автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Особенности структурной организации металлов и сплавов при экстремальном тепловом воздействии

На правах рукописи

00344 СЫ иэ /

ДЬЯЧЕНКО Лариса Дмитриевна

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНОМ ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Специальность 05 02 01 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о г окт ®>в

Ростов-на-Дону, 2008

003447816

Работа выполнена на кафедре «Физическое и прикладное материаловедение» в Донском государственном техническом университете (ДГТУ)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор БРОВЕР Г. И.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор БЛЕДНОВА Ж.М , доктор технических наук, профессор ДОРОФЕЕВ В Ю.

Ведущее предприятие

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)

Защита состоится 21 октября 2008 г в 14 часов на заседании специализированного совета Д 212 058 01 в Донском государственном техническом университете (ДГТУ) по адресу 344000, г Ростов-на-Дону, пл Гагарина, 1, ДГТУ, ауд 252

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ

Отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, просим высылать в специализированный совет по указанному адресу

Автореферат разослан" 15 ' сентября 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

доцент, канд техн наук,

Г В Чумаченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Современный уровень развитая машиностроения постоянно повышает уровень требований, предъявляемый к конструкционным и инструментальным материалам, и в связи с этим требует их усовершенствования или создания на их основе новых материалов со специальными свойствами Поэтому в последнее время отдается предпочтение управляемым методам термической обработки поверхности металлических материалов, в том числе с использованием концентрированных потоков энергии (КПЗ) Арсенал способов воздействия КПЭ продолжает расширяться, используются непрерывные, импульсные, импульсно - периодические лазеры, импульсная плазма, ионная имплантация, электронное и гамма-облучение и многие другие перспективные технологии, позволяющие существенно повысить эксплуатационные свойства поверхностных слоев сталей и сплавов

В основе импульсной лазерной обработки лежит использование для нагрева материалов тепловых источников высокой энергонасыщенности, плотность мощности которых составляет сотни МВт/м2, а время действия не выходит за пределы миллисекундного диапазона При этом достигаются гипервысокие (10е град/с) скорости нагревания до закритических температур при наличии значительных температурных градиентов по глубине, обеспечивающих за счет отвода тепла в "холодную" массу по механизму теплопроводности охлаждение со скоростями 104-106 град/с

В результате специфических тепловых процессов на поверхности обрабатываемых сталей фиксируется закаленная зона, обладающая высокодисперсным кристаллическим строением, пониженной травимостью Глубина этой зоны зависит от плотности мощности теплового источника, длительности его воздействия, теплофизических характеристик материалов и составляет 0,1-0,18 мм

Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью механизмов и эффектов, сопровождающих процессы упрочнения различных материалов в условиях гипервысоких скоростей нагрева и охлаждения, что сдерживает разработку рекомендаций прикладного характера применительно к таким высоким технологиям двойного назначения, как лазерное упрочнение, являющееся приоритетным направлением развития науки и техники и входящее в перечень критических технологий федерального уровня

В настоящей работе с научных позиций решается проблема оптимального использования высококонцентрированных потоков энергии для поверхностной обработки сталей и сплавов В частности, рассматриваются вопросы влияния энергетических характеристик и условий обработки на эффективность упрочнения, а также изучаются особенности организации структуры различных материалов в условиях гипернеравновесных фазовых переходов с учетом локальной пластической деформации, оказывающей влияние на процессы структурообразования при гиперскоростном нагреве поверхности металлов На базе результатов систематических экспериментальных исследований процесса лазерной термической обработки сталей и сплавов в работе созданы физические модели явлений, определяющих термодинамическую возможность и кинетику фазовых переходов в условиях гиперстесненности во времени

Основные результаты работы получены в период 2003-2008 г г при выполнении фундаментальных научно-исследовательских работ по программе Федерального агентства по науке и инновациям «Развитие системы ведущих научных школ» на тему «Разработка программного мониторинга структурной самоорганизации металлических сплавов при экстремальном баротермическом воздействии в упрочняющих технологиях»

Цель работы - Получение новых научных знаний об особенностях структурной организации металлов и сплавов при экстремальном тепловом воздействии с учетом локальной пластической деформации, условиях получения различных вариантов структур поверхностных слоев сталей и сплавов, обладающих заданным уровнем эксплуатационных свойств, путем обработки концентрированными потоками энергии (КПЭ), в том числе о создании микро- и субмикрокристаллической структуры, разработка на этой основе технологических принципов упрочнения изделий различного функционального назначения

Научная новизна диссертационной работы заключается в получении следующих научных результатов

• выполнен теоретический анализ топографии температурного поля для квазистационарного режима генерации импульсного лазера при нагревании и при охлаждении после прекращения действия лазерного импульса Получены экспериментальные результаты, позволяющие оценить уровень достигаемых температур и скоростей охлаждения за разные промежутки времени действия импульса излучения,

• созданы физические представления о возникновении и природе локаль-

ной пластической деформации в поверхностных слоях металлов и сплавов при гиперскоростном нагревании с использованием высококонцентрированных потоков энергии и особой роли этих деформаций в протекании фазовых переходов, явлениях массопереноса, структурообразо-вания и структурной наследственности,

• получены новые научные знания о механизмах структурной самоорганизации в процессе гипернеравновесных фазовых переходов в условиях огромной стесненности во времени процесса лазерного нагрева и ограниченности протекания классических диффузионных процессов Установлено, что согласно постулатам термодинамики необратимых процессов применительно к процессам аустенитизации целесообразно рассматривать термодиффузию или эффект Соре,

• проведена количественная оценка элементов структуры в разных зонах облученного пятна, в том числе с использованием метода мультифрак-тальной параметризации,

• с использованием методик математического моделирования разработаны принципы прогнозирования механических, технологических и эксплуатационных свойств материалов с учетом структурных особенностей процесса упрочнения при гиперскоростной лазерной обработке, зависящих от результирующего уровня возникающих в зонах обработки напряжений, то есть от соотношения процессов пластической деформации при нагреве под действием термических напряжений и процессов диссипации энергии путем динамического возврата, полигонизации и рекристаллизации обработки,

• сформирована новая информационная база, позволяющая обоснованно назначать режимы поверхностной лазерной обработки различных материалов для получения заданной структуры и необходимого уровня свойств

Практическая ценность и реализация работы в промышленности

В диссертации изложены научно обоснованные технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса В частности, установлены основные технологические схемы лазерного упрочнения, даны рекомендации по практической реализации технологического процесса лазерного термоупрочнения режущего инструмента (резцы, фрезы, сверла и др ) из сталей Р6М5, Р18, а также штампов холодного и горячего деформирования (пуансоны, матрицы) из сталей У10А, Х12Ф1, Х12М, Р6М5, Р18 и т д

