Термофлуктуационная модель фазовых превращений и ее применение к анализу структурно-напраженного состояния поверхности в задачах лазерной термообработки сплавов на основе железо-углерод тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

; московски! гсюударственный инженеено-жзическш ■ ■ • • ' институт ( технический университет )

На правах рукописи

УДК 536.42; 621.373.826:621.73:[669.14.018.25 + 669.13.018.256] + 620.178.167 + 620.193.13

ГУРЕЕВ Дмитрий Михайлович

тврмсшуктуационная модель фазовых превращении и ее применение к анализу структурно-нлпря1генного состояния поверхности в задачах лазерной термообработки сплавов на основе железо-углерод

01.04-07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Автор:

Москва - 1995

Работа выполнена в Самарском филиале Физического института им.П.Н.Лебедева Российской Академии наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Афанасьев Ю.В. •доктор физико-математических наук, профессор Апполонов В.В. доктор технических наук, профессор Сафонов А.Н.

Ведущая организация: Институт металлургии им.А.А.Байкова РАН

Защита диссертации состоится " " £>/СЛР^/г^995 г. в /^час. ¿>-<С> мин. на заседании диссертационного совета Д 053.03-01 в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете) по адресу: 115409, г.МоскЕа, Каширское шоссе, 31; тел. 324-84-98, 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан "_£<3£" йуО'Сц? 1995 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор физико-математических наук,

профоссор В.П.Яковлев

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акту алыюстьпроб ломы. Теоретические и экспериментальные исследования фазовых превращений п диффузшг до сих пор остаются од---г -р-у?"'"'"'-'^ гу-тптгдтгя^-г^т? у рг><-;р вшокшео и .всесторонне ра-экгаамг-Ш областей фигшеи твердого тела. Особый интерес оти исследования приобрели с разработкой технологий, в основе которых лежит

СИстртгт пагроп. "сталъзозстгтз Снстрсго 'ттпгрева, рсолпзусгетго, В' частности, при лазерном воздействии, открывает возмояпости для изучения процессов фазовых превращений в отсутствии влияния на них

лыий особенностью процессов фззовых превращений при быстром, нагреве является существенная неравновесность условий, при которых они протекают, что предопределяет разработку новых подходов для их описания, отличных'от классических методов, развитых для анализа равновесных фазовых превращений. В свою очередь, теоретическая модель, адекватно описывающая кинетику фазовых превращений в нерав-

го равновесия, стимулирует развитие экспериментальных методов, ис-пользукдих быстра!!: нагрев для формирования структур с уникальными свойствами. К числу таких методов относится, в частности, кратная лазерная термообработка, котох:>ая отдельно или в сочетании с объемной термообработкой позволяет эффективно влиять на степень протекания фазовых превращений и диффузии в сплавах на основе железо-углерод и тем самым управлять структурно-напряженным состоянием поверхности, - используя ■ возраставши, продрасполохсниость данных сплавов к накоплению энерпш внутреннего наклепа по мере повышения их уровня легироватюсти.

Таким образом, при решении научно-практических.задач, лежащих в основе.технологий лазерной термообработки поверхности, весьма актуальным является разработка теоретической модели,' 'опирающейся на современные представления о коллективном характере протекания элементарных процессов перестройки решетки в системе "металл -внешнее воздействие" в иерархической последовательности бифуркаций, ведущих к образованию диссипативных структур, для адекватного описания кинетики фазовых превращений и диффузии при быстром нагреве сплавов на основе железо-углерод и использование ее результа-

тов в экспериментальных исследованиях физических закономерностей формирования с труктурно-напрякенного состояния поверхности при кратном лазерном воздействии и его оптимальном сочетания с объемной термообработкой.

Цель работы. Общая задача диссертационной работы состояла в теоретическом и экспериментальном исследовании физических закономерностей формирования оптимального структурно-напряженного состояния поверхности сплавов на основе железо-углерод при лазерном воздействии с целью практического использования получепшхх результатов при разработке технологий лазерной термообработки рабочих поверхностей деталей машин и инструмента.

Решались следующие конкретные задачи:

1. Разработка кипетической модели термофлуктуационпой кооперативной перестройки решетки при фазовых превращениях первого рода в условиях быстрого нагрзЕа, характеризующейся универсальность», автомодельностью, масштабной инвариантностью.

2. Получение в автомодельном приближении универсальной зависимости температуры, при нагреве до которой достигается заданная степень фазового превращения, от скорости нагрева- .

3. Выявление закономерностей оязргетического спектра активации элементарных процессов термофлуктуационвой перестройки решетки. ■

4. Экспериментальное исследование структурно-напряженного состояния поверхности, формирующегося при лазерном воздействии в инструментальных сталях по мере возрастания их уровня легарованнос-ти, и выявление закономерностей его контролируемого изменения методом кратной лазерной термообработки.

5. Экспериментальное исследование диффузионного перераспределения атомов углерода, вольфрама и хрома в зонах лазерного воздействия в углеродистых и легированных инструментальных сталях и высокохромистом чугуне. !

6. Оптимизация структурно-напряженного состояния поверхности быстороре!хущей стали и высокохромистого чугуна при сочетании процессов лазерной закалки и объемной термообработки.

7. Анализ теплофизики процесса термообработки поверхности лазерными источниками нагрева с различном пространственным к времен-ннм распределением излучения к получение .упрощенных смпиричесгсЕс выражений для определения глубин зон лазерного воздействия.

8. На основе результатов теоретических и експеримеита-льних

4

исследований разработка технологий лазерной термообработки рабочих поверхностей ножей гильотинных нохнзщ и лопаток дробеметных аппаратов.. ..... ,, ....................

Научная новизна и практическая значимость. В работе с применением комплекса методов физических исследований впервые получены 'слздуксзго результаты. ••• - • • ■

Развита модель переходного состояния термофлуктуационнсй кооперативной перестройки решетки при фазовых превращениях'-первого рода, позволившая обобщить ранее полученные результаты. Показана взаимосвязь, макропараметра модели - кинетического-критерия подобия с термической дилатацией решетки, рассматриваемой в качестве меры запасенной материалом энергии. Для железа я стали рассчитаны скор-сти зарождения и роста 7-фазы и кинетика процесса полиморфного а-7 -превращения при быстром нагреве с постоянной скоростью. Получено хорошее согласие результатов расчета с экспериментальными данными. . . Использован подход к описанию: кинетики фазовых превращений при быстром нагреве в автомодельном приближении. Получена универсальная линейная зависимость температуры, при нагреве до которой достигается заданная малая степень превращения, от логарифма скорости нагреза. Определены еффектшзпыо энергии активации процессов a.-7-превращения в железе и стали и I, II и III превращений при отпуске стали, а также числа атомов, участвующие в едишгпюм акте кооперативной перестройки решетки при каждом из данных фазовых превращений.

В рамках общего подхода с позиций энергетического подобия в поведении системы "металл - внешнее воздействие" при тепловой и механической накачке энергии и возникновении бифуркаций - неравновесных фазовых переходов при достижении в металле критической плотности энергии вне зависимости от способа ее достижения развито положение о подобии процессов a-7-превращсиия в железе, стали и стали, прошедшей предварительную пластическую деформацию. Получено выражение для энергии наклепа, релаксация которой снижает температуру фазового равновесия па 1 К. Рассчитанная величина этой энергии 6.7 Дх/моль.К с точностью до 10 % соответствует экспериментальному значению. Оценено максимально возможное смещение температуры фазового равновесия при пластическом деформировании, не превышающее 100 К. Получено значение эффективной коьгактной дилатации несоответствия на границе "феррит - цементит" ~ 4.Ю-3, необходимой для снижения температуры фазового равновесия с 910 °С в железе

'S- ;

до 725 °C в стали. : \ .

Выявлены закономерности энергетического спектра ,активации влементарных' процессов термофлуктуационной перестройки решетки, определяемые свойством масштабной инвариантности кинетического критерия подобия. Спектр внергий активации дискретен, что отражает возможность протекания одного и того же процесса на разных энерге- . тических уровнях. Получено, что значения энергий активации, расположенные в порядке их возрастания, образуют последовательность чисел Фибоначчи с отношением двух соседних чисел этой последовательности равным коэффициенту масштаба, теоретическое значение которо-

"1 /'Р '

го соответствует "золотому сечению" 0,5(1 + 5. ) 1.618.

В соответствии с выводами теории при лазерной закалке инструментальных сталей и высокохромистого чугуна экспериментально реализовано формирование диссшгативных структур как, проявление ускоренного протекания процессов диффузии углерода, вольфрама и хрсма по большеугловым- границам зерен на II-III энергетических уровнях при 103-105 кратном возрастании их диффузионной подвижности.

