» » Структурные эффекты и упрочнение в высокопрочных сталях и сплавах и других кристаллических материалах
24.12.2014

Представляло интерес исследовать действие луча лазера на сталь, содержащую большое число легирующих элементов, в которой скорости диффузии невелики и при закалке не наблюдается полного разложения аустенита.
В качестве объекта исследования была выбрана быстрорежущая сталь P-18 в состоянии поставки. Полированная поверхность образцов подвергалась воздействию сфокусированного импульса красного света с энергией 1,5 дж и длительностью 10в-3 сек. Образовавшийся кратер имел диаметр и глубину около 1 мм, т. е. несколько меньше, чем в углеродистой стали. Травление 4% спиртовым раствором HNO3 показало, что кратер окружен зоной с измененной структурой.
Нетравящаяся белая зона не повторяет форму кратера, что связано с неравномерностью энергии луча света по сечению. Граница измененной зоны и исходной структуры образца является очень резкой и даже при увеличении в 450 раз видна не как расширенная область, а как линия. Измерение микротвердости на различных расстояниях от кратера (рис. 3.5, а) позволило установить, что область, прилегающая к кратеру, имеет повышенную твердость (700 кГ/мм2 по сравнению с 400 кГ/мм2 в исходной структуре). Отметим, что твердость зоны с измененной структурой не является равномерной и уменьшается по мере удаления от кратера.
Таким образом, механизм воздействия светового луча лазера на быстрорежущие стали заключается, по-видимому, в следующем.
При воздействии импульса световая энергия преобразуется в тепловую и вызывает нагрев материала, вокруг точки фокусировки при этом располагаются области, имеющие температуру от десятков тысяч градусов в «эпицентре» до комнатной на некотором удалении. После прекращения действия луча происходит охлаждение материала за счет теплопроводности. Сложность состава стали приводит к тому, что при закалке превращение не является полным и поэтому, несмотря на большое содержание углерода и легирующих элементов, максимальное упрочнение в зоне действия луча лазера меньше, чем для углеродистой стали, обработанной светом в тех же условиях.
Структурные эффекты и упрочнение в высокопрочных сталях и сплавах и других кристаллических материалах

Значительный градиент температур приводит к тому, что концентрация примесей в мартенсите и его искаженность неоднородны и уменьшаются по мере удаления от луча. Отметим также, что по рентгеноструктурным данным при интенсивных тепловых и механических воздействиях в сталях аналогичного состава возможно сохранение остаточного аустенита с сильно искаженной структурой.
Представляло интерес исследовать структурные эффекты и упрочнение при воздействии светового луча на высокопрочные соединения, способные к фазовым переходам. В качестве объекта исследования был выбран твердый сплав ВК-8 в состоянии поставки. Для воздействия на материал был использован импульсный квантовый генератор света с рядом дополнительных приспособлений для исследования взаимодействия светового луча с твердым телом. Суммарная энергия одного импульса составляла около 5 дж, время действия импульса — около 10в-3 сек.
В результате действия луча в материале образовался кратер глубиной и диаметром около 1 мм; область, окружающая кратер, подвергалась металлографическому исследованию, измерялось также распределение микротвердости.
На микрофотографии наряду с исходной структурой (карбид вольфрама и твердый раствор) наблюдается зона с неоднородной измененной структурой, лежащая у края кратера. Следует отметить, что зона у кратера имеет значительно меньший размер, чем исходная структура.
Результаты измерения распределения микротвердости в районе кратера приведены на рис. 3.5,6. Из графика видно, что средняя исходная твердость (измеренная в основном на зернах карбида) менялась в интервале 1100+1800 кГ/мм2. Средняя величина по нескольким десяткам измерений составляла 1300 кГ/мм2. В районе, прилегающем к кратеру, твердость составляла 2300— 2900 кГ/мм2 со средним значением 2500 кГ/мм2.
Абсолютные значения твердости в обоих случаях несколько занижены по сравнению с табличными, так как прибор градуировался по монокристаллам NaCl, имеющим малую твердость.
Относительно природы обнаруженного эффекта можно высказать следующие соображения.
Известно, что в фокусе светового луча лазера развиваются температуры, достигающие десятки тысяч градусов. В связи с кратковременностью действия импульса температурные градиенты нагрева и охлаждения очень велики. Поэтому возможен эффект местного нагрева до температур испарения материала и но мере удаления от фокуса луча температур плавления и фазового перехода с последующим резким охлаждением. При этом возможно разложение карбида WC с образованием карбида W2C, имеющего твердость примерно на 1200—1400 кГ/мм2 выше, чем карбид WC. По-видимому, слой с измененной структурой, возникшей при действии луча лазера, содержал карбид W2C.
Для проверки этого предположения было необходимо провести рентгеноструктурное исследование. Такое исследование представляло значительные методические трудности из-за малых размеров зоны действия луча. Поэтому было проведено воздействие на материал серии импульсов и получена область размерами около 50 мм2, покрытая кратерами, отстоящими друг от друга на расстоянии около 1,5—2 мм.
На рисунке 3.6 приведены кривые интенсивности, снятые на поверхности образца, покрытой кратерами и выплесками материала. Из графика видно, что на поверхности возникает некоторое количество карбида W2C (сравниваются самые сильные линии обоих карбидов). Однако после стравливания выплесков доля W2C резко уменьшается, таким образом, данные рентгеноструктурного анализа подтверждают предположение о переходе карбида WC в карбид W2C под действием светового импульса.
Структурные эффекты и упрочнение в высокопрочных сталях и сплавах и других кристаллических материалах

Следует обсудить также и другие возможные механизмы упрочнения. Световой импульс такой большой интенсивности может оказывать и чисто механическое действие, приводя к появлению ударных волн, деформирующих материал. Наконец, возможно упрочнение за счет закалочных эффектов, не связанных с фазовым переходом. Сравнение с результатами металлографического и рентгеноструктурного анализов других материалов, подвергшихся действию луча лазера, позволяет заключить, что последние два предположения маловероятны. Действительно, значительное упрочнение наблюдалось только для сплавов, упрочняющихся при фазовом переходе. Например, для малоуглеродистой стали в районе действия луча лазера наблюдается увеличение твердости, значительно превышающее упрочнение этой стали при обычных термических и механических обработках.
Рентгеноструктурным методом- в углеродистых сталях в районе действия луча лазера обнаруживается зона с очень сильно раздробленной субструктурой, большими микроискажениями и плотностью дислокаций и высокой степенью тетрагональности.
Границы зон в сталях являются очень резкими и по резкости напоминают границы зон в твердом сплаве. В то же время в чистых металлах как обладающих, так и не обладающих аллотропическими превращениями (железо, алюминий, медь, тантал, и др.) эффекты упрочнения невелики или вообще отсутствуют. Наконец, следует отметить, что уменьшение энергии луча в 5 раз приводит к незначительному уменьшению твердости зоны в районе кратера (на 200 кГ/мм2).