Разработанный в результате теоретических и экспериментальных исследований технологический процесс упрочнения изделий различного функционального назначения, включающий в себя технологические инструкции по проведению процесса и контролю качества лазерного упрочнения, апробирован и внедрен на ряде предприятий- ОАО «Тагмет» (г Таганрог), ООО "Металлообработка" (г Ростов-на-Дону)

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в виде содержательной часта текстов лекций, учебных пособий, раскрывающих теоретические и технологические особенности методов поверхностного упрочнения материалов концентрированными потоками энергии, при чтении курсов "Упрочнение поверхности концентрированными потоками энергии", "Теория и технология термической и химико-термической обработки"

Апробация работы Основные положения диссертации доложены и обсуждены за период с 2005 по 2008 год на 3 международных научно-технических и 2 научно-практических конференциях, в том числе международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиноведения и высоких технологий» (г Ростов-на-Дону, 2005), научно-практической конференции «Современные технологии упрочнения металла и нанесение покрытий» (г Ростов-на-Дону, 2005), V международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г Пенза, 2007), V международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Санкт-Петербург, 2008), IV международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2008)

Публикации результатов исследований По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 9 работ в изданиях, рекомендуемых ВАК для опубликования результатов научных исследований, 1 патент на полезную модель «Устройство для измерения температуры поверхности металла при воздействии концентрированным потоком энергии»

Структура и объем работы Диссертационная работа изложена на 217 страницах машинописного текста и состоит из введения, 7 глав основной части, выводов, списка литературных источников из 152 наименования, приложения, содержащего акты внедрения технологического процесса лазерного упрочнения в производство и учебный процесс, патент на полезную модель В тексте диссертационной работы содержится 124 рисунка и 14 таблиц

Работа выполнена на кафедре «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного технического университета в период 2003-2008 годов при консультации к т н , доцента Бровера А В , по научному направлению кафедры, руководителем которого является д т н , про-

фессор, Заслуженный деятель науки РФ Пустовойт В Н , которым автор выражает искреннюю признательность

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ В краткой форме обоснована актуальность поставленной научно-технической проблемы Приведены основные результаты ее решения с указанием научной новизны и практической ценности диссертации

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СКОРОСТНОГО ЛАЗЕРНОГО НАГРЕВА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

В первой главе диссертации выполнен критический обзор литературных данных, иллюстрирующих современный уровень разработок в области поверхностной термообработки с использованием источников концентрированных потоков энергии, в том числе лазерного нагрева

Исследования, проведенные в течение последних 30 лет ведущими учеными России Рыкалиным Н Н , Угловым А А , Кришталом Н А, Кокорой А Н , Миркиным Л И , Григорьянцем А Г, Сафоновым А Н , Зуевым И В , Коваленко В С , Крапошиным В С , Счастливцевым В М , Бровер Г И , Пусто-войтом В Н , Кудряковым О В и др , позволили установить, что природа упрочнения инструментальных и конструкционных сталей после воздействия лазерного излучения обусловлена уникальной морфологией сосуществующих фаз и особым способом структурной организации, в частности, повышенной плотностью дефектов кристаллического строения, дисперсностью блоков, концентрационной неоднородностью и тд Это обеспечивает аномально высокую твердость обработанных поверхностей (10-12,5 ГПа), а также оказывает положительное влияние на основные эксплуатационные свойства - теплостойкость, износостойкость, сопротивление процессам схватывания, коррозионную стойкость

Анализ результатов этих исследований приводит к убеждению, что проблема далеко не полностью решена в теоретическом и практическом отношениях В частности, в настоящее время отсутствуют

• надежное аппаратурное оснащение, позволяющее с высоким временным разрешением оценить уровень достигаемых температур и скоростей охлаждения при действии лазерного импульса,

• единые представления о физической природе механизмов структурной самоорганизации в поверхностных слоях сталей при экстремальном тепловом воздействии, в частности, при лазерном облучении,

• сведения о влиянии формирующихся структур на основные свойства упрочненных изделий и о возможности адаптации поверхностно-

закаленного металла к условиям трения за счет протекания гаммы химических и структурных превращений, стимулируемых энергией, поглощаемой и рассеиваемой в зоне контакта, что осложняет практическую применимость процессов упрочнения с использованием КПЗ для повышения работоспособности деталей машин, инструмента и технологической оснастки

Некоторые результаты экспериментов, обсуждаемые в литературе, противоречивы, что также свидетельствует об отсутствии единых взглядов на механизм взаимодействия лазерного излучения с веществом Значительное количество нерешенных вопросов как теоретического, так и прикладного характера создает большие трудности в освоении и промышленном внедрении технологий лазерного термоупрочнения металлообрабатывающего инструмента

На основании вышеизложенного определена цель работы, для решения которой сформулированы следующие задачи исследований

1 Теоретические и экспериментальные исследования температурных полей при импульсном лазерном нагреве и при охлаждении после прекращения действия лазерного импульса

2 Экспериментальные исследования особенностей структурной организации металлов и сплавов при экстремальном тепловом воздействии

3 Разработка принципов прогнозирования механических, технологических и эксплуатационных свойств материалов с учетом структурных особенностей процесса упрочнения при гиперскоростной лазерной обработке, зависящих от результирующего уровня возникающих в зонах обработки напряжений, то есть от соотношения процессов пластической деформации при нагреве под действием термических напряжений и процессов диссипации энергии путем динамического возврата, полигонизации и ранними стадиями рекристаллизации,

4 Изучение взаимосвязи структуры и свойств металлических материалов в зонах лазерного облучения

5 Формирование новой информационной базы, которая позволит обоснованно назначать режимы поверхностной лазерной обработки различных материалов для получения заданной структуры и необходимого уровня свойств

6 Разработка технологических принципов лазерного поверхностного упрочнения изделий различного функционального назначения из конструкционных и инструментальных сталей

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Во второй главе описаны исследованные материалы и методики проведения экспериментов

Материалами для исследований послужили стали сталь 45, У8, У10А, У12, Х12М, Х12Ф1, Р18, Р6М5, а также "модельные" материалы - медь, никель, техническое железо, стали 12Х18Н9Т и 08X13

В ходе выполнения работы был осуществлен комплекс лабораторных экспериментов по изучению природы и механизма процессов скоростной лазерной обработки (ЛО) металлов и сплавов