Изучены особенности формирующегося структурно-напряженного состояния в поверхностных слоях инструментальных сталей.при кратном лазерном воздействии, отражающие возрастающую предрасположенность сплавов на основе железо-углерод к накоплению энергии внутреннего наклепа по мере повышения их уровня легированности. Показано, что реализация последовательности:лазерный отпуск- лазерная закалка'позволяет управлять дисперсностью формирующейся структуры, ее фазовым составом и уровнем остаточных напряжений при малоизме-няющихся значениях микротвердости. Установлена количественная взаимосвязь между величиной и знаком остаточных напряжений и содержанием остаточного аустенита в зонах лазерного воздействия.

Сочетанием процессов лазерной закалки и объем-юй термообработки оптимизированы структурно-напряженные состояния поверхности быстрорежущей стали и высокохромистого чугуна. '

Практическая значимость, работы представлена результатами расчета теплофизики процесса термообработки поверхности лазерными источниками нагрева с различным пространственным и временным распределением излучения; полученными упрощенными эмпирическими выражениями для определения глубин зон лазерного воздействия; разработанными подходами к формированию оптимального структурно-напряженного состояния-поверхности использованием кратного лазерного воздействия и его сочетания с объемной термообработкой; изученными физи-

ческими и технологическими аспектами влияния лазерной термообработки на повышение износостойкости поверхности, подверженной ударно-усталостному или ударно абразивному изнашиванию, и их реализацией в виде разработанных технологий в применении к ножам гильотинных ; ножниц,и лопаткам дробемеоныхаппаратов. ......

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана теоретическая модель фазовых превращений первого рода, основанная па представлениях о коллективном характере протекания элементарных процессов термсфлуктуационной перестройки решетки в открытой системе "металл - внешнее воздействие" в иерар-

■ реходов и об энергетическом подобии в поведении такой системы при тепловой и механической накачке энергии и возникновении бифуркаций при достижении в металле критической плотности энергии вне зависимости от способа ее достижения. Параметром модели является кинетический критерий подобия, определяемый как обратная величина термической дилатации решетки, рассматриваемой в качестве меры запасенной материалом энергии. На основе разработанной модели при хорошем согласии с общепризнанными эксггерИмептальтзсят даштаят для железа л стали рассчитаны скорости гетерогенного зарождения и роста 7-фази; кинетика процесса полиморфного а-7-превргщения, протекающего в существенно неравновесных условиях быстрого нагрева со скоростями до 10 К/с; величина энергии наклепа, релаксация которой снижает температуру а-7-фэзового равновесия на 1 К; максимально возможная величина смещения температуры а-7-фазового равновесия при пластическом деформировании; аффективная контактная дплатация несоответствия на границе "феррит — цементит", ответственная за снижение температур» «-"Низового равновесия с 910 °С в недазе до 7?5 °С в стали.

2. В автомодельном приближении теоретически получена универсальная зависимость температуры, при нагреве до которой достигается заданная степень фазового превращения, от скорости нагрева. При описании с помощью полученной теоретической зависимости известных экспериментальных данных для процессов а.-7-превращения в железе и стали и I, II и III превращений при отпуске стали определены соответствующие значения эффективных энергий активации и чисел атомов, участвующих в коллективном переходе в новую фазу за одну флуктуацию при крждом из перечисленных фазовых превращений.

3. Выявлены теоретические закономерности спектра энергий ак-

тивации элементарных процессов термофлуктуационной перестройки решетки, вытекающие из свойства масштабной инвариантности кинетического критерия подобия. Спектр энергий активации дискретен. Значения энергий активации, расположенные в порядке их возрастания, образуют последовательность чисел Фибоначчи с отношением двух соседних чисел этой последовательности равным коэффициенту масштаба,

1 /2

теоретическое значение 0.5(1 + 5 ) ™ 1.618 которого соответствует "золотому сечению". В дискретности спектра энергий активации отражена возможность протекания одного и того же процесса на разных энергетических уровнях. Из теоретического анализа следует, что при экспериментальной реализации ускоренного протекания диффузионных процессов на II-III энергетических уровнях наиболее предпочтительным является использование непрерывного быстрого нагрева.

4. Экспериментально показано, что при лазерном отпуске спла-г.ов на основе железо-углерод степень релаксации предварительно запасенной в них энергии внутреннего наклепа уменьшается с возрастанием уровня легированностя. Это обеспечивает контролируемое изменение структурно-напряженного состояния поверхности при кратком лазерном воздействии, сочетающем процесса лазерного отпуска и лазерной закалки.

5. Экспериментально показано, что в условиях быстрого лазерного нагрева при а-7-превращении в углеродистой и низколегированной инструментальных сталях протекает ускоренная направленная диффузия углерода, приводящая к превышению его содержания в поверхностном слое над средним содержанием в объеме. В высоколегированных материалах - вольфрамовой быстрорежущей стали и высокохромистом чугуне, учитывая их предрасположенность к накоплению энергии внутреннего наклепа, методом двухкратной лазерной закалки и сочеташгя лазерной закалки с предварительной объемней закалкой реализовано формирование диссипативнкх структур, характеризующихся выделением большого количества дисперсных карбидов и являющихся проявленном ускоренного протекания процессов диффузии основных легирующих элементов данных материалов - вольфрама и хрома. Ускоренный массопе-

5

ренос углерода, Еольфрама и хрома обусловлен 10-10 кратким возрастанием их диффузионной подвижности при диффузии по большоугло-еым границам зерен на II-III энергетических уровнях.

6. Экспериментально показано, что в быстрорежущей стали после ее объемной закалки от повышенных температур в зоне лазерной закалки формируется аустенитное зерно оптимального размера при более

-8- .

высоком уровне легированности твердого раствора и дополнительном повышения теплостойкости. Лазерная закалка заравнивает структурно-фазовый состав предварительно шлзхфоваплой поверхности, поникает уровень шлифовочных остаточных напряжений и практически полностью устраняет их ф-расщепление. В високохромистом чугуне наиболее износостойкая структура (формируется при реализации последовательности: объемная закалка - лазерная закалка с предварительным подогревом до 400" °С для снижения уровня оотаточттых напряжений растяжения и подавления трещшюобразовшшя.

7. IIa основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны и внедрены технологии лазерной тесмопбпябпткчт пяЛлшп

ПОВвШСНООТвй НпЖей I чл.пьг»тчл*тнмт wnwmm рг TTOTTn'Prw

ратов.

Апробация работы. Результаты работы представлены на Всесоюзных и Международных семинарах, конференциях, симпозиумах, конгрессах: на Всесоюзных семинарах по лазерным технологическим установкам и перспективам их применения (г. Москва, 1981 г.), по применению лазеров в технологии машиностроения (г. Звенигород, 1982 г.), по лазерной технике и технологии (г. Вильнюс, 1S83 г., 1989 г.,

1990 г.); на Всесоюзных конференциях X, XI, XII по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (г. Куйбышев, 1983 г., 1986 г., 1989 г.), по технологически!.! процессам и оборудованию для упрочнения деталей манин, инструмента и технологической оснастки (г. Гомель, 1985 г.), III по взаимодействию излучения, плазменных и электрошшх потоков с веществом (г. Cyxjf.ni, 1988 г.), III по при-менонию лазеров в народном хозяйстве (г. Шатура, 1989 г.); на Международных конференциях по лазерам - LASER'82 (г. Новый Орлеан, 1982 г.). V по лазерам и их применению - ICLA-5 (г. Дрезден, 1983 г.), VI но механическому поведении материалов - ICM-6 (г. Киото,

1991 г.), III по остаточным напряжениям - ICRS-3 (г. Токушима,

1991 г.),. XIII по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (г. Самара, 1992 г.), I по обработке поверхности - SUKFACE TRRATMlsNT'93 (г. Соухемптон, 1993 г.), по механике - MECHANICS'94 (г. Вильнюс, 1994 г.), по лазерной обработке материалов - ICLMP'94 (г. Чопгквнкг, 1994 г.); на I и II Российско-китайских симпозиумах по актуальным проблемам современного материаловедения (г. Томск,

1992 г. иг. Сиань, 1993 г.); на Международных симпозиумах V по передовой технологии в сварке, обработке материалов и вычислении -ISAT7/MPE-5 (г. Токио, 1990 г.), по неразрушающему контролю и изме-

-11).- / ■ :• ; . . рению напряжений - РЕЮТ'92 (г. Токио, 1992 г.), I по лазерным й оптоэлектронным технологиям - ХЭЬОЕ'ЭЗ (г. Сингапур, 1993 г.); на Международных конгрессах VII по сварке - теЫШГСг'84 (г. Брно, 1984 г.). V по трибологии - ЕШОТШВ'89 (г. Хельсинки, 1989 г.).

Результаты диссертации, полученные за период 1981-1993 г. г., опубликованы в 86 печатных работах, основными из которых являются [1-46].

