» » Рентгеновский анализ закалки сталей световыми импульсами
24.12.2014

Исследование тонкой кристаллической структуры в зоне действия луча было проведено на излучении железного анода с диаметром облучаемой области на поверхности образца около 0,5 мм. Это позволило получить характерные кривые интенсивности как для вторично упрочненной области, так и для переходной области с уменьшенной твердостью.
Получено, что во всех исследованных областях на рентгенограммах наблюдаются только линии альфа-фазы (феррита или мартенсита). Расчет рентгенограмм в этом случае представлял трудности, так как расширение линии могло быть обусловлено и тонкой кристаллической структурой и тетрагональностью мартенсита. Однако разрешения дублета тетрагональности на рентгенограммах не наблюдалось.
Для обработки экспериментальных данных была принята следующая методика: строилась зависимость β2cos2θ/λ2 от sin2θ/λ2 (где β — физическое уширение линий на рентгенограммах) и по этой зависимости вычислялись размеры блоков, микроискажений, плотность дефектов. Результаты вычислений приведены в табл. 3.4.
Рентгеновский анализ закалки сталей световыми импульсами

Таким образом, упрочнение закаленной стали вследствие воздействия луча лазера сопровождается резким уменьшением размеров блоков и увеличением плотности дефектов. В то же время микроискажения меняются незначительно.
Содержание углерода в исследуемой стали было достаточно велико (0,45%). поэтому наблюдаемый эффект упрочнения являлся суммарным от действия измененной тонкой кристаллической структуры и тетрагональности мартенсита. Полученные данные позволяют предположить, что основным эффектом при действии на закаленную сталь является вторичная закалка, сопровождаемая деформацией за счет ударной волны, т. е. термомеханическое упрочнение.
Отметим также аналогии между получаемыми результатами и проведенными ранее измерениями тонкой кристаллической структуры при шлифовании закаленной стали. Кривые изменения плотности дефектов и твердости по глубине слоя при шлифовании и действии луча лазера очень близки, т. е. на поверхности образуется вторично упрочненный слой, под которым лежит отпущенная зона. По-видимому, природа эффекта в обоих случаях близка.
Более подробное рентгеноструктурное исследование можно было провести на предварительно закаленной высокоуглеродистой стали, облученной дефокусированными импульсами значительно большей интенсивности. Съемка рентгенограмм проводилась на излучении железного анода с площадью облучаемой поверхности до 0,25 мм2. Так как уже в ходе предварительных экспериментов было обнаружено возникновение тетрагонального мартенсита, то все образцы подвергались отпуску при 200°С в течение 1 часа, снимающему влияние тетрагональности мартенсита на ширину линий на рентгенограммах и не приводящим к заметным изменениям тонкой кристаллической структуры; после этого повторялось рентгеновское исследование.
Для сравнения проводилось рентгеновское исследование тех же сталей, не подвергнутых световому воздействию, после различных режимов закалки и отпуска при тех же геометрических условиях съемки. Кроме того, по методике проводился локальный спектральный анализ в микрообластях при изучении распределения углерода вокруг кратера.
Рассмотрим прежде всего качественные результаты рентгеноструктурного анализа. На рис. 3.7 приведены кривые интенсивности линий для стальной патентированной и прокатанной в холодном состоянии ленты (сталь У-8—У-10). Сравнение линий для эталона и исходного образца упрочненной ленты показывает, что в исходном образце наблюдалось типичное для упрочнения при холодной деформации расширение линий на рентгенограммах (линия на рис. 3.7 имеет ширину 11,5 миллирадиан по сравнению с 6,6 миллирадиан для эталона).
Рентгеновский анализ закалки сталей световыми импульсами