Импульсное лазерное облучение проводились на технологических установках "Квант-16" и "ГОС-ЗОМ" Изменение энергии излучения (10-30 Дж), степени дефокусировки луча (3-6 мм), длительности излучения (1-6) 10"3 с позволили варьировать плотность мощности излучения в широких пределах Идентификацию фазового состава и изучение структуры материалов после лазерной обработки проводили несколькими методами, сочетание которых определялось задачами исследований и методическими возможностями металлографическим, мультифрактальным, электронномикроско-пическим, рентгеноструктурным, исследованием зон ЛО с использованием интерференционного и сканирующего туннельного микроскопов, измерением твердости и др

Основные свойства материалов определялись на стандартном оборудовании по стандартным методикам

Метрологическое обеспечение экспериментов предусматривало обязательное планирование оптимальных объемов выборки, анализ возможных источников систематических ошибок, оценку значимости различия средних значений с целью получения результатов заданной надежности и с известным доверительным интервалом

3. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В МЕТАЛЛАХ ПРИ ИХ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ С ГИПЕРВЫСОКИМИ СКОРОСТЯМИ

Третья глава посвящена исследованию теплофизических особенностей процессов и включает численное моделирование тепловых процессов, а также экспериментальное определение температуры металла в зонах лазерной обработки

Информация о тепловом состоянии материала в процессе термообработки является исходной для анализа геометрии зоны термического влияния, характера и степени завершенности фазовых превращений, напряженно-деформированного состояния, свойств упрочненной поверхности В связи с этим большое значение имеет исследование и моделирование тепловых процессов при лазерной термообработке

Современные средства ЭВМ позволяют получать объемное изображение распределения тепловых полей - термограмму, однако с её помощью не представляется возможным точно определить значения температур в заданной точке Поэтому на практике рекомендуется пользоваться двухмерными графиками представления результатов Так на рисунке 1 а-в представлены результаты расчета максимальной температуры, достигаемой в процессе лазерного воздействия на различные металлы по глубине (в момент окончания длительности импульса), выполненные на ЭВМ с использованием пакета Ма№САО

т"с

тх

1500 1000 600

--- 41

5/

ГС

500

Ч!

42/

40 80 120 2,МШ

80

120 2 мш

120 2,мкм

а б в.

Рисунок 1 Расчетные зависимости изменения максимальной температуры по глубине металла а - железо, б - никель, в-медь, д,=(250-300) МВт/м2, д2=80 МВт/м2

Следует отметить, что теоретические расчеты температур при импульсном лазерном облучении, достаточные для инженерных расчетов режимов поверхностной термообработки, обладают большой погрешностью Это связано с невозможностью учета зависимости теплофизических свойств материалов от температуры Экспериментальное измерение температуры в зонах скоростной импульсной лазерной обработки затруднено небольшой глубиной обработки и высокой скоростью изменения температуры, что не позволяет использовать в качестве регистрирующего элемента ни термопары, ни другие измерительные элементы, имеющие большую инерционность В этой связи в работе применялись оптические преобразователи, действие которых основано на физическом явлении изменения цвета металла (сплава) при варьировании его температуры

На кафедре "ФиПМ" ДГТУ создано оригинальное устройство для экспериментального определения температуры поверхности металлических материалов в процессе импульсного лазерного воздействия путем регистрации вторичного излучения, испускаемого нагретым объектом Все составляющие измерительного комплекса имеют постоянные времени значительно меньшие, чем длительность действия лазерного импульса (^10"3 с), что позволяет регистрировать описываемый высокоскоростной процесс На разработанное устройство получен патент на полезную модель (Пустовойт В Н, Бровер А В,

О О 001 0 002 0 003 0 004 i

Рисунок 2 Зависимость температуры поверхности стали У8 от времени при облучении с плотностью мощности 1, 3 -120 МВт/м2, 2,4 -200 МВт/м2,

Э - эксперимент, Р - расчет

Дьяченко Л Д Устройство для измерения температуры поверхности металла при воздействии концентрированным потоком энергии // Пат на полезную модель 64363 №2007104064/22)

Разработанный способ бесконтактной регистрации температуры металла, изменяющейся с гипервысокой скоростью позволяет объяснить физическую природу многих процессов, протекающих а поверхностных слоях при экстремальном тепловом воздействии В том числе, экспериментально показано (рисунок 2), что на всех этапах воздействия лазерного импульса градиенты температур имеют существенно ббльшие значения, в сравнении с результатами численного моделирования На основе данных результатов объясняются некоторые эффекты структурообразования, описанные в следующих разделах настоящей работы

4 ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ

4.1 Для определения возможностей и областей применения лазерной термообработки получена надежная качественная и количественная информация об изменении структуры и свойств металлов и сплавов в упрочненных зонах, в частности рассмотрена морфология зон пятна лазерного облучения

Показано, что взаимодействие импульсного лазерного излучения с металлами сопровождается сложным комплексом структурных и фазовых превращений Облученные участки имеют гетерогенное строение и в общем случае состоят из зон, различающихся температурным интервалом образования, фазовым составом, степенью травимости и твердостью В центральной части пятна поглощается максимальное количество энергии, достигается максимальная температура нагрева, формируется зона лазерной закалки из жидкого состояния На периферии пятна располагается зона лазерной закалки из твердого состояния

4 2 Рассмотрены особенности строения зоны лазерной закалки из жидкого состояния, связанные с неоднородностью распределения плотности мощности лазерного излучения по пятну, с температурным и концен-

трационными градиентами, приводящими к изменению сил поверхностного натяжения и вызывающими образование в поверхностных оплавленных слоях вихревых структур. Возникающий рельеф поверхности в центральной части пятна отчетливо фиксируется при исследовании облученной поверхности с использованием микроинтерференционного микроскопа МИИ-4М (рисунок 3,а).

Значительные термические напряжения, возникающие в тонких поверхностных слоях материалов в результате локальных тепловых вспышек лазерного излучения, приводят к высокотемпературной пластической деформации микрообъемов металла. Эти процессы приводят к появлению конвективных и аномальных диффузионных потоков, обеспечивая диспергирование растущих кристаллов. Конвективное течение является ответственным также за дисперсию в объеме ванны богатых растворенными элементами участков расплава.

а. М00 б. х20000

Рисунок 3 Строение оплавленной зоны: а - рельеф поверхности на никеле, наблюдаемый в интерференционном микроскопе; б - изображение структуры технического железа, полученное на сканирующем туннельном микроскопе

Дендритные кристаллы различной формы, растущие в жидкой фазе, во многом определяют показатели качества поверхности после лазерной обработки, поэтому являются одним из объектов исследования при структу-рообразовании различных материалов под воздействием КПЗ.

Установлено, что скорость охлаждения после лазерного воздействия в центральной зоне пятна для различных материалов составляет около 10510® К/с. При таких скоростях охлаждения растут столбчатые кристаллы, совершенно лишенные боковых ответвлений или поверхностные дендриты в виде сферолитов. Исследования на туннельном сканирующем микроскопе выявили на различных материалах (техническое железо, стали 45 и Х12М) ультрадисперсную ячеистую и дендрито-ячеистую структуру в форме сферолитов размером 100-300 нм (рисунок 3,6).