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, включающих в себя восемь глав, и заключения. Работа изложена на 393 страницах машинописного текста, содержит 135 рисунков и 27 таблиц. Список литературных источников представлен 365 ■ наименованиями.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ТЕШОФЛУКТУАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВАХ

Обзор современного состояния теории фазовых превращений в железоуглеродистых сплавах и рассмотрение различных моделей термо-флуктуационной перестройки решетки позволяет сакцентировать внимание на основных проблемах теории, а именно, на сложности определения входящих в известные модели микроскопических параметров, характеризующих межатомные взаимодействия, и на положении о равновесном характере протекания процесса перестройки решетки при а-7-превращении. Существующие теории, в основе которых лежит положение о равновесном характере а-7-превращения, не в состоянии объяснить многие экспериментальные результаты, и в первую очередь, те из них, которые получены в условиях непрерывного быстрого нагрева. В соответствии с етим определена задача собственных теоретических исследований, состоящая в разработке модели термофлуктуационной кооперативной перестройки решетки, обладающей свойствами универеальности, автомодельности, масштабной инвариантности и адекватно описывающей равенство скоростей роста 7-фазы в железе и стали при равных гомогологических температурах, кинетику а-7-превращения при быстром нагреве, смещение температуры фазового равновесия в стали относительно железа и под действием предварительной пластической деформации. - • . .

При теоретических исследованиях развита модель переходкого

состояния, отвечающая термофлуктуационной кооперативной перестройке решетки. В основу модели заложена коррелированность движения атомов, образующих переходное состояние. Учет корреляции осуществлен посредством представления коллективного возбуждения эффективного числа п атомов переходного состояния эффективным осциллято-• - ром, состоящим из п последовательно соединенных атомных осцилляторов, с импедансом в п раз большим и восприимчивостью в п раз меньшей импеданса и восприимчивости атомного осциллятора. При определении величины избыточного объема, необходимого для образования переходного состояния, использовано положение теории кооперативных фазовых превращений о протекании процесса перестройки решетки при - достижении шшряжзниеы сдвига критической величины. В рззультзто расчета-получено равенство избыточного объема объему дефекта.

При анализе процессов термофлуктуационной кооперативной перестройки решетки с позиций теории подобия и вычислении времени релаксации переходного состояния, определяемого кинетическим критерием подобия КЗ = Е/кТ таких процессов, получено, что

КЭ = Е/кТ „ 1/ет. (1)

Здесь Е - энергия активации перестройки решетки, к - постоянная Вольцмана, Т - температура, ет - термическая дилатация решетки, рассматриваемая в качестве меры запасенной материалом энергии. Определение величины кинетического критерия подобия КБ, исходя из выражения (1), основано на том, что в точке бифуркации открытой системы "металл - внешнее воздействие" (в точке фазового а-7-прев-ращения) вследствие подчинения поведения системы параметру порядка

' ее~ микроскопические параметры выражаются через макроскопические,. --------

каковыми являются терьдаческие дилатации решеток а- и 7-фаз при температуре фазового равновесия ед и е^ соответственно, вычисляемые

через - коэффициенты линейного термического расширения этих фаз,- ......

т.е.

КБ = 1/(8а + 8 ). (2)

7

Равновесное при О К состояние металла при температуре фазового равновесия характеризуется запасенной критической величиной тепловой энергии, при превышении которой в результате введения в металл любой дополнительной энергии происходит потеря устойчивости

; -/.га-фазы и ее переход в 7-фазу, что определяет полиморфное а-7-прев-ращение как неравновесный фазовый переход. При расчете•кинетических параметров вследствие неравновесного характера фазового превращения пренебрегалось обратным потоком атомов в метастабильную при заданной температуре фазу. Обосноватшость использованного допущения следует из малости величины критерия квазистатичности

с^ = ехр(-дф/кт), (3)

характеризующего степень неравновесности процесса фазового превра-щепия. При кооперативной перестройке решетки, сопровождающейся переходом за одну флуктуацию из одной фазы в другую N атомов, движущая сила превращения Аф.равна

Лф = 1!Л|Л, (4)

N 4/8рН, (5)

дц = л'гь/то, (6)

где е ^ - фазовая дилатация,. Д[1 - удельная разность химических потенциалов фаз, АТ - перегрев над температурой фазового равновесия То, Ь - скрытая теплота перехода. Вследствие этого при перегреве уже в 20-30 К величина <Зи становится заметно меньше единицы.

Получены выражения для скорости зароздения новой фазы I с учетом гетерогенного характера процесса зарождения

I = Ъ/Да'ЧехрЦСЗ)^ (7)

и скорости роста новой фазы О

0 = Сд/ехрСКБ)^. (8)

Здесь И - коэффициент самодиффузии железа, а - параметр решетки, 1

— 1/2

- структурный параметр, который мокла оценить как р^ , где -плотность дислокаций, или как размер зерна, сз - скорость звука. Расчет кинетики процесса а-7-превращения при быстром нагреве с постоянной скоростью осуществлен с использова:жем упрощенного уравнения Колмогорова. Результаты расчета скорости роста у-фазы и кл-

экспериментальными данными дум г:елоза и стали.

Малость пелячтт критерия квазиотятичности О и единственность критерия подобия КЗ в развитой модели термофлуктуацискной кооперативной шреоз-ро&си решетки позволили описать кинетику фазовых превращений при быстром нагреве в автомодельном приближение. В результате анализа гсоютгтоосгсого уравнения Авраами, распространенного на случа.» фсзов'.п. нрэвргщоппй, протекающих в условиях быстрого нагрева с постоягжой скорость», полугола угаворсальная связь ыезду температурой Т, при нагреве до которой достигается заданная

Здесь С - константа, № - эффективная энергия активации процесса фазового превращения, определяемая как

И" анализа извсстнкх отсспорпкеитзлышх данных, хорошо локацяхся на прямые в координатах. Т - Ing, определены эффективные энергии активации процессов a-7-превращения в келезе и стали и I» II и III превращений при отпуске стали, а таклю числа атомов, участвующих в единичном акте кооперативной перестройки решетки при кскдом из данных фазовых превращений.Полученные результаты приведены в табл.1.

В автомодельном пр;:б.ик:еыпг более подробно изучена кхшетшса

Таблица 1 . Э*фе™тт*вные енергт™ актетацт™ W процессов фчзовнх прея-ращетг* и числа атомов Н, участвующих в коллективном переходе в новую фазу за одну флуктуация.

MtMiaii uxoxxoiiii uuanuaiuDiuui • и

Т = W(1 + lng/C)/kC.

(9)

W = Е + Hb.

(10)

Процесс

W, кДж/моль

N

а-'У-преврзЕ.ешк в келезе a-7-превращэние в стали

I превращение при отпуске стали

II превращение при отпуске стали

III превращение при отпуске стали

5 30 440 130 50, 7f 250

200 200 100 100 200

-w-

распада мартенсита в стали при быстром нагреве. В результате проведенного анализа показано, что при скоростях нагрева 104-105 К/с, характерных для лазерного воздействия, область существования высо-коуглеродастого а-мартенсита ограничена сверху 310-350 °С. Смещение температурного интервала двухфазного распада а-мартенсита по сравнению с печным отпуском не превышает 150 °С. Поскольку распад а-мартенсита слабо зависит от содержания легирующих элементов, этот результат является общим для углеродистых и легированных сталей. В противоположность этому на однофазный распад малоуглеродистого эе-мартенсита, протекающего при более высоких температурах, существенное влияние оказывает уровень легированности и структурное состояние сталей.

Основываясь на положении об энергетическом подобии в поведении открытой системы "металл - внешнее воздействие" при тепловой и механической накачке энергии и соответственно о возникновении бифуркаций (неравновесных фазовых переходов) при достижении в системе критической плотности энергии вне зависимости от способа ее достижения, процессы a-7-превращения в железе, стали и стали, подвергнутой предварительной пластической деформация, рассмотрены как подобные. Из равенства величины критерия подобия KS для подобных цроцессов получено выражение для энергии наклепа, релаксация которой приводит к снижению температуры фазового равновесия на 1 К,

>

IaA/aTI = 0.5(ßa + РТ)ЯУ. (11)

Здесь ßa и ß - коэффициенты линейного термического расширения а-и 7-фаз соответственно, X. - модуль сдвига, Y - удельный объем. Рассчитанная величина ¡aA/aTI »6.7 Дк/моль.К с точностью до 10 % соответствует экспериментальному значению. Определеча максимально возможная величина смещения температуры фазового равновесия

I ATI = a2pd/(ßa + ß7> «* 50-100 К, (12)

где предельная плотность дислокаций pd = (2-4) .1016 м~2. При сравнительном анализе с позиций подобия процессов a-7-преЕращенкя в железе и стали оценена величина эффективной контактной дилатацип несоответствия на границе "феррит - цементит", ведущей к снижению температуры фазового равновесия с 910 °С в железе до 725 °С в стали,

ео = 0.5+ рт)!&т! * 4.10~3. (13)

