, что, в отличие от существующих представлений, не диффузионные процессы, а эти деформации играют доминирующую роль в процессе фазовых переходов, структурообразования, явлениях массопереноса (термодиффузия Соре) и структурной наследственности. Релаксация этих напряжений осуществляется по разным механизмам, в частности, за счет протекания процессов динамической полигонизации и рекристаллизации, причем степень релаксации определяет остаточное упрочнение и конечную структуру стали.

Установлено, что наиболее подготовленной к скоростной лазерной термообработке является исходная структура мартенсит отпуска, в котором, в отличие от существующих представлений, не происходит рекристаллизация, а протекает динамическая полигонизация, как результат горячего фазового наклепа при обратном сдвиговом a®g переходе. Это приводит к наноструктурным эффектам с формированием фрагментированной структуры с размером субзерен 200-300 нм, малоугловые субграницы которых являются «полупроницаемыми» барьерами для движения дислокаций в закаленных из твердого состояния сталях и сплавах, что обеспечивает сочетание в них высокой прочности и достаточной пластичности.

Практическая значимость полученных результатов заключается в разработке принципов прогнозирования механических, технологических и эксплуатационных свойств материалов с учетом структурных особенностей процесса упрочнения при гиперскоростной лазерной обработке, зависящих от соотношения процессов пластической деформации при нагреве под действием термических напряжений и процессов диссипации энергии путем динамического возврата, полигонизации и рекристаллизации обработки.

В результате теоретических и экспериментальных исследований создана информационная база структуры и свойств облученных сталей и сплавов, что позволяет обоснованно назначать как режимы их поверхностного лазерного упрочнения, так и температуры последующего отпуска для получения заданной структуры и необходимого уровня свойств и решить задачу конструирования структуры поверхностного слоя, индифферентной или адаптируемой к условиям температурно-силового нагружения при эксплуатации.