Малый размер кристаллитов оплавленного металла приводит к тому, что значительную долю материала 50%) занимают межкристаллитные границы, что коренным образом меняет механизмы, ответственные за формирование макроскопических характеристик лазерно-оплавпеннога металла

Рентгеноструктурный анализ облученных зон показал, что одной из особенностей тонкой структуры лазерно-закаленного из жидкого состояния металла являются текстурные эффекты, которые проявляются на рентгенограммах в аномальном соотношении интенсивностей рефлексов аустенита в сталях У10А, Х12М и мартенсита в сталях Р6М5, Р18 Это связано с направленной кристаллизацией тонкого слоя жидкого металла на твердой подложке и приводит к образованию смешанной аксиальной кристаллографической текстуры кристаллизации, оказывающей влияние на основные технологические свойства облученных материалов в определенных условиях эксплуатации

4 3 Рассмотрена роль массопереноса в создании структурной картины при импульсной лазерной обработке с подплавлением поверхности

Для решения задач по выяснению скорости массопереноса и степени ускорения диффузии легирующих элементов в поверхностных слоях металлов при скоростной лазерной обработке был проведен спектральный анализ образцов из стали 45 с нанесенными на поверхность покрытиями, содержащими углерод, хром, ванадий, после лазерного оплавления Установлено, что теоретически рассчитанная глубина проникновения атомов легирующих элементов из покрытия в поверхностные слои металла намного меньше глубины их реального проникновения

Од ним из решающих факторов ускорения массопереноса при импульсном лазерном облучении, по-видимому, является, градиент напряжений (фазовых, механических и др ), также следует учитывать термодиффузию элементов в глубь стальных образцов, вызванную градиентом температур (термодиффузия Соре) Ускоренный перенос атомов вглубь металла при лазерной обработке поверхности связан с процессами термопластического течения материала Количество переносимого вещества определяется числом генерируемых дислокаций, а скорость переноса ограничена скоростью их перемещения

Сделан вывод, что аномальный ускоренный массоперенос в сталях и сплавах при скоростном лазерном нагреве носит кооперативный характер и в первую очередь связан с выраженным влиянием процессов локальной микропластической деформации Коэффициенты массопереноса в оплавленном металле превышают классические коэффициенты диффузии и являются комплексной величиной, зависящей от уровня и неоднородности достигае-

мых температуры, напряжений, химических потенциалов и др факторов Параметры массопереноса при лазерном воздействии зависят от масштаба возникающих напряжений, релаксация которых сопровождается протеканием локальной пластической деформации, образованием повышенного числа линейных дефектов и последующего захвата и переноса атомов углерода по бездиффузионному механизму «дрейфа» вглубь облученного материала

5 МЕТАЛЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ ЛОКАЛЬНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ЗОНАХ ЛАЗЕРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

5.1 Проведены экспериментальные исследования эффектов локальной пластической деформации и рассмотрены возможные схемы локального пластического течения в зонах лазерной закалки из твердого состояния

Структурные изменения в зонах лазерного воздействия происходят в условиях высоких температур и мощного теплового удара При локальном поверхностном нагреве без оплавления поверхности сталей происходит высокоскоростная фазовая перекристаллизация и закалка тонкого наружного слоя металла с образованием термических (от неравномерного нагрева) и структурных (в результате фазовых превращений) напряжений Под действием этих напряжений микрообъемы нагреваемой металлической поверхности, окруженные холодными стенками ненагретого металла, испытывают локальное пластическое деформирование, а также синхронно протекающие процессы динамического возврата, полигонизации и рекристаллизации, полнота протекания которых определяется скоростью нагрева и охлаждения В эти процессы определенный вклад может вносить анизотропия коэффициента теплового расширения соседних зерен, разориентированных на большие углы, а также разница в объемном расширении фаз в многофазных материалах (например, в стали)

При экспериментальных исследованиях «модельных» сплавов удалось доказать наличие следов пластической деформации в процессе облучения и определить её значение Поскольку фазовые превращения способны искажать структурную картину в связи с изменением плотности дефектов кристаллического строения, исследования проводились на образцах из сплавов, не претерпевающих таких превращений В качестве модельных выбраны медные и никелевые однофазные сплавы, техническое железо, содержащее незначительное количество углерода, а также стали феррит-ного (08X13) и аустенитного (12Х18Н9Т) классов Образцы имели полированную поверхность для изучения следов скольжения и поворота зерен Облучение проводилось на лазерах ГОС-ЗОМ и Квант 16 с плотностью

*500

Рисунок 4 Следы ЛПД в зоне ТС после лазерного облучения: следы скольжения на медном сплаве (а) и стали 08X13 в темном поле микроскопа (б)

мощности излучения 50-150 МВт/м2, длительностью импульса 10"2 - 10"3с с различной степенью расфокусировки лазерного луча. Установлено, что величина пластической деформации еск при импульсной обработке составляет от 5 до 9%. Указанная степень деформации характеризуется множественными следами скольжения, во всех выходящих на поверхность зернах видны полосы поперечного скольжения (рисунок 4), что примерно соответствует II стадии упрочнения.

Металлические образцы подвергались также рентгеноструктурному

анализу до- и после лазерной поверхностной обработки. На рентгенограмме образцов из никеля (рисунок 5) наблюдается размытие рефлексов и смещение их к меньшим углам отражения, что свидетельствует об искажениях решетки никеля, появлении большего количества дефектов кристаллического строения.

Данный результат также подтверждает протекание локальной пластической де-Рисунок 5 Фрагменты рентгенограмм образцов формации при поверхностной из никеля в исходном состоянии (1) и после обрабоТке металлических лазерной обработки (2)

материалов концентрированными потоками энергии. Анализируя дислокационную структуру зоны лазерной обработки (ТС), можно выделить сле-

129 127 SO 67 6S 6i 59 57 55 53 Угол отражения 30, гряд.

дующие основные механизмы торможения движущихся дислокаций, которые ответственны за упрочнение материала:

• упругое взаимодействие дислокаций в параллельных плоскостях скольжения внутри полос скольжения и в пересекающихся плоскостях скольжения и др.

• взаимодействие с неподвижными локальными препятствиями -границами зерен, включениями упрочняющих фаз и отдельными примесными атомами;

• скопления дефектов кристаллического строения в зонах ЛО организуют сложные дислокационные ансамбли, ответственные за сложное напряженное состояние, что сопровождается релаксационными процессами уменьшения локализованных напряжений и массопереносом.

5.2 По результатам исследований облученных зон на металлах с использованием интерференционного микроскопа и учитывая рельеф, формирующийся на поверхности в результате пластической деформации, в работе произведён расчет напряжений сдвига. Установлено, что в большой полосе скольжения число дислокаций, скапливающихся у препятствий, достигает высоких значений порядка п « 1000. Вокруг таких горизонтальных дислокационных групп будет действовать поле высоких напряжений, направленное против источника и вызывающее торможение в соседних плоскостях скольжения. Из-за больших скоплений дислокаций возможен изгиб и поворот полос скольжения, что также приводит к торможению движущихся дислокаций и к упрочнению. Как видно на рисунке 6, на линиях скольжения появляется смещение интерференционных линий. Как было отмечено, линия скольжения представляет собой ступеньку на металлической поверхности, которая возникает в результате смещения одной части материала относительно другой (рисунок 7,а). В общем случае плоскость, по которой происходит это смещение (активная плоскость скольжения), находится под некоторым углом а к поверхности шлифа (рисунок 7,6).

Предшествующая скольжению упругая деформация в кристалле равна т/в, где т- приложенное напряжение, в - модуль сдвига. Когда начина-

Рисунок 6 Линии скольжения на меди после лазерной обработки в интерференционном микроскопе

плоскость скольжения

а б

Рисунок 7. Схема смещения интерференционных полос на следах скольжения (а) и схема ступеньки сдвига (б)

ется скольжение, упругая деформация релаксирует в области диаметром 21, где - длина линий скольжения дислокаций.

Используя средние значения смещений интерференционных полос Д и расстояний между полосами /, из выражения (1) вычислялась высота ступеньки (/?), образующейся на линии скольжения:

, Л Д

1г =----

2 /

(1)

где 1 - длина волны монохроматического излучения; А - смещение;

расстояние между полосами интерференции. Предполагая полный переход суммарной упругой деформации (21, т/в) в пластическую, равную при распространении п дислокационных петель величине пЬ, получим

пЬ = 2Ыв, (2)

где Ь - вектор Бюргерса.

Таким образом, используя выражения (1) и (2), расчетным путем можно определить напряжение сдвига (г), вызывающее пластическую деформацию (принимая /_=10"2 мм). Результаты вычислений приведены в таблице 1 Таблица 1, Значения напряжения сдвига в зоне лазерного воздействия в сравнении с условным пределом текучести материалов

Материал т , МПа Сад, МПа

Медь 313,9..320,9 40...80

Никель 311,7... 327,9 120...160

Техническое железо 320,6...519,6 100... 120

Сталь 08X13 309,2... 547,6 200... 205

Сталь12Х18Н9Т 339,9...485,3 195..205

5.3 Экспериментально получены количественные характеристики тонкой структуры металлических материалов в зонах лазерной обработки. В

частности, с использованием теоретических методов расчета, методов количественной металлографии по следам выхода дислокаций на поверхность облученного образца, по результатам рентгеноструктурного анализа, используя значения физического уширения дифракционных рефлексов основных фаз металла установлено, что плотность дислокаций в зонах лазерного воздействия составляет 4,5х1012см"2, что на 4-5 порядков выше по сравнению с исходным состоянием.

Расчетным путем установлено также, что относительная скорость деформации е при импульсной лазерной обработке достигает значений Зх104 -1,5*10® с"1.

5.4 Проведена количественная оценка параметров структуры и прогнозирование свойств облученных сталей и сплавов методом мультифрак-тальной параметризации. Это позволило обоснованно назначать режимы лазерной обработки с целью получения заданных условиями эксплуатации свойств поверхностных слоев изделий различного функционального назначения: устойчивых к нагрузкам или адаптируемых к ним.

, А

Де град ацт

Ад= пти зное гьзо

№

'"зо

-0,6

-0,4 б

-0,2

ДЧ

Рисунок 8 Фрактальные карты адаптации для сталей в зависимости от состояния исходной структуры до ЛО: а)- сталь 45, б) - сталь У10. в -исходная отожженная структура; ■ -исходная деформированная структура; д-исходная структура после объемной закалки.

Установлено, что адаптивность достигает высоких значений, если сталь до лазерной обработки подвергалась объемной закалке. Причем, на стали 45 адаптивность зоны твердого состояния (ТС) выше, чем зоны оплавления (30), а на стали УЮ- наоборот, адаптивность выше в 30.

Показано, что максимальные значения микротвердости и минимальные значения адаптивности для стали У10 после лазерной обработки наблюдаются в зоне ТС с исходной мартенситной структурой. На основании проведенных исследований построены фрактальные карты адаптации облученного металла в зависимости от его структурного состояния (рисунок 8), которые позволили определить, что после лазерной закалки лучшими адап-

тивными свойствами обладают стали со структурой, обладающей повышенной плотностью дефектов кристаллического строения.

5.5 В разделе проведен анализ возможности релаксации напряжений в зонах высокоскоростной лазерной обработки посредством динамической полигонизации и начальных стадий рекристаллизации.

Тщательные металлографические исследования позволили экспериментально наблюдать фрагментацию зерен, образование достаточно искаженных и несовершенных субзерен в локальных объемах зон лазерной обработки, что оказывает влияние на механические свойства облученных металлов.

Рисунок 9. Появление субструктуры при динамической полигонизации: а) на стали 12Х18Н9Т; б) на меди

В частности, установлено, что в результате скоростной ЛО в облученных зонах создается развитая полигонизованная структура (рисунок 9) с полупроницаемыми барьерами для движущихся дислокаций. Это создает условия для релаксации "пиковых" напряжений, возникающих при эксплуатации изделий не путем зарождения и распространения трещины, а путем эстафетной их передачи в соседние микрообъемы. В результате появляется возможность формировать в поверхностных слоях металлических материалов композицию с оптимальным сочетанием прочности, пластичности и сопротивления хрупкому разрушению. Для сплавов с полиморфным превращением ситуация усугубляется появлением фазового наклепа. Некоторые из описываемых выше структурных изменений после лазерного нагрева отчетливо выявляются в поверхностных слоях образцов из сплавов на основе железа.