■ :' Рассмотрен вопрос о смещения температуры плавления при быстром нагреве, имеющий принципиальное значение при решении задач лазерной термообработки поверхности. В рамках развитой модели термо-флуктуационной кооперативной перестройки решетки получено, что при скоростях нагрева < Ю5 К/с температура плавления не смещается. Фактически сделана'оценка сверху. В действительности образование уже первых порций зкидкой фазы должно привести к снижению скорости нагрева, поскольку часть теплового потока, вызывающего нагрев, бу-.деа затрачиваться.па процесс ттлмытйпия. _ ; /..-..--' ' . . :

Единственному критерии подобия КС ра~™тсй модели тсрмсфлук-туационной кооперативной перестройки решетки присущи автомодель-ность и универсальность. Поскольку системы, принадлежащие одпому классу универсальности, описываются одними и теми же уравнениями состояния, инвариантными к масштабу, критерий подобия также должен обладать масштабной инвариантностью. Масштабная инвариантность критерия подобия, выраженная в виде

КБ = Е /КГ = Е./ЮЯ®-1, (14)

т т 1

отражает дискретность в спектре энергий активации элементарных процессов перестройки решетки и возможность протекания одного и того же процесса па разных онергетичееких уровнях. В выражении (14) Ет - енергия активации, отвечающая т уровню перестройки решетки, т = 1, 2, 3. — - помор энергетического уровня, на котором ■протекает процесс, ? - 1соаффт,щкопт. масштаба. В результате анализа спектра анергий активации процессов диффузии из решения характеристического уравнения

р2 = Р + 1 (15)

получено теоретическое значение ко;ф?!Яц;:снта масштаба, трансцецде-

1 /?

нтное число Р - 0.5(1 + 5 ) ы 1.618 - "золотое сечение". Значения энергий активации, располоке.-спге в порядке их возрастания, образует пос.чедозетрльпссть чисел Фибоначчи с отношеппем двух соседних чисел етой последовательности равным коэффициенту масштаба Р. Дашзде теории и эксперимента, частично представленные в табл.2,

"'О"

Таблица 2. Спектр энергий активации элементарных процессов саыо-

диффузии железа в сили.

Процесс самодиффузии Энергия активации, кДк/моль Эксгг. Теор. отношение отношение Номер уровня

Зарождение 7-фазы 480-510 I

Объемная в 7~фазе 280-310 1.548-1.821 1.618 II

a-7-перестройка решетки 200 2.400-2.550 2.618 III

По границам зерен 7~фазы 173 2.775-2.948 2.618 III

По границам зерен 7~фазы 128 3.750-3.984 4-236 IV

согласуются с точностью до 12 %. Наилучшее согласие характерно для результатов, полученных в условиях непрерывного быстрого нагрева. Непрерывный быстрый нагрев, реализуемый, в частности, при лазерном воздействии, в "наиболее чистом" виде, не осложненном влиянием побочных процессов, способствует проявления ускоренной диффузии как

результата ее протекания на II-III энергетически уровнях.

»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРНО-НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

В экспериментальных исследованиях с использованием лазеров вазшое место отводится разработке оптических систем, трансформируйся исходное лазерное излучение в излучение с заданным пространственным и временным распределением. В применении к излучению непрерывного С02-лазера наш разработана оптическая система, представляющая собой комбинацию из трех элементов: цилиндрической линзы и двух призм, расположение которых обеспечивает линейное разбиение исходного лазерного пучка на три составляющие, сводимые в фокальной плоскости цилиндрической линзы в полосу размером 10 х 1 их с выравненным распределением излучения по длине полосы и с гауссовы.'.? профилем в поперечном направлении. Выравнивание излучения импульсного неодимового лазера осуществлялось с помощью йокусирувщсго

-':'/- г- , ' .■ -Ii- .

призменного растра и хаотического фазового экрана. Последний предполагает использование сложной оптической схемы, и потому с технологической точки зрения предпочтение было отдано фокусирующему ■призменному" растру' с- размером ячеек 5 ^ 5 мм.

3 линейном приближении рассчитаны тепловые поля полосового, •гауссова, линейного и линейно-гауссова'источников непрерывного лазерного излучения, использованных.в экспериментах. Из хорошо согласующихся экспериментальных данных.и результатов расчета следует, что формирующиеся тепловые поля полосового источника однородны по всей длине полоса за исключением переходных зон - 1 гам вблизи ее краев. По результатам сопоставительных расчетов тепловых полей гауссова, линейного и линейно-гауссова источников линейный источник с выравненным распределением излучения по его длине определен з качестве наиболее предпочтительного для практической реализации трехстадийного термического цикла в применении к лазерной термообработке быстрорежущих сталей, что нашло свое подтверждение в экспериментах на теплостойкость. .

Рассмотрено влияние временной формы лазерного импульса на эффективное использование параметров источника. Показано, что лазерный импульс треугольной временной формы с крутым передним фронтом позволяет сформировать зону лазерной закалки наибольшей глубины за с:ет повышения плотности мощности излучения без изменения температуры поверхности. При пологом переднем фронте треугольной временной форм лазерного импульса повышается эффективность энерговклада при расплавлении и испарении поверхности материала.

Путем сопоставления экспериментальных данных с результатами расчета получены упрощенные эмпирические выражения для определения глубин Зон непрерывной и импульсной лазерной закалки, распространенные такке на случай лазерного отпуска и представляющий практический интерес при решении технологических задач лазерной термообработки поверхности.

В качестве материалов для исследования были выбраны такие широко используемые сплавы на основе железо-углерод, как инструментальные стали У8, 9ХС, ХВГ, Х12М, Р18, Р9К5 и высокохромистнй чугун 1ТЧХ1 оНА'.ФТЛ. Проанализированы структурные особенности этих материалов и обобщенные экспериментальные данные по реализации в них процессов лазерной закалки, обосновывающие правомерность проведения собственных экспериментальных исследований. Отражены приборно-методические аспекты использованных методов анализа структурно-фа-

зового состава: металлографического, электронномикроскопического, рентгеновских фазового и микроспектрального, мессбауэровских измерений. Остаточные напряжения определялись рентгеновским методом "31пг<|)". '

В сопоставлении с теоретическим анализом изучены особенности фазового состава и структурно-напряженного состояния поверхности, формирующихся в условиях быстрого нагрева и охлаждения при лазерном отпуске и лазерной закалке инструментальных сталей. Показано влияние исходной структуры сталей на развитие процессов фазовых превращений и диффузии в зонах лазерного воздействия. В основе этого влияния лежит тот факт, что в условиях быстрого лазерного нагрева вплоть до температуры начала а-7-превращения предварительно запасенная энергия внутреннего наклепа не релаксирует полностью даз:е в углеродистой стали. Прослежена взаимосвязь между степенью завершенности процессов фазовых превращений й диффузии при лазерном воздействии, отражающейся в местоположении, форме и составе дифракционных линий остаточного аустенита и мартенсита, и уровнем формирующихся остаточных напряжений. Это, как показано на рис.1, позволяет установить количественные соотношения между величиной и знаком остаточных напряжений и содержанием остаточного аустенита в зонах лазерного воздействия.

Рис.1. Взаимосвязь между остаточными напряжениями О и остаточным аустенитом Ао в поверхностных слоях зон лазерного воздействия в стали ХВГ с исходной мартенситно-аустенитной структурой.

-13- -

Сочетанием процессов лазерной закалки и лазерного отпуска в различной последовательности выявлена возрастающая предрасположенность легированных структур к накоплении ими энергии внутреннего наклепа по мере 'повышения уровня легированности. Основанное на этом кратное лазерное воздействие в последовательности: лазерный отпуск - лазерная закалка позволяет управлять дисперсностью сформирующейся структуры, ее фазовым составом и уровнем остаточных напряжений при малоизмсняюцихся значениях микротвердости (рис.2), т. е. обеспечивает решение задачи оптимизации структурно-напряженного состояния поверхности, в первую очередь, в углеродистых и нлаколе-гированных инструментальных сталях.

'•"' ' При быстром пагреве в условиях- болыпии -градиентов фазанескьа -полей таких, как теплового и напряжений процессы фазовых ifpeEpaí;-'-Ш1Й сопровождаются ускоренным протеканием диффузионных процессов. В соответствии с выводами тсор:пт при лазерной закалке углеродистой и низколегированной инструментальных сталей наблюдалась ускоренная направленная диффузия углерода, проявившаяся в возрастании его содержания в поверхностном слое над средним содержанием в объеме (рис.3) - Лазерный отпуск в отличие от лазерной закалки не изменяет исходное распределение углерода в поверхностном слое. Ускоренный массоперенос углерода происходит под влиянием большой дв1И:уя;ей силы фазового а-7-превращения, протекающего в.существенно неравновесных условиях быстрого лазерного нагрева. При лазерном расплавлении поверхности наблюдаемое выравшшаш1е распределения углерода по глубине зоны лазерного расплава обусловлено наложением другого процесса ускоренного массопереноса - термокапиллярной диффузии.

