» » Изменения структуры и упрочнение в малоуглеродистой стали
24.12.2014

Одним из первых по времени технологических применений мощных импульсных лазеров явилось их использование для целей пробивания отверстий в металлах и сварки. При этом иногда, параллельно с решением технологических задач, проводилось исследование отверстий и кратеров. Примером таких работ могут служить исследования Данлопа и Вильямса, Миен, Энквиста, и публикации фирм в США, Панцера в ФРГ, Намба и Ким в Японии, Фогеля и Баклунда в Норвегии. В этих и некоторых других работах приведен большой материал о глубине и форме кратеров в различных металлах, но почти целиком отсутствуют результаты структурных исследований.
Экспериментальные исследования остаточных структурных эффектов целесообразно проводить на материалах с хорошо изученной структурой. Такими материалами, в частности, являются металлы и сплавы. Рассмотрим в качестве примера результаты исследования воздействия световых импульсов рубинового лазера, работающего в режиме свободной генерации, на структуру малоуглеродистой стали.
Изменения структуры и упрочнение в малоуглеродистой стали

Световой луч с энергией около 2 дж, направленный нормально к поверхности образца, приводит к образованию в металлах кратера глубиной около 1,5 мм и диаметром около 1,5 мм. Металлографическое исследование показало, что в районе кратера в сталях можно выделить три зоны. Непосредственно к поверхности кратера прилегает плохо травящаяся зона 1 с мелкоигольчатой, по-видимому, мартенситной структурой. Следующей является зона 2, содержащая белые, плохо поддающиеся травлению участки, состоящие из зерен сложной формы и, наконец, зона 3 с исходной структурой. На рис. 3.3, а приведена микрофотография кратера в малоуглеродистой стали при небольшом увеличении, на которой видны все зоны. Для удобства воспроизведения эта фотография сделана не с поверхности образца, а после снятия слоя и соответственного уменьшения диаметра кратера до 1 мм.
Измерение микротвердости в отдельных зонах у поверхности образца показало, что, например, для малоуглеродистой стали, содержащей 0,1% С, исходный материал (или соответственно зона 3) состоит из ферритных зерен с твердостью 220+40 кГ/мм2 и перлитных зерен с твердостью 300 +40 кГ/мм2. После действия светового луча лазера первая зона, ближайшая к кратеру, имеет твердость 1000 +400 кГ/мм2.
Таким образом, несмотря на внешнюю однородность зоны 1, свойства ее изменяются в широких пределах и твердость ее очень велика. Вторая зона состоит из белых нетравящихся зерен с твердостью 1000+500 кГ/мм2. Несмотря на одинаковую твердость, структура белых зерен в зоне 2 и структура зоны 1, по-видимому, не одинаковы, так как в зоне 1 иногда выявляется игольчатая структура зерен, а в зоне 2 действие тех же травителей не выявляет игольчатой структуры. Кроме белых нетравящихся зерен зона 2 содержит участки, имеющие внешний вид ферритных зерен, напоминающих зерна в зоне 3, но твердость этих ферритных зерен составляет 270+40 кГ/мм2 по сравнению с 200+40 кГ/мм2 в исходном материале.
На рисунке 3.3,б показана область около кратера в малоуглеродистой стали, сфотографированная с увеличением в 450 раз. На микрофотографии четко видна граница между зоной с исходной структурой (зоной 3), состоящей из белых зерен феррита и черных зерен перлита, и зоной 2, в которой прошло превращение под действием луча, изменившее цвет бывших перлитных зерен. Такая же резкая граница наблюдается между зоной 2 и зоной 1, расположенной у кратера и обладающей мелкоигольчатой структурой (рис. 3.3, в).
Резкость границы настолько велика, что некоторые перлитные зерна оказываются разделенными на участки с исходной и измененной структурой.
На зерно были нанесены отпечатки алмазной пирамиды прибора для измерения микротвердости. Твердость темной части зерна равна 300 кГ/мм2, что соответствует твердости перлитных зерен, твердость более светлой части зерна превышает 1000 кГ/мм2.
Существование таких резких границ, не наблюдаемых при обычных режимах нагрева, указывает на особые условия распространения тепловых волн в металлах при тепловых импульсах высокой интенсивности.
Если сошлифовать поверхность образца, то твердость зон у кратера уменьшается и средняя твердость составляет для зон 1 и 2 соответственно 950 и 890 кГ/мм2.
Распределение твердости в зонах по мере удаления от поверхности кратера показано на рис. 3.4, а. Для зоны 1 и для белой составляющей на графике приведены только средние значения, так как распределение их твердости с расстоянием от кратера, по-видимому, хаотично. Интересно, что в зоне 2 феррит более мелкозернистый и твердость его на 100 кГ/мм2 выше, чем в исходном материале. При дефокусировке луча можно получить на поверхности упрочненную зону с большим количеством мелких кратеров. Это связано с тем, что луч лазера неоднороден по сечению. Для таких образцов твердость в зонах 1 и 2 на 150—200 кГ/мм2 выше, чем при образовании одного кратера.
Изменения структуры и упрочнение в малоуглеродистой стали

При изучении термической устойчивости упрочнения был проведен отпуск в вакууме образцов с упрочненной поверхностной зоной. На рис. 3.4 приведены кривые изменения твердости отдельных структурных составляющих при отпуске. Твердость в зоне действия луча лазера превышает твердость исходной структуры вплоть до температуры отпуска 600° С.
На основании полученных данных можно заключить, что упрочнение при действии светового луча лазера связано с резким нагревом материала, часть материала испаряется и плавится, образуется кратер.
При действии луча лазера в тонкой зоне происходит чрезвычайно резкая закалка. При этом в зоне 1 возникает закаленная структура (мартенсит) с содержанием углерода несколько выше среднего содержания его в стали, возможно также некоторое насыщение азотом и углеродом в результате ионизации этих газов в воздухе под действием луча лазера. Возможно, что зона 1 возникает в результате закалки из жидкого состояния. В зоне 2 белая составляющая является мартенситов с 0,8% и более, возникшим из перлитных зерен в результате того, что время воздействия настолько мало, что не успевает произойти диффузионное перераспределение углерода в аустените. Известно, что при обычных условиях нагрева и охлаждения малоуглеродистая сталь не закаливается.
Исследования структуры малоуглеродистой стали после соударений с очень высокими скоростями показали, что при этом возникает характерная деформационная структура, не похожая на структуру в зоне действия лучей лазера. Даже при давлениях взрывной волны, достигающих 1 млн. атм, или при кумулятивном взрыве не наблюдалось таких структур, как в зоне действия луча лазера. Таким образом, доля чисто деформационных эффектов в упрочнении стали под воздействием световых лучей лазера невелика. Подробное изложение результатов исследования воздействия механических импульсов приведено ниже.
Отметим также, что эффекты закалки с образованием закаленных зон с повышенной твердостью наблюдались раньше, например в работах Кидина при исследовании высокочастотной закалки, и также связывались с быстрой закалкой и неравномерным распределением углерода.
Таким образом, увеличение микротвердости малоуглеродистой стали при воздействии луча лазера составляет 700 + 400 кГ/мм2, т. е. в отдельных участках твердость может увеличиваться на 1100 кГ/мм2. Укажем также, что твердость феррита при пластической деформации с обжатием 90% увеличивается на 100 кГ/мм2, а твердость малоуглеродистой стали при закалке обычными методами увеличивается на 130 кГ/мм2. В результате, увеличение твердости малоуглеродистой стали на 700 кГ/мм2, наблюдаемое при действии луча лазера, не удается получить ни одним из обычных методов механической или термической обработки.
При исследовании комбинированных обработок, например, термомеханического упрочнения, сочетающего динамическое обжатие и закалку, можно получить повышение твердости малоуглеродистой стали на 250 кГ/мм2, тот же порядок имеет повышение твердости при соударениях со скоростями до 4000 м/сек.
Можно предположить, что эффекты сильного упрочнения в малоуглеродистой стали связаны с чрезвычайно малым временем выделения тепловой энергии. Однако в ферритных зернах в малоуглеродистой стали после действия луча лазера не наблюдаются двойники. В то же время при импульсных деформациях взрывом или соударением при комнатной и пониженной температурах наблюдается интенсивное двойникование. При импульсной деформации образцов, имеющих повышенную температуру (+ 700°С), двойники не образовывались, но наблюдались деформированные и рекристаллизованные зерна, не обнаруженные после действия луча лазера. Таким образом, по-видимому, нельзя свести эффекты, наблюдаемые при действии луча лазера, к чисто деформационным эффектам. Рассмотрим кратко результаты, полученные для других материалов.
Для армко-железа повышение твердости в зоне у кратера не очень велико и составляет 80 кГ/мм2 (от 180 до 250 кГ/мм2), что примерно соответствует приросту твердости при обычной пластической деформации. Однако даже в армко-железе, содержащем всего 0,6% С, обнаружены отдельные участки с твердостью 1100 кГ/мм2. Высокоуглеродистая сталь У-10, содержащая 1,0% С, в исходном состоянии имела твердость 380+140 кГ/мм2, а в зоне действия луча лазера возникла структура с однородной твердостью 1000 кГ/мм2. Следовательно, прирост твердости при упрочнении лучом лазера составляет в этой стали 600 кГ/мм2, т. е. несколько меньше, чем в малоуглеродистой стали. В быстрорежущей стали, имеющей сложный химический состав и высокую твердость (430 ± 50 кГ/мм2), твердость в зоне действия лазера равна всего 650 ± 50 кГ/мм2, т. е. прирост твердости еще меньше.
Таким образом, результаты исследования упрочненных металлов подтверждают выдвинутое автором ранее предположение, что относительное упрочнение металла в результате термической или механической обработки тем меньше, чем больше уровень прочности исходного материала, достигнутой путем введения легирующих элементов.
Исследование легкоплавкого материала — олова — показало, что глубина кратера в нем значительно больше, чем в стали, и изменения в структуре и твердости в районе кратера отсутствуют. Для дюралюминия наблюдалось даже некоторое разупрочнение в зоне кратера. Наконец, дюралюминий является единственным из исследованных материалов, у которого обнаружены трещины в районе кратера.
Приведем некоторые результаты исследования зоны действия луча на предварительно упрочненные материалы. Так, металлографическое исследование закаленной стали-45 (0,45% С) показало, что вблизи от кратера располагается зона 1 с очень мелкозернистой структурой, за ней — зона 2, имеющая сорбито-трооститную структуру, а затем — исходная зона 3 с характерно крупнозернистой мартенситной структурой. Следует отметить, что травимость зоны 1 значительно ниже, чем зоны 3.
Результаты измерения микротвердости при удалении от кратера показаны на рис. 3.4, б. Из графика видно, что вторично закаленная зона 1 имеет твердость на 250—300 кГ/мм2 выше, чем твердость закаленной стали-45. Интересно отметить, что граница между зонами 1 и 2 на микрофотографиях является очень резкой, но твердость вторично закаленной зоны начинает уменьшаться значительно раньше границы отпущенной зоны.
Применение сканирующего электронного микроскопа дает возможность получения дополнительной информации о структурах, возникающих при облучении малоуглеродистой стали. Исследование облученных образцов проводилось во вторичных электронах с увеличением от 100 до 100 000.
При увеличении в 3000 разрешается как пластическая структура перлита в стали, так и внутренняя неоднородность феррита. Зона застывшего расплава имеет игольчатое мартенситное строение, что указывает на очень большие скорости охлаждения, т. е. при обычно применяемых скоростях мартенсит в этой стали не образуется. В некоторых местах в мартенситной зоне удавалось наблюдать контуры границ зерен.
Из расположения теней на фотографии и соответствующих профилей поверхности, построенных во вторичных электронах, следует, что превращенные зерна расположены над поверхностью шлифа, причем высота выступов больше, чем в случае сплошной мартенситной зоны. Это показывает, что твердость превращенных зерен больше, а химическая активность меньше, чем у ферритной основы стали. Наблюдаемый эффект связан, по-видимому, с тем, что превращенные зерна перлита имеют аустенито-мартенситную структуру с содержанием углерода 0,8%, а мартенситная область имеет значительно меньшее содержание углерода (0,14-0,2%). Электронно-микроскопическое исследование показывает также, что граница области затвердевшего расплава и зоны превращений в твердом состоянии является очень резкой.