После действия светового импульса на кривой интенсивности обнаруживается четкое разделение дублета тетрагональности (112)—(211) (121), т. е. наблюдается форма линии, типичная для закаленной стали. Для сравнения приведена кривая интенсивности той же ленты после закалки с 780°С в воде, имеющая подобную форму. Для того чтобы убедиться, что наблюдаемый эффект действительно связан с тетрагональностью мартенсита, проводился отпуск облученного и закаленного образцов при 200°С в течение часа. Соответствующие кривые интенсивности показывают исчезновение дублета как для облученных, так и для закаленных образцов. Таким образом, облучение высокоуглеродистой стали световыми импульсами приводит к возникновению мартенсита, подобного возникающему при закалке этой стали.
Известно, что в высокоуглеродистых сталях при закалке может сохраняться остаточный аустенит, который не наблюдается при пластической деформации сталей с ферритно-цементитной структурой. Поэтому существование аустенита в стали после облучения явилось бы дополнительным доказательством того, что облучение световыми импульсами приводит к закалке стали.
При съемке на излучении железного анода наиболее сильная линия γ-фазы (аустенита-(111)) имеет брэгговский угол 27°45', а наиболее сильная линия α-фазы (феррита-(110)) — угол 28°30'. При одновременном существовании этих фаз в стали на кривой интенсивности, охватывающей соответствующий интервал углов, должны наблюдаться два максимума. Из кривой интенсивности видно, что в исходном состоянии (патентирование + холодная прокатка) высокоуглеродистая сталь не содержала аустенита. В то же время после облучения световыми импульсами в структуре стали возникает аустенит.
При съемке рентгенограмм облученного материала удается получить ряд линий аустенита, наиболее интенсивная линия аустенита (111) при этом маскируется вследствие возникновения дублета тетрагональности в (110), поэтому для демонстрации выбраны рентгенограммы образцов, подвергнутых после облучения отпуску при 200°С, снимающему влияние тетрагональности мартенсита. При этом отпуске мог произойти распад некоторого небольшого количества аустенита, но во всяком случае не увеличение его содержания в стали.
На кривой интенсивности четко видно возникновение линии аустенита (111) наряду с линией α-фазы. Закалка той же стали и отпуск при 200°С приводит к возникновению качественно аналогичной рентгенограммы.
Наконец, сравнение линии (220) аустенита, которая не накладывается на линии α-фазы, с той же линией для эталона (отожженного никеля) показывает существование расширения линий остаточного аустенита. Аналогичные результаты (тетрагональный мартенсит после облучения и после закалки) получены при рентгеноструктурном исследовании среднеуглеродистой стали-45 (0,45% С). Таким образом, рентгеновские данные показывают, что в результате облучения световыми импульсами происходит закалка стали, качественно аналогичная обычной закалке.
Было проведено количественное сравнение характеристик содержания углерода в мартенсите (степени тетрагональности мартенсита) и тонкой кристаллической структуры сталей при облучении световыми импульсами и после закалки. Для оценки концентрации углерода в мартенсите был использован метод, основанный на измерении расширения линий на рентгенограммах.
Метод состоит в нахождении междублетного расстояния δ по общей ширине линии и вычислении из этой величины концентрации углерода. Расчет было целесообразно проводить по линиям дублета (112)—(211)—(121), так как на расширение линий мартенсита в этом случае не влияли близко расположенные линии аустенита. Соотношение между интенсивностями составляющих дублета тетрагональности составляет 1:2, такое же, как между интенсивностями линий Kα1 и Kα2. Поэтому при расчете можно использовать поправочную кривую для исправления ширины линий на Кα-дублет.
По измеренной суммарной ширине дублета В и ширине линии эталона B0 находили величину междублетного расстояния δ. За эталон принимали образец, отпущенный в вакууме при 200°С, в котором углерод уже выделился из мартенсита, а существенного сужения линий за счет изменения тонкой кристаллической структуры не произошло.
Концентрация углерода в мартенсите находилась с помощью системы эталонов и специального графика зависимости между концентрацией углерода и междублетным расстоянием. Подробное описание метода и вспомогательные графики приведены далее. Метод носит полуколичественный характер, но дает надежные сведения об относительных изменениях содержания углерода в мартенсите при различных обработках одной и той же стали.
Результаты расчетов показывают, что концентрация углерода в мартенсите в высокоуглеродистой стали У-10 после закалки составляет 1,1%, а после облучения световыми импульсами — всего лишь 0,6%. Для среднеуглеродистой стали-45 эти величины составляют после закалки и после облучения соответственно 0,43 и 0,40%. Таким образом, закалка после воздействия световых импульсов является, по-видимому, неполной.
Для определения субструктурных характеристик строилась зависимость β2cos2θ/λ2 от sin2θ/λ2, где β — физическое уширение линий на рентгенограммах, θ — брэгговский угол, λ — длина волны брэгговского излучения. Результаты расчета для стали У-10 приведены в табл. 3.5. Твердость стали после облучения, измеренная на приборе ПМТ-3, составляет 1100 кГ/мм2 по сравнению с 640 кГ/мм2 до облучения. Таким образом, высокая твердость стали после облучения связана с дроблением блоков и увеличением плотности дефектов кристаллической решетки феррита, значительно превышающим эти же величины для закаленной стали. Кроме того, существенное дробление блоков и повышение плотности дефектов наблюдается в аустените. Микроискажения, как видно из таблицы, после облучения даже меньше, чем после закалки, хотя и больше, чем в исходном материале.
Рентгеновский анализ закалки сталей световыми импульсами

Меньшие микроискажения при меньшем размере блоков в облученных материалах подтверждают выдвинутые ранее автором представления о соотношениях между размерами блоков и микроискажениями в упрочненных материалах.
Наконец, рассмотрим еще одну особенность упрочненной зоны, выявленную спектральными анализами в микрообъемах. На рис. 3.8 приведена кривая распределения углерода в малоуглеродистой стали, полученная В. Д. Корвачевым. Это распределение неравномерно, кривая имеет максимум при некоторой глубине слоя, причем содержание углерода в зоне, соответствующей этому максимуму, превышает среднюю концентрацию углерода в стали. Этот эффект мог являться причиной резкого повышения твердости в облученной малоуглеродистой стали, где проводилась закалка области с повышенным содержанием углерода.
Таким образом, в зоне действия луча лазера происходила закалка стали, но интенсивность закалки была недостаточной для объяснения наблюдаемых эффектов упрочнения, связанных также, по-видимому, с изменением субструктуры и повышением плотности дефектов. Температуры при этом были велики, что привело к снятию микроискажений, но время действия импульса было настолько мало, что размеры блоков не успели увеличиться. Результирующим эффектом явилось измельчение блоков, аналогичное наблюдаемому при высокочастотной закалке.
Приведем результаты рентгеноструктурного анализа стальных образцов после действия луча лазера (энергия 200 дж, режим свободной генерации), подтверждающие приведенные выше закономерности (табл. 3.5).
Рентгеновский анализ закалки сталей световыми импульсами