Для наблюдения ускоренного протекания диффузионных процессов в высоколегированных материалах - вольфрамовой быстрорежущей стали -и високохромистом чугуне использована их повышенная предрасположенность к накоплению энергии внутреннего наклепа. При двухкратной лазерной закалке и сочетании лазерной закалки с предварительной объемной закалкой реализовано формирование диесипативных структур, характеризующихся выделением большого количества дисперсных карбидов, как следствия ускоренного протекания процессов диффузии основных легирующих элементов данных материалов - вольфрама и хрома (рис.4 и 5).

Наблюдаемые результаты всесторонне обоснованы. Получено их хорошее согласие с теоретическими оценками ' параметров процессов • днффузтг углерода, вольфрама и хроиа, протекающие по Ъолъыауглоки'л

й'/

Рис.2. Остаточные напряжения О (1,2), твердость по Виккерсу НУ (3,4) и остаточный аустенит Ао (5,6) в поверхностных слоях зон лазерного отпуска в стали ЭУ-С с исходной ыартенситно-аустенитной структурой до (1,3,5) к после (2,4,6) проведения последующей лазерной закалки.

I_I__I_I__1__I

О 50 100 150 2и0 250

и,мкм

Рис.3. Распределения содержания углерода С по глубине z зон лазерного воздействия в стали УЗ с исходной мат/тепоиткой структурой при реализации режимов лазерной зэкзлки (1), лазерного оплавления по-взрхности (2) и лазерной закалки застывшего расплава (3).

а)

-.--У.;.:- 3

> .л .гi

U-.- ••'/ {■У Г- . .......

i?--'-'ч'1 •/-'' г-'V .*. у<>'<>

•;•/.': • • ' -. * •'. - -'. i ■t ' v .y.: ■/'' y

.-1

6)

F ¡r-tv -.'T'-.r;.

í

m".'*■ : : . v'

К \ • " . ' - ч.т

Sí'

■ * v -Л"'Г)

n

i-*.-.

1 -л!

Рис.5- f.'ккроструктура чу 1*;'аэ КЧХ16КМЗГЛ после ллт-si (й) , объемаоЯ (б) и последующей лазерной закалки без (л) и о (г) предьяр? толиса» подогревом до 400 °С. х 1600.

шггього серна при вддоюгыом ypo>.:¡;e лехиросошюсш таердиго раствора. Досткяепкэ""опта/альпого разг.:ера аустептгтгого зерна и нртгбо-"ъ~сгэ *~~г"'7 лгг!грсгпгт:~сг:т ■¡•псргсго -"""тппг^по ciñiera—

пнем j'O Jü,":--'" о о г повы-

шенных относительно оптиуалышг температур. наблюдаете измепеттия в структурно-- <$азозом составе ограисаются на повышении тего;ос.гоЗко-сти быетрорс.л:у1нКх сг&дсй z¡ золах лазерной закажи. Кризис теплос-•гоЖгаг'! w хз[>чк.тер\:¡i■ ".ся п^оьплогл гл'.к;отвоудасчи с тег.,>".грпгур»са inri^рза.ьо I С7ч;,;г.: р^г-н-зда v-.^-'reaov.if. пр» с,тг'уе:-х-. ,U:ií¡ зи.гтз.ч

етого иос-ьпла &;;cxicp«¡vtriivj£í»:íc с'оотгокялз тосл-г-лсзат^лт»т:ость: объемная аккзжа - .'ih.icüi.'n-: г^класа - ovn'/a-:, сохуэ:тл;0ь),':.л обп?ий еффс-кг гео^ашпм 'се1/ж>отой:<ости.

Изучено рляйжо лезоркс^ аакя.шш на пз'/екэкяа отрук гургго-нап-

-Л1-

в)

&

К"

Li-

•i

Рис.4, t.'jncроотрастура стали Р18 посла отжига (а), последующей однократной (б) и двухкратной (в) лазерной закалки и после объемной закалки (г), х-1600.

границам зерен на II-III энергетических уровнях с-анергиями акти-

о

нации в F~F~ раз меньшими энергий активации соответствующих процессов объемной диффузии при 103-105 кратном возрастании диффузионной подвижности дашшх элементов в железе.

Эффект накопления энергии внутреннего наклепа при последовательных внешних воздействиях, проявляющийся в изменении кинетики процессов фазовых превращений и диффузии, положен в основу оптимизации структурно-напряженного состояния поверхности высоколегированным материалов - быстрорея:упр!х сталей и высокохромистого чугуна при сочетании процессов их объемной и лазерной термообработок. Показано, что результатом лазерной закалки быстрорежущих сталей вне зависимости от температуры их предварительной объемной закалки является формирование более мелкого по сравнению с исходным аусте-

-й-

ряженного состояния шлифованной поверхности. Предварительное шлифование сопровождается формированием в поверхностных слоях сжимающих остаточных напряжений и их ф-расщеплением, зависаем от глубины реза1шя. Последующая лазерная закалка в соответствии с выявленными закономерностями в реализации условий ускоренного протекания диффузионных процессов, изменяющих кинетику структурно-фазовых превращений, ведет к сглаживанию структурных неоднородпостей, понижает уровень шлифовочных остаточных напряжений и практически полностью устраняет ф-расщепление последних. Отмечено измените знака ф-расщепления остаточных напряжений при совпадении направлений шлифовании и иореиащцыы лазерного луча гг" плифспанной гг^регт««?'»-ти.

Выявлены особенности структурно-фазового состава, формирующегося при быстрой кристаллизации лазерных расплавов быстрорежущих сталей. Прослежено влияние исходной структуры и скорости охлаждения на изменение соотношения между фазами с 0Щ- и ГЦК-решетками. • Наблюдаемые при этом существенные различия для сталей типа Р18 и "Р9К5 при одних и тех же скоростях охлаждения 10б К/с) лазерных расплавов обусловлен развитием процесса гетерогенной яуклеации на полностью нерастворившихся тугоплавких карбидах МС.(VC ) при меньшей степени переохлаждения. В стали Р18 отмечено появление новых фаз МС (ÏÏC) и Fe^W. Проанализированы кристаллографическая ориентация формирующихся фаз твердого раствора и изменение параметров кх решеток в соотношении с изменяющимся уровнем легировэшюсти. На основании полученных экспериментальных результатов и совокупности имевшихся в литературе данных представлена обобщенная картина формирования структурно-фазового состава быстрорежущих стгллеП в зависимости от содержания в них карбидообразующих элементов И скорости

7 H

охлаждения расплавов. При скоростях охлаждения до 10-10 К/с последовательность фазовых превращений в быстрорежущих сталях остается неизменной. Вместе с тем скорость охлаг.дения и достигаемое переохлаждение определяют степень их завершенности. Превращение сохраняющихся вплоть до комнатных тогтератур ô-феррита и перитектиче-ского аустенпта в малоуглеродистой мартенсит с выделением дисперсных карб:;дов реализовано проведеютэм объемного отпуска закристаллизовавшихся расплавов. Дисперсные структуры; формирующиеся при ' быстрой кристаллизации лазерные расплавов и послед* вце-м объешюл! отпуске, характеризуются повышенной пяноео- и теплостойкостью.

При решении задачи оптимизация с груктурно-нйпрягге шюго со сто-

*

«пил поверхности высокохромистого чугуна, определяемой процессами, протекающими при быстро:.! лазерном кагрзвэ на II-III энергетических уровнях, предварительно проанализированы требования, предъявляемые к структурам Еыоокохрог.2;стых чугунов, повыиагссдвл их износостойкость , и рмхнмн объемной термообработки, обеспечивающие получение таких структур. Высокая износостойкость высохсохромистых чугунов достигается формированием структур с максимальным содержанием дисперсных карбидов типа (Сг,Ре)?С3 и (Сг,Ре)23С&, равномерно распределенных в мартенсктно-оустешпнсЯ матрице.

В зопе лазерного расплава как литого, так и термообработанно-го (закаленного от 980 °С в масло) чугуна образующаяся дендритная структура состоит в осноеном из метастабкльного аустенпта '(до 98 %), незначительного количества мартенсита и остатков полностью нерастворикпихся эвтектичексих карбидов (Cr.FeJ^Cg. Структурно-фазовый состав предопределяет форгдарование в поверхностных слоях остаточных напряжений растяжения, ведущих к растрескиванию поверхности. Геометрия трещин и их размеры показывают, что при лазерном воздействии максимальные напряжения формируется в поперечном направлена! относительно направления перемещения лазерного луча по ( поверхности. Выявлена взаимосвязь меаду картиной распределения ос-■таточных напряжений на поверхности лазерных дорожек и месторасположением трещин.

В сопоставлении исследованы структуры, образующиеся при лазерной и объемной закалке литого чугуна.. Получено, что структура лазерной затолки б меньшей степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к структуре высакохрсмистнх чугунов с точки зрения повышения их износостойкости. В зоне лазерной закалки литого чугуна выделяется меныае дисперсных карбидов (Сг,]?е)7С3 и больше содержится остаточного аустонита. Сортирующиеся при в том большие по величине остаточные напряжения растяжения ведут к появлению многочисленных трещин.

Наилучаее соответствие требованиям, предъявляемым к структуре Еысокохрошютых чугунов, обеспечивающей повышение их износостойкости, достигается при лазерной закалке предварительно термообрабо-танного чугуна. Образующаяся при атом структура состоит из крупных эвтектических карбидов (Сг,Ре)7С3 и мортенситно-аустениткой матрицы с большим (примерно в 2.5 раза) по сравнению с исходным содержанием в ней видолтастсссл дисперсных карбидов (Cr,i'e)7C3. Вместе с тем из-за формирующихся бо.чьыих остаточнчх напряжений растяжения в

золе лазерной закалки образуется большое количество трещин. Релаксации пппряданкО с трещянссбразовапяс-тл способствуют дожито яятья и объемной термообработки, выстулзюдие в роли концентраторов пап-ряжений. '

Изучена структурные особенности зон лазерного отпуска и вто-рачпего твердения, фэрг^фукщнхея под зоной лазерной за;;а„ч.сп. Структуры этих зон характеризуются распадом мартенсита и в меньшей степени остаточного аустенита.

Наиболее оКоктизш:».! способом борьбы с трешдпообрасовашмм является понижение уровня термических напряжений п попе лазерного воздействия с помощью предварительного подогрева. Показано, что

ки термообработзшюго чугуна (рис.5), ведет к снижению уровня формирующихся остаточных напряжений растяжения с подавлением трсг;:шо-образования (рис.б). Подогрев до более высоких температур (500600 °С) ухудшает структуру зоны лазерной закажи: при возрастающем содержании мартенсита в ней заметно меньше выделяется дисперсных карбидов (Сг,?е)7С3, что сопровождается понижением микротвердости с 11.0 11 -Н до 8.7-9.1 гН/мм2. Отмсчаотся пс-топттоготг.т;; -с:т\- пторг--чкого 'Гвердеиил п сираиний^-кне значения м^хро'гве рдеет;: г,пин лазерного отпуска и исходной структуры, обуслоБ.':г;пп;х распадом остаточного аустенита па стодпи подогрева.

ЮОО^- • С, Н/мм""

Рис.6. Раеггред^л^ния оетяточинт О по*терэк .^а'-зерных до-

рожек на ногархнооти тер^ообрабог'йшто! о чуз у:;о при ее оплат!.",чти (1 ) и закалке без (Р.) к о (3) нредьеркте лышм подогреем до 400 °С.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ИНСТРУМЕНТА

Результаты теоретических и экспериментальных исследований составили физическую основу технологий лазерной термообработки рабочих поверхностей деталей машин и инструмента. В применении к ножам гильотинных ножниц из низколегированной хромокремнистой инструментальной стали 9ХС разработка такой технологии включала предварительный анализ условий работы и основных видов износа инструмента для холодного деформирования листовых, материалов, а также требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам материала инструмента. Были выявлены закономерности технического отказа ножей гильотинных ножниц, определяемые преимущественно ударно-усталостным изнашиванием их рабочих кромок. Установлено, что усталостные трещины развиваются со стороны передней рабочей поверхности по всей длине ножа в основном на расстоянии 3-5 мм от рехсущей кромки. Это послужило дополнительным основанием для использования полосового теплового источника при реализации технологического процесса лазерной термообработки поверхности. Анализ теплофизики процесоа с применением метода фиктивного .источника показал, что полосовым тепловым источником обработку монно проводить по самому краю режущей кромки и даже с небольшим („1 им) заходом излучения за край без опасения оплавления последнего при формировании упрочненного слоя равномерной толщины. На основании выполненных расчетов допускается отклонение от параллельности в перемещении лазерного луча относительно рез^щей кромки в 1 мм па 2 м длины при первоначальном 1 мм заходе излучения за край режущей кромки.

Изучено структурно-напряженное состояние поверхности, формирующееся непосредственно вблизи режущей кромки ножа гильотинных ножниц при лазерной термообработке. В результате обоснована целесообразность использования режима двухкратной лазерной термообра-Сотки передней рабочей поверхности в последовательности: лазерный отпуск - лазерная закалка с равномерно возрастающей скоростью перемещения полосового теплового источника при постоянной мощности лазерного излучения. Практическая реализация разработанной технологии позволила повысить износостойкость ножей гильотинных ножниц при раскрое тонколистовых материалов в 1.5-2.5 раза.

Разработке технологии лазерной термообработки лопаток дробе-

метных аппаратов из высокохромистого износостойкого чугуна ИЧХ16НШГЛ предшествовал предварительный анализ особенностей изнашивания деталей дробеметов в условиях воздействия на них потока дроби. При ©том износ поверхности лопаток определен как ударно-абразивный или абразивная эрозия. Обоснован выбор високохромистых чугунов в качестве материалов, наиболее износостойких к абразивно!! эрозии. Описана методика испытаний лопаток дробеметных аппаратов на их износостойкость. Проводились сопоставительные испытания лопаток, прошедших наиболее оптимальную объемную термообработку (закалку от 980 °С в масло) и используемых в качестве базовых, и лопаток, подвергнутых после объемной дополнительно лазерной термооб-, работке , с фсрзлтрсв.зписм. в.. ттих 1) поверхностного упрочненного слоя со структурой, состоящей"' из Iфушшх эвтектических кзрбидор (Сг,?е)7С3 и мартенситно-аустенитной матрицы с дисперсными карбидами (Сг,Ре)7С3; 2) поверхностного оплавленного на глубину до 0.1 мм слоя, состоящего из нерастворившихся полностью эвтектических карбидов (Сг,Ре)7С3, аустенита и небольшого количества мартенсита; 3) поверхностного оплавленного на глубину до 0.20-0.25 мм слоя, содержащего до 98 /а меТастабильного высоколегированного аустенита При практически полном отсутствии карбидной фазы. Для предотвращения трещинообразования использовался предварительный подогрев лопаток до 400 °С. Выявленные закономерности изнашивания поверхностей лопаток приведена в тгбл.З.

Установлено, что при сохраняющейся последовательности разрушения: образование наклепанного слон, появление ьсгкротрещшт и лэ-кальных углублетй, впоследствии перерастающих в крупные образования типа канавок и желобов, .нрх всех углах атгчси дроби износостойкость-упрочненного слоя оказывается примерно в 10 раз выше износо-

Таблица 3. Износ поверхностей лопаток дробеметньх аппаратов.

Режим Скорость Наклепанный слой

термообработки кК/мк износа, г/ч Глубина, мкм Твердость, Ш

Объемная закэ.'ка 6.7 1.33 70 1100-1200

Лазерная закалка 11-11. ,2 0.1 А 30 1150-1200

Лазершй. оплав

на 0.1 мм 5.0-6. ,4 о.ог 50 1С50

на 0.20-0.25 км 3.5Т4. .4' : .71 '•' -

. • -2&Г

стойкости исходной поверхности базовых лопаток. В противоположность этому оплавленный на глубину до 0.20-0.25 мм слой подвергается более интенсивному изнашиванию, обусловленному его низкими прочностными характеристиками. Избирательной износостойкостью характеризуется слой, оплавлешшй на глубину до 0.1 им. При углах атаки дроби, близких к 90°, скорость зго изнашивания примерно в 60 раз меньше скорости изнашивания исходной поверхности, что связано с влиянием подложки -' нижележащего упрочненного слоя. При малых углах атаки дроби он изнашивается так же интенсивно, как и слой, оплавленный на большую глубину.

Характер изнашивания рабочих поверхностей лопаток дробеметных аппаратов предопределил процесс их лазерной термообработки последовательном перемещением полосового теплового источника в поперечном направлении, начиная с выходных кромок с коэффициентом перекрытия полос порядка 0.1. Практическая, реализация разработанной технологии позволила повысить износостойкость . лопаток в 2.0-2.2 раза. '.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана модель термофлуктуационной кооперативной перестройки решетки при фазовых превращениях первого рода с макропараметром - кинетическим критерием подобия KS = E/kT, определяемым термической дилатацией решетки, рассматриваемой в качестве меры запасенной материалом анергии. На основе данной модели рассчитаны скорости зарождения и роста 7-фазы и кинетика неравновесного процесса полиморфного a-7-превхэащения в железе и стали при быстром нагреве. Получено хорошее согласие результатов расчета с экспериментальными данными.

2. Предложено описание кинетики фазовых превращений при быстром нагреве в автомодельном приближении, обоснованность которого определяется малостью величины критерия квазистатичности Qu = ехр(-лср/1сТ), характеризующего степень неравновеснооти процесса, и едшютвенностью кинетического критерия подобия KS в развитой модели термофлуктуационной кооперативной перестройки решетки. Получена универсальная линейная зависимость температуры, при нагреве до которой достигается заданная малая степеьь превращения, от логарифма скорости нагрева. Определены эффективные энергии активации процессов (^¡"-превращения в железе и стали и I, II и III превраще-

ний при отпуске стали, а также числа атомов, участвующих в коллективном переходе в новую фазу за одну флуктуацию при каждом из данных фазовых превращений.

3- Процессы a-7-ггревращония в железе, стали и стали, подвергнутой пластической деформации, подобны. Из постоянства величины кинетического критерия подобия KS для подобных процессов получено выражение для энергии наклепа, релаксация которой снижает те;<.тера-туру фазового равновесия на 1 К. Рассчитанная величина этой энергии 6.7 Дж/моль.К кыс произведение коэффициента лилейного тер.мнче-с:---'ГО расширения, модуля сдвига к удельного объема с точностью до 10 % соответствует экспериментальному значению. Оценена'максимально возмешзя всяпивп' 'скэзтгаг т^т.-ггерат^-ргг'фпсо^ого пластическом деформировании, не превышающая 100 К. Получено значение эффективной контактной дилатации несоответствия . на границе "феррит - цементит" „ 4.10 , необходимой для снижении темпзр-зтуры фазового равновесия с 910 °С в железе до 7?3. °С в стали.

4- Кинетический критерий подобия KS наряду с универсальностью и автомодельностью характеризуется масштабной инвариантностью, от-ракакще;'! дискретность спектра энергий активащз! элементарных. процессов теруофлугстуэцпглгаоЛ перестройки реагеткл я гоз.мож^ость протекания одного и того же процесса на рзз!Ллх маергет лк-сыг уроз-нях. Значения энергий пктиаацми, расположелгпе л лорлдке и\ возрастании, образуют последовательность чисел 'лчбоначчи о отпоившем даух соседних чисел &той »этслодоватв.чьпостл рг.вкь-м яосОДедюягу масштаба, теоретическое значение F -- 0.5(1 + 51,/'~) " 1.618 которого соответствует "золотому сечо^гад". Соноо^авлеш-э теории и эксперимента го-чагивзет, что наблюдение ускоренного протекания ди-ффузиогашх процессов иа II-III энергетических уровнях предполагает использование методов, в основе которых ле:тат н.лрер'чг.п:и бмстры»' нагрев.

5- В соответствии с вквЬдгмп теории в зонах лазерной закалки инструкояталыюи сталей и внсокохрсг-гистого чугуна реализовано формирование диескпативпых структур, являвдгхса проявлением ускоренного протекгиия процессор дрфруоич углерода, вольфрама и хро"<а по б0Лшеу1Л0БгМ границам зерен на. II-III енергетичес'.слх уровнях с эппргъкул а.Ч'гжац'ЗТ s рзз мег-:>:.:::мv зкерг;п1 соппгт-ствукщлх процессов обьемдо.Ч диффузии.

6. Изучены особенности формирующегося црп лазерном воздействии структурло-лэлряяезного состояния в повсрхтгостннх слоях 1ист-

рументальных сталей, отражающие возрастающую предрасположенность сплавов на основе железо-углерод к накоплению энергии внутреннего наклепа по мере повышения их уровня легированкости. Показано, что сочетание процессов лазерного. отпуска и лазерной закалки позволяет' управлять дисперсностью формирующейся структуры,'ее фазовым составом и уровнем остаточных напряжений при малоиомейягацихся значениях микротвердости. Установлена количественная взаимосвязь между величиной и знаком остаточных напряжений и содержанием остаточного аустенита в зонах лазерного воздействия.,

7- Показана возможность достижения с помощью лазерной закалки в сочетании с предварительной объемной закалкой от повышенных температур оптимального размера аустенитного зерна при более высоком уровне легированное™ твердого раствора и дополнительном повышении теплостойкости быстрорежущих сталей. Лазерная закалка предварительно шлифованной поверхности приводит к выравниванию структурно-фазового состава в поверхностном слое, содержание остаточного аустенита и уровень шлифовочных остаточных напряжений в нем понижаются при практически полном устранении с|>-расще пленяя последних.

8. Выявлены особенности структурно-фазового состава, формирующегося при больших (до 10б К/с) скоростях охлаждения лазерных расплавов быстрорежущих сталей с различными исходными составом и структурой. На основании полученных экспериментальных результатов и совокупности имевшихся в литературе данных предложена обобщенная картина структурно-фазовых изменений в быстрорежущих сталях в зависимости от содержания в них карбндообразующих элементов и скорости охлаждения расплавов.

9. Исследованы структурно-напряженные состояния, формирующиеся в поверхностных слоях зон лазерного воздействия в высокохромистом чугуне. Показано, что наиболее износостойкая структура, состоящая из крупных эвтектических карбидов (Сг,Ре)7С3 и мартенситно-аустенитной матрицы с большим (примерно в 2.5 раза) по сравнению с исходным содержанием в ней выделившихся дисперсных карбидов (Сг,Ре)7С3, формируется при лазерной закалке предварительно объемно закаленного чугуна. Формирование такой структуры из-за больших остаточных напряжений растяжения сопровождается трещинообразовани-ем. Снижение уровня остаточных напряжений растяжения и подавление трецинообразоваккя достигнуто использованием предварительного подогрева до 400 °0.

10. Рассчитаны тепловые поля лазерных источников нагрева с

различным пространственным и временным распределением излучения. Получены упрощенные эмпирические выражения для определения глубин зон лазерной закалки. Результаты расчета использованы при решении технологических задач лазерной термообработки поверхности.

11. Изучены закономерности ударно-усталостного и ударно-абразивного изнашивания рабочих поверхностей ножей гильотинных ножниц и лопаток дробеметкых аппаратов и разработаны технологии их лазерной термообработки.. Практическая реализация разработанных технологий позволила повысить износостойкость ножей " гильотштых нохспиц Б 1.5-2.5 раза, лопаток дробеметшх аппаратов в 2.0-2.2 раза.

;.' "" "'''"/ " ' * г' ОСНОВНЫЙ 'иУНМКАЦИп UCKiiEmE дИССЕГТАЦ&Т

•1. Гуреев Д.М., Евстратов В.А., Катулин В.А., Николаев В.Д., • Петров А.Л., Ялднн Ю.А.' Выравнивание распределения плотности энергии по сечению пучка твердотельной лазерной технологической установки.// Квантовая электроника. 1982. Т. 9- Й 4. С, 815-317-

• 2.-Гуреев Д.М., Катулин В.А.Маришин Г.Н., Николаев В.Д.,' Петров' \,Л., Самохвалов B.C., Ялдин Ю.А. Об экспериментальном ис-следовашет лазерного упрочнения инструментальных сталей // Поверхность. Физика, химия, механика. 1903. № 3- С. 143-1493- Гуреев Д.М. Поверхностная закалка стали ХВГ импульсным и непрерывным лазерным излучением // Структура и свойства деформированных материалов. - Куйбышев: Изд. КПтИ. 1984. С. 53~5б-

4. Гуреев Д.М., Катулин В.А., Николаев В.Д., Петров А.Л., Ялдин Ю.А. Анализ зависимости глубины упрочненного слоя от плотности энергии лазерного излучения // Физика и химия обработки материалов. 1985. 2i С. 22-25...... " ..... ...... -

5." Гуреев'Д.М.,"'Зайгсин А.К., Николаев В.Д., Ямщиков C.B. Способ упрочкот:я изделий из железоуглеродистых сплавов // Авторское свидетельство СССР JM173757 от 15 апреля 1985 г.

6. Гуреев Д.М., Зайкин А.Е., Ямщиков C.B. Влияние лазерной и термической обработка на структуру и свойства высокохромистого чугуна // Металловедение и термическая обработка металлов. 1985. -й 11 . Cv 14-17.

7. Гуреев Д.М., Зайкин А.Е., Кузнецов С.И., Николаев В.Д., Петров А.Л., Сидоров А.П. Устройство для лазерной термообработки // Авторское свидетельство СССР К 1176529 от 01'мая 1935 г.

8. Гуреев Д.М. Лазерная термообработка быстрорежущих сталей

г . : л ;

// Механизмы динамической деформации материалов. - Куйбышев:- Изд. КуАИ. 1986. С. 102-106.

9- Гуреев Д.М., Золотарезгасий A.B., Медников С.И. Термообработка быстрорежущих сталей источником непрерывного лазерного излучения различного профиля // Физика к химия обработки материалов.

1986. JÉ 4- С. 23-26.

10. Гуреев Д.М. Влияние временной формы лазерного импульса на толщину лазерно-упрочненного слоя // Квантовая электроника. 1986. Т. 13. №8. С. 1716-1718.

11. Гуреев Д.М., Зайкин А.Е., Медников С.И., Ямщиков C.B. Влияние лазерной обработки на износостойкость лопаток дробеметных аппаратов // Обработка и применение нозых конструкционных . • гериа-лов. - Куйбышев: Изд. КПтИ. 1937. С. 45-49.

12. Гуреев Д.М., Матвеев Ю.Ы., Медников С.И., Шухостанов В.К., Ямщиков C.B. Исследование процесса изнашивания лопаток дробеметных аппаратов, обработанных лазером // Трение'и износ. 1987. Т. 8. J6 5. с: 816-821. ..

.13- Валиев P.A., Гуреев Д.М., Романов Е.С., Чистяков В.А., Ялдин Ю.А. Определение влияния длительности лазерного импульса на фазовые превращения и перераспределение вольфрама в быстрорежущей стали Р18 из мессбауэровских Измерений // Квантовая электроника.

1987. Т. 14- M 8. С. 1711-1713.

14- Гуреев Д.М. Лазерная обработка как метод повышения износостойкости поверхности // Лазерная технология. - Вильнюс. 1988. Л 4. С. 98-103. '

. 15. Гуреев Д.М., Зайклн А.Е., Ямщиков C.B. Способ упрочнения изделий // Авторское свидетельство СССР Jé 1413971 от 01 апреля 1988 г.

16. Гуреев Д.М., Золотаровский A.B., Зайкин А.Е. Структурные изменения в конструкционных сталях при лазерном воздействии // Физика и химия обработки материалов. 1988. Jê 5- С. 13-17.

17. Гуреев Д.М., Ялдин Ю.А. О лазерной термической обработке инструментальных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 1988. Л 5. С. 8-9.

18. Гуреев Д.М., Медников С.И. Сочетание лазерной закалки и отпуска для упрочнения инструментальных сталей // Квантовая электроника. 1988. Т. 15. № В. С. 1691-1696.

19. Гуреев Д.М., Матвеев Ю.М., Медников С.И., Ямщиков C.B. Способ термической обработки изделий из железоуглеродистых сплавов

// Авторское свидетельство J5 1512137 от 01 июня 1989 г.

20. Гуреев Д.М., Зайкин А.Е., Матвеев Ю.М., Медников С.И,, Шухостанов В.К., Ямщиков C.B. Использование непрерывного С02-дазе-ра для упрочнения высокохрочистого износостойкого чугуна // Труды ФИАН. 1989. Т. 198.. С. 74-39. .......

21Бекренев А.Н., ГурееЕ Д.М., Медников С.И. Лазерный отпуск . сталей, находящихся в различных структурно-фазовых состояниях // Физика и химия обработки материалов.'1989. » 6. С. 107-112.

22. Баженова Л.В., Гуреев Д.М., Медников С.И., Секин В.Б. Особенности фазовых превращений при лазерной закалке быстрорежущих ■ошалей// Пропри ¿XZ7. - ^ . ..

23. Гуреев Д.М.', ОДсшсмг С.". ••"»дв.иь а-ч-пре-, вращений в металлах при ускоренном нагреве // Материалы III Всесс -. юзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве". - Шатура. 1989. С. 191-193.

24. Векраиев А.Н., Гуреев Д.М., Лалетин А.П., Портнов В.В., Сатюгов М.В., Фокин В.В. Влияние структурно-фазовых превращений в инструментальных материалах при лазерной термообработке на ksxiocq-cToít.Koevb ' режущего инструмента // Физика-и химия обработки материалов. 1590. Ä 2. С. 35-38.

25. Гуреев Д.'У., Медш-жов С.И., Шухостанов В.К., Kmujoíob C.B. Влияние лазерного отпуска па характеристики поверхностного слоя инструментальных сталей // Квантовая электронна. '1990. Т. 17. 8. С. 1008-1090.

26. Гуреез Д.М-, Шухостчноз В.К., Ямпщков C.B. <&зр«л!роь«глв остаточных л»пр*ш?пий в шслкохрокистом чугуаи ирч ллергой обработке '//•Физика-и химия-обработки матедаглов..1990. №.6. О. 53-57.

27. Ггпг° yev Ti,, Hadnikov S., . Shukhostanov Y., Yamtohikov S. baser to.nperwture on surface layer characteristics of tool steels •// Proceeding» oí ttiü 5-th. lûtercaî-ional Syr.pociuni oí the Japan Weldirg Society. - Toîtyo. Japan. 1990. P. 2Ы-286. .

28. Бекренев А.Н., Гуреев Д.М., Медников С.И. Природа дефектов и кинетика пере.стройте-! кр.чстг»>шгйской' реяетяс // Физически» проблем прочности: и штастинйостч мстзряаяоа. - КуйОлиов: Изд. КПтИ. 1990. С. 51-57- .......

29- Медников С.И., Гуреев Д.М. Кжешса фазевл.х превращений в ■железе и стали- при нагрева // Kpai«aio оообоеыь: 1хз ^.^нке. '>990. л 12.. С. 25-27.

30. Gureyev U.M. » MeCnJJKov S.I. Kinetics of lattice trans lor-

mation in metals at high-speed heating and the resulting change of surfaco meohanical properties // Proceedings of the 6-th International Conference on Mechanical Behaviour of Materials. - Kyoto. Japan. 1991. P. 143-144. •:' .7-7.. :7 ; '.7:7.7

31. Медников С.И., Гуреев Д.М. Кшетаса фазовых ггревращонпй в железе и стали при нагреве // Металлофизика..1991. Т. 13- Л 11. С.

38-43. " : ■■.''". 7- '':'■■ "

32. Mednikov S.I., Gureyev D.M. Contribution to the theory of transformation in metals // Journal of Soviet baser Research. 1991. V. 12. № 4. P. 309-315.

33. Gureyev D.Ii., Yamtohikov S.Y. Change of surface properties of high-chromium cast iron under conditions of laser treatment and wear in a pellet stream // Journal of Soviet baser Researoh. 1991. V. 12. Л 4. P. 316-326.

34. Gureyev D.M., Kakovkina N.G., Hednikc? S.I., Romanov E.S. Combined bulk and laser treatment for optimazing the struoture and phase composition of high-speed steels //. Journal of Soviet Laser Research. 1991. V. 12. J6 4. P. 352-364.

35- Медников С.И., Гуреев Д.М. К теории фазовых превращений в металлах // Журнал технической физики. 1991. Т. 61. 12. С.53-53.

36. Gureyev D.M., Yarntchikov S.Y. Change of surfaoe properties of details from high-chromium ca3t iron at joint laser and shot stream effect // Proceedings of the 3-rd International Conference on Residual Stresses. - lokushima. Japan. 1991. P. 852-857.

37. Gureyev D.M., Shukhostanov Y.K., Yamtohikov S.Y. Effeot of preheat-treatment during laser hardening on residual stress formation in high-chromium irons // Journal of Materials Science. 1991. Y. 26. P. 6023-6026.

38. Медников С.И., Гуреег Д.М. К теории a-7-превращешш в железе и сталях // Инженерно-физический зкурн.ал. 1992. Т. 63• J& 1. С.

95-101. • '

39. Медников С.И., Гуреев Д.М. К вопросу о снижении температуры начала фазового превращения в сталях под действием пластической деформации // Письма в журнал технической физики. 1992. Т. 18. Л 5. С. 25-28.

40. Гуреев Д.М., Ямщиков' С.В. Изменение свойств поверхности деталей из высокохромистого чугуна при воздействии лазерного излучения и дробеструйной обработки // Металловедение и термическая обработка металлов. 1992. J4 7- С. 10-13.

41 - Гуреев Д.М. Формирование остаточных напряжений при лазерной термообработке стали ХВГ // Физика и химия обработки материалов. 1993- № 1. С. 31-38.

42. Медников С.И., Гуреев Д.М. К теории перестройки решетки при фазовых превращениях в металле // Труды ФИЛИ. 1993- Т. 217. С. 37-41.

43- Гуреев Д.М., Каковкина Н.Г., Медников С.П., Романов Е.С. Сочетание объемной н лазерной термообработок д."я оптимизации структурно-фазового состава бнотророхукщх сталей // Труда МШГ. 1093. Т.217. С. 42-56.

44. Хуресо Д.."., и__:.::г:г --«-^"л™-, плчлрйптвия на перераспределение углерода в иоь^рлний.^и."; гтг'?'Г1,;,,'в»,»,«.ч иных с та лей // Физика и химия обработки материалов. 1994- Ж 1. С. 27-39.

45. Гуреев Д.М. Влияние шлифования и лазерной закалки на фор-мироватш структурко-фазового состава и остаточных нахгря:;:еггай а поверхностных слоях быстрорежущих сталей // Физика и химия обработки материалов. 1994. # 2. С. 102-111.

46. Гуреев Д.М. Фазовый состав быстрорежущих сталей при ехэрхсх трой крис; алхпг пош лзге^чого расплава // йэаса и -хания обрабоиси гаторяаяо:». 1994. й 6. С. 126-136.

Подписано в печать Заказ ^ЧЧ

Типография ®К( Каширское шоссе, 31

Тираж