При сканировании выбранного участка (311x311 нм) зоны термического влияния образца из технического железа, установлена фрагментация субзерен размером =500-^600нм, появление рельефа и частичный поворот субзерен. Указанное, подтверждает наноструктурный эффект строения этой зоны, и может свидетельствовать о том, что полигонизация в зоне границы

жидкого/твердого состояния облученного пятна технического железа находится на завершающей стадии, а также может служить объяснением нетривиальных механических свойств облученных материалов

6 СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ

В главе рассмотрены условия образования аустенита и особенности его строения в условиях высоких скоростей лазерной обработки материалов

6 1 Приведено термодинамическое обоснование возникновения мета-стабильного аустенита с нетривиальными свойствами в поверхностных слоях сталей при обработке лазерным излучением

Получена зависимость для критического размера зародыша при зарождении на дислокациях, который будет меньше, чем в случае гомогенного образования из-за увеличения плотности дефектов кристаллического строения в металле после скоростной лазерной закалки

'-„ш, =0,5г0'[1-^Ьа] О)

где гтр1)д - критический размер зародыша при его возникновении на дислокации,

,'о - критический размер зародыша при гомогенном зарождении,

2А&Р,

« =-Г"

тг

Установлено, что при скоростном лазерном нагреве происходит локализация а—>у превращения, причиной чего являются дефекты кристаллического строения, инициирующие его в условиях скоростного нагрева на начальных стадиях и приводящие к понижению температуры фазового перехода в местах их повышенной плотности В образующейся при скоростном нагреве у-фазе увеличивается количество дефектов кристаллического строения, что вызвано, по-видимому, релаксацией напряжений, имеющих разное происхождение, Это - термоупругие напряжения, вызванные неравномерным нагревом смежных локальных объемов материала, напряжения на границах зерен, блоков мозаики и других структурных элементов, а также другие виды напряжений, вызванные неравновесными процессами в материале при интенсивных внешних воздействиях Следует учитывать и наследственную передачу дефектов от а-фазы При этом проявляется тен-

денция к неравномерному распределению дислокаций, которое создает предпосылки для формирования ячеистой структуры Увеличение скорости образования центров новой фазы под действием скоростного лазерного воздействия имеет следствием увеличение объемной доли новой фазы и объемной скорости превращения

Таким образом, применение столь мощного воздействия на механизм и кинетику превращений, каким является скорость нагрева, позволило установить ряд важных для теории фазовых переходов в неравновесных условиях закономерностей Повышенная плотность дислокаций, наследуемых, образующихся и перемещающихся при скоростной лазерной обработке материалов, изменяет поля упругих сил в процессе фазовых превращений, что приводит к снижению энергии образования зародышевого центра критического размера По этой же причине увеличивается и скорость зарождения центров

6 2В разделе рассмотрено влияние исходной структуры сталей на эффект лазерного упрочнения В результате металлографического анализа установлено, что при высокоскоростной лазерной обработке в поверхностных слоях материалов формируется слоистая структура с различной степенью развития фазовых, диффузионных и структурных превращений Причем, основные особенности превращений при лазерной обработке связаны со стадией нагрева, а быстрое охлаждение фиксирует структуру в областях с различной степенью аустенитизации Поэтому послойный анализ облученных зон позволяет установить последовательность структурных состояний в процессе скоростного лазерного нагрева, то есть проследить кинетику процесса на различных этапах фазовой перекристаллизации

Анализ процессов фазовых превращений в условиях скоростного лазерного нагрева проводился на образцах технического железа со структурой относительно гомогенного феррита, доэвтектоидной стали 45 со структурой феррита и перлита и на образцах эвтектоидной стали У8 со структурой пластинчатого перлита

Установлено, что зона воздействия излучения лазера на техническом железе состоит из двух слоев (рисунок 10) верхней зоны, имеющей игольчатое, мартенситоподобное строение и зоны с ультрадисперсной (полиго-низованной) структурой

<110)Кс„

Ш Измельчение зерна связано, видимо, с фазовой «.....>у перекристаллизацией и высокотемпературной локальной пластической деформацией под действием термических напряжений, то есть с динамической полигониза-V < / л - циеи.

I: ; Г ' \ Рентгеноструктурный анализ об' ?лг/ _Л * Л ■ лученного технического железа, ре-

Рисунок 10 Строение зоны лазерного зультаты которого приведены на ри-воздействия на техническом железе сунке 11 _ показаЛ1 цто в ходе

лазерного оплавления наблюдаются рефлексы феррита (малоуглеродистого

мартенсита) и аустенита (кривая 3), в зоне скоростной закалки из твердого состояния (кри вая 2) фиксируются рефлексы а-железа, имеющие большую ширину по сравнению как с исходным состоянием, так и с зоной оплавления. Основными причинами ушире-ния линий а-железа на рентгенограммах и повышения твердости в зоне лазерной закалки из твердого состояния следует считать формирование полиго-низованной структуры и высокой плотности дислокаций в кристаллах а-фазы. Рентгеноструктурный анализ облученной стали 45 показал, что её фазо-

Ш 111 87 85 83 65 63 (51 59 57 55 Viwi отражения. ?!->, град.

Рисунок 11. Фрагменты рентгенограммы технического железа: 1 - в исходном состоянии; 2-лазерная закалка без оплавления; 3-лазерная закалка с оплавлением поверхности

вый состав аналогичен фазовому составу технического железа с той разницей, что наблюдается уширение и смещение к меньшим углам отражения рефлексов а-железа и увеличение количества текстурированного остаточного аустенита. Эти результаты свидетельствуют об искаженности решеток а-и у-фаз, возникающей вследствие перечисленных выше причин, а также, видимо, из-за возможности образования в аустените при высокотемператур-

ной лазерной обработке зон измененной концентрации атомов углерода на дефектах упаковки (атмосфер Сузуки)

Сделан вывод о решающей роли в формировании структуры и свойств аустенита, полученного в процессе скоростного лазерного нагрева, деформационных дефектов упаковки, высокая плотность которых приводит к устойчивости аустенита к полиморфному сдвиговому превращению в процессе скоростного охлаждения При проведении рентгеноструктурных и металлографических исследований установлено также, что сформировавшиеся при скоростной лазерной обработке структуры с г ц к решеткой имеют высокую способность к наклепу под действием объемной деформации

Этот результат имеет большое значение для проявления эффекта приспосабливаемое™ металла после лазерной обработки к условиям эксплуатации и для определения режимов облучения изделий различного функционального назначения

Установлено, что при быстром лазерном нагреве углеродистой стали с перлитной структурой аустенит может образовываться практически без участия карбидной фазы Пластины цементита вблизи исходной структуры сохраняют свои размеры и форму, однако они могут слегка разворачиваться относительно исходной ориентировки в результате протекания в фер-ритных прослойках а-»у->а превращения, фазовый наклеп от которого наряду с высокотемпературной локальной пластической деформацией приводит к дроблению ферритной составляющей перлита на субзерна

В результате проведённых исследований сделан вывод о том, что в условиях скоростной лазерной термообработки, практически при отсутствии диффузионных процессов, оптимальной следует считать исходную структуру, способную превращаться в высокотемпературную фазу по сдвиговому механизму с наследственной передачей ей углерода и дефектов кристаллического строения определенной концентрации Образующаяся в этих условиях у-фаза за счет фазового наклепа при а-»у превращении, а также за счет динамических эффектов в облученной зоне приобретает мелкозернистое строение с малоугловыми границами, высокой плотностью деформационных дефектов упаковки, высокой плотностью дислокаций Перечисленные процессы обеспечивают диспергирование продуктов сдвигового превращения аустенита при последующем скоростном охлаждении, а также являются одной из причин сохранения некоторого количества устойчивого к превращению остаточного аустенита

Этим требованиям в наибольшей степени отвечает исходная структура мартенсита отпуска По сравнению с исходной структурой мартенсит закалки мартенсит отпуска имеет меньший уровень опасных структурных на-

пряжений, а также содержит в структуре дисперсные карбиды, выполняющие роль релаксаторов напряжений и позволяющие обеспечить относительно равномерное распределение напряжений по облученной зоне Кроме того, включения карбидов, локализуя процессы деформации, развивающиеся в матрице при лазерной обработке, оказывают большое влияние на формирование ее структуры Включения вызывают локализацию пластических сдвигов и поворотов, а также тормозят своей поверхностью развитие этих процессов, как барьеры на пути движения дислокаций Кроме того, они уменьшают длину свободного пробега дислокаций, препятствуют образованию скоплений дислокаций одного знака, способствуют локальному разогреву матрицы, что вызывает процессы динамической полигонизации в матрице вблизи включений Этот факт подтвержден исследованиями, описанными ранее и заключающимися в появлении вокруг включений в зонах лазерной обработки малоугловых границ, то есть в появлении признаков динамической полигонизации

6 3 Для выявления особенностей у->а превращения в процессе скоростного лазерного термоупрочнения эксперименты по лазерному облучению исходных закаленных и отпущенных сталей проводились с использованием стали 45 и У8, прошедших стандартную объемную термическую обработку В результате сделан вывод о том, что в условиях ускоренного нагрева массоперенос углерода и легирующих элементов, необходимый для полного растворения карбидов, ограничен Это приводит к неоднородности структур лазерной закалки по составу Дополнительным подтверждением возникающей концентрационной неоднородности являются результаты рентгеноструктурных исследований облученных сталей зафиксирована большая ширина линий а- и у-фаз Одновременно наблюдается увеличение количества остаточного аустенита И, наконец, вместо ожидаемого дублета линий (200) и (211) а-фазы регистрируется единая широкая линия Это означает, что образующийся мартенсит неоднороден не только по своей концентрации, но и по кристаллографической структуре

Отмечено, что ответ на вопрос о целесообразности достижения гомогенного состояния у-фазы при нагреве под закалку не является однозначным, поскольку существование химической и структурной неоднородности в метастабильном аустените после скоростного нагрева имеет большое значение для интенсификации процессов при последующем отпуске Кроме того, химическая неоднородность аустенита при мартенситном превращении играет положительную роль, связанную с дополнительным диспергирова-

нием мартенситной структуры за счет ограничения размера мартенситных игл зонами концентрационной неоднородности

6.4. При анализе причин увеличения количества у-фазы при лазерном облучении закаленных сталей и её влияния на основные эксплуатационные характеристики выявлено, что при малых плотностях мощности излучения (д<100 МВт/м2) и, следовательно, относительно низких температурах нагрева к увеличению количества у-фазы приводит повышенная плотность дислокаций, возникающая в аустените как результат локальной пластической деформации, а также наследуемая при а->у превращении от исходной до нагрева а-фазы Из-за кратковременности процесса облучения дефектность аустенита сохраняется до начала у-их превращения и тормозит его

При больших плотностях мощности излучения и нагреве в верхнюю часть твердофазной области (области подплавления) к увеличению объема остаточного аустенита приводит более полное растворение карбидов, чем это имеет место при печной закалке по стандартным режимам При этом происходит насыщение аустенита углеродом и легирующими элементами и понижение мартенситной точки

6 5 Рассмотрены концептуальные положения проблемы прочности сталей и сплавов после лазерной обработки, на основании чего сделан вывод, что наиболее удачным решением проблемы получения на поверхности металлических материалов структур с наилучшим сочетанием прочности и вязкости является проведение лазерной закалки

Высокотемпературная локальная пластическая деформация аустенита, протекающая в процессе скоростного лазерного нагрева, не только повышает общую плотность дислокаций в аустените, но и формирует упорядоченную дислокационную субструктуру, имеющую вид фрагментов, разделенных дислокационными стенками, что связано с протеканием динамической полигонизации При этом создается разветвленная сеть субграниц, обусловливающих особенности формирования мартенсита при лазерной закалке

Определяющим фактором в упрочнении металла в результате лазерной обработки является наследственная передача дислокационной структуры деформированного аустенита образующемуся при закалке мартенситу Это приводит к фрагментации кристаллов мартенсита и увеличению угла разориентировки между фрагментами

Таким образом, при лазерной обработке происходит формирование специфической тонкой структуры Образовавшиеся дополнительные субграницы между фрагментами мартенситных кристаллов являются эффективными и одновременно «полупроницаемыми» стопорами для дислокаций

Этим обеспечивается сочетание высокой прочности и достаточной пластичности

Подтверждением являются результаты экспериментальных исследований влияния лазерно-закаленного слоя на сопротивление металлов хрупкому разрушению Показано, что отрицательное влияние лазерной обработки на прочность материалов можно уменьшить оптимизацией режимов облучения, вариацией коэффициентов перекрытия пятен, применением отпуска лазерно-закаленного слоя при температурах 100-500°С, выбором для упрочнения тех участков рабочей части изделий, которые в процессе эксплуатации подвергаются действию сжимающих нагрузок

Экспериментальное определение износостойкости лазерно-облученных сталей и сплавов показало возможность повышения эффективности упрочняющих технологий путем использования внутренних резервов структурной приспосабливаемое™ поверхностных слоев материалов к условиям эксплуатации Установлено, что для получения минимального коэффициента трения в трибосопряжениях в зависимости от величины и схемы действия внешних нагрузок необходимо, чтобы облученный материал либо испытывал структурные превращения, приводящие к повышению плотности дислокаций на рабочих поверхностях, то есть обладал адаптивностью, либо сохранял исходную плотность дислокаций, то есть имел стабильную структуру

Отмечено, что особенности тонкого строения мартенсита после лазерной обработки влияют и на его распад при последующем отпуске В результате обеспечивается более высокая дисперсность карбидов в облученных сталях, что приводит к упрочнению металла высокодисперсными частицами

6.6. Результаты исследований устойчивости структур лазерной закалки к разупрочнению при нагреве представлены графически на рисунке 12 Установлено, что для достижения максимального упрочнения (10-11,5 ГПа), обработку необходимо проводить с плотностью мощности излучения до ЮОМВт/м2, которая обеспечивает сохранение в объеме облученных зон некоторого количества исходных карбидов в нерастворенном состоянии (30% в случае лазерной закалки инструментальных сталей) Немаловажное значение имеет и тот факт, что при лазерной закалке достигается плотность дефектов кристаллического строения а- и у-фаз, превышающая аналогичную для объемной термообработки в 10 раз Дальнейшее растворение карбидов за счет повышения энергетических параметров лазерного излучения и начальных стадий оплавления - поверхности сопровождается уменьшением объема зон с высокой концентрацией углерода и легирующих элементов за счет большей эффективности диффузионных процессов, а также

То1п,°С

Рисунок 12. Изолинии твердости лазерно-упрочненного слоя на стали У10А при различных температурах отпуска и плотности дислокаций в мартенсите.

увеличением количества остаточного аустенита, что приводит к некоторому уменьшению твердости обработанного металла (8-10 ГПа).

Таким образом, изменяя режимы лазерной обработки, можно создавать разную степень упрочнения основных фаз сталей, а также достигать равномерного выделения карбидных или интерметал-лидных частиц при допол-

нительном нагреве в результате отпуска, либо за счет тепла, выделяющегося на рабочих кромках и поверхностях при трении в процессе эксплуатации изделий. Пользуясь экспериментально полученными зависимостями (рисунок 12), можно с достаточной вероятностью прогнозировать теплостойкость лазерно-закаленных слоев на сталях и сплавах, полученных при различной плотности мощности излучения.

Установлены основные причины повышения эксплуатационных свойств, это: особенности структурного состояния облученного металла, а именно, фрагментированное строение основных фаз; незавершенность го-могенизационных процессов при частичном или полном растворении избыточных фаз; повышенная плотность дефектов кристаллического строения а- и у-фаз, способствующая множественному выделению при отпуске дисперсных карбидов цементитного типа или интерметаллидов, упрочняющих облученный металл.

Особенности тонкого строения мартенсита лазерной закалки (его фрагментированность) оказывают влияние на распад при последующем нагреве (при отпуске). Установлено, что металл после лазерной закалки обладает на 200°С теплостойкостью выше, чем при объемной закалке.

Наблюдаемые в закаленных с использованием лазерного излучения сталях текстурные эффекты в аустените или мартенсите сохраняются при нагреве до высоких температур отпуска и приводят к анизотропии свойств, в частности, к значительному снижению коэффициента трения.

Таким образом, создана новая информационная база, которая позволяет обоснованно назначать режимы поверхностной лазерной обработки

различных материалов для получения заданной структуры и необходимого уровня свойств

7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.

Показано, что применение технологий лазерной обработки существенно улучшает основные свойства сталей и сплавов, что позволяет повысить ресурс работы упрочненных изделий в 3-5 раз, сократить затраты на их производство и приобретение, увеличить производительность труда, уменьшить расход сталей

На основе проведенных исследований разработаны технологические принципы лазерного поверхностного упрочнения деталей машин и металлообрабатывающего инструмента, включающие технологические инструкции для проведения процесса, содержащие рекомендации по выбору оптимальных режимов и схем поверхностной обработки различных изделий, по контролю качества лазерного упрочнения

Разработанные технологические процессы лазерного упрочнения и легирования металлообрабатывающего инструмента освоены и внедрены на предприятиях различных отраслей машиностроения, в том числе на ОАО «Тагмет», г Таганрог, ООО «Металлообработка», г Ростов-на-Дону

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итог научных разработок, изложенных в диссертации и соответствующих целям и задачам исследований, можно сформулировать в виде следующих общих выводов

1. Выполнен теоретический анализ топографии температурного поля для квазистационарного режима генерации импульсного лазера при нагревании и при охлаждении после прекращения действия лазерного импульса Сравнение теоретических результатов с результатами экспериментального определения температурного режима импульсного лазерного облучения позволило установить, что реально достижимые градиенты температур между нагретой и холодной зонами материала, так же как и скорости охлаждения, превышают расчетные значения на 15-20%

2 Созданы физические представления о возникновении и природе локальной пластической деформации в поверхностных слоях металлов и сплавов при гиперскоростном нагревании с использованием импульсного лазерного излучения, вызываемой появлением внутренних напряжений на когерентной границе при полиморфном превращении и термострикционных

напряжений из-за огромного температурного градиента в облучаемом металле Показана особая роль этих деформаций в протекании фазовых переходов, явлениях массопереноса и структурообразования, которая заключается в приросте свободной энергии фаз, получении выигрыша в движущей силе фазовых переходов, что реализуется в увеличении темпа превращений

3 Металлофизическими методами изучены структурные проявления эффекта релаксации напряжений в процессе высокотемпературной лазерной обработки, в частности, путем протекания динамической полигонизации и рекристаллизации, степень развития которых определяет остаточное упрочнение и конечную структуру стали

4 Получены новые научные знания о механизмах структурной самоорганизации в процессе гипернеравновесных фазовых переходов в условиях огромной стесненности во времени процесса лазерного нагрева и ограниченности протекания классических диффузионных процессов Установлено, что аномальный ускоренный локальный массоперенос в сталях и сплавах при скоростном лазерном нагреве носит кооперативный характер и в первую очередь связан с выраженным влиянием процессов локальной пластичсской деформации Параметры массопереноса при лазерном воздействии зависят от масштаба возникающих напряжений, релаксация которых сопровождается образованием повышенного количества линейных дефектов кристаллического строения, способствующих захвату и переносу атомов углерода и других элементов по механизму «дрейфа» вглубь облученного материала (термоэффект Соре)

5 Проведена количественная оценка элементов структуры в разных зонах облученного пятна, в том числе с использованием метода мультиф-рактальной параметризации Проведенный анализ обусловлен необходимостью введения количественной характеристики динамической структуры в виде фрактальной размерности структуры зон перехода и позволил выявить взаимосвязь исходной структуры металлов с динамической, эволюционирующей при лазерной воздействии структурой

6 Показано, что наиболее подготовленной к скоростной лазерной термообработке является исходная структура мартенсита отпуска В условиях импульсного лазерного облучения, практически в отсутствии диффузионных процессов мартенсит отпуска превращается в у-фазу по сдвиговому механизму с наследственной передачей ей углерода и дефектов кристаллического строения В свою очередь, образующийся при лазерном нагреве аустенит за счет фазового наклепа при#->^г превращении, а также за счет динамических эффектов в облучаемой зоне приобретает мелкозерни-

стое строение с малоугловыми границами, высокой плотностью деформационных дефектов упаