» » Особенности фазовых переходов под влиянием луча непрерывно действующего лазера
24.12.2014

Углеродистые и легированные стали различного состава с различной чистотой обработки поверхности подвергались воздействию луча непрерывно действующего лазера на СО2 (инфракрасное излучение, длина волны 10,5 мк) мощностью до 300 вт, сфокусированного с помощью вогнутого зеркала на поверхность металлических образцов. После воздействия луча в течение различного времени (от 1 до 60 сек) проводились металлографическое и рентгенографическое исследование и измерение твердости. При облучении в течении первых 0,5/1 сек наблюдалось потемнение поверхности образца, после этого возникает каверна, глубина которой постепенно увеличивается при дальнейшем облучении. При некоторых режимах облучения получали проплавление металла без образования каверны.
Результаты структурных исследований показывают, что в зависимости от состава стали можно наблюдать различные эффекты при облучении. Приведем несколько типичных примеров.
Эффект укрупнения зерен. При облучении малоуглеродистой стали (0,24-0,3% С) возникает крупнозернистая видманштеттова структура. На краю кратера наблюдаются осветленные зерна феррита. Существенного изменения твердости по сравнению с исходным отожженным состоянием не наблюдается. Для иллюстрации степени укрупнения зерен при перегреве и образовании видманштеттовой структуры на рис. 4.3 приведены микрофотографии до и после облучения, снятые при одном и том же увеличении.
Особенности фазовых переходов под влиянием луча непрерывно действующего лазера

Эффект обезуглероживания. При облучении стали, содержащей большое количество углерода, например стали-70 (0,7% С), наблюдается дополнительный эффект обезуглероживания па глубину до 0,6 мм от поверхности каверны (на рис. 4.4). В исходном состоянии сталь состоит из перлита и ферритной сетки. 1 В обезуглероженной области наблюдается разупрочнение, и твердость по Виккерсу составляет 90 кГ/мм2 по сравнению со 176 кГ/мм2 в исходном состоянии.
Особенности фазовых переходов под влиянием луча непрерывно действующего лазера

Закалочные эффекты. Эффекты упрочнения за счет закалки наблюдались на сталях, хорошо закаливающихся на воздухе. В качестве примера рассмотрим результаты, полученные на быстрорежущей стали Р-9. Исходная структура образцов — зернистый перлит с твердостью 300 кГ/мм2 и карбиды. После облучения и разрезки получено, что зона с измененной структурой имеет протяженность около 3,5 мм.
Поверхностная зона (зона 1) кратера имеет дендритное строение с микротвердостью 7654-925 кГ/мм2. По-видимому, в этой зоне произошла закалка из расплава с образованием мартенситно-аустенитной структуры. Далее идет область крупных равноосных светлых зерен с микротвердостью 6454-765 кГ/мм2, соответствующих троосто-мартенситной структуре (зоне 2). Следующая зона с большим количеством троостита имеет темные зерна с микротвердостью 550 кГ/мм2, далее идет тонкий слой троостосорбита с твердостью 320—470 кГ/мм2 и, наконец, исходная структура.
Закалка стали Р-9 при воздействии луча непрерывного лазера подтверждается и результатами рентгеноструктурного исследования. Съемка рентгенограмм проводилась на установке УРС 50-ИМ в излучении железного анода с регистрацией интенсивности сцинтилляционным счетчиком. Получено, что до облучения на рентгенограммах наблюдаются линии феррита и карбидов, после облучения на рентгенограммах поверхностного слоя наблюдаются типичные линии мартенсита и аустенита. Некоторые результаты измерения рентгенограмм приведены в табл. 4.3.
Особенности фазовых переходов под влиянием луча непрерывно действующего лазера

Прочерки в таблице соответствуют очень большому расширению линий. При этом интенсивность максимумов становится настолько малой, что не удается произвести измерение ширины линий. Таким образом, и результаты рентгеноанализа подтверждают эффект закалки быстрорежущей стали при действии непрерывного лазерного излучения.
При подборе режима облучения, вызывающего не образование каверны, а проплавление, что обычно удавалось сделать для тонких сечений, была получена закаленная зона диаметром до 10 мм и глубиной до 2 мм. На поверхности образца при этом часто наблюдался наплыв.
Эффекты вторичной закалки. Рассмотрим результаты облучения быстрорежущей стали, подвергнутой предварительной закалке. Исходная структура в этом случае состояла из мартенсита и большого количества мелких карбидов. Микротвердость составляла 710 кГ/мм2. в зоне 1, ближайшей к поверхности облучения, наблюдается мартенсит с грубой карбидной сеткой, твердость увеличивается до 880 кГ/мм2. Следующая за ней зона 2 состоит из крупных зерен, содержащих мелкие включения карбидов, твердость этой зоны составляет 925 кГ/мм2.
Эффекты отпуска. Эффекты отпуска наблюдались во многих случаях облучения термообработанных образцов. Особенно четко они были видны при прожигании ленты из высокоуглеродистой стали У-10 (1,7% С), где размер отпущенной зоны достигал нескольких сантиметров. Доказательства наличия отпуска были также получены как металлографическим, так и рентгеновским путем.
Представляет интерес сравнение действия непрерывного лазерного излучения с другими вариантами воздействия на металл.
Сравнение с воздействием импульсного светового луча показывает, что некоторые аналогии наблюдаются только для сталей, хорошо закаливающихся на воздухе. Для всех же остальных случаев действие непрерывного лазерного луча напоминает более медленные варианты нагрева, например нагрев открытым пламенем.
В то же время, применение непрерывно действующего лазера для нагрева металла имеет ряд преимуществ. В частности, непрерывный луч можно прерывать с любой заданной скоростью, изменяя таким образом скорости нагрева и охлаждения металла, т. е. подбирать оптимальный режим обработки. Это преимущество, как известно, отсутствует у импульсных лазеров, работающих в режиме свободной генерации, где возможности изменения длительности импульса невелики.
Еще одной интересной возможностью является проведение экспериментов по насыщению поверхности металлов другими элементами из твердой, жидкой или газовой фазы. Опыты по использованию для этой цели импульсных лазеров показали перспективность этого метода насыщения.
В заключение отметим, что для тепловых расчетов процессов обработки металлов непрерывным лучом лазера, по-видимому, не требуется разработки нового аппарата, а можно пользоваться существующими решениями задач, возникающих при анализе нагрева металла при обычной сварке и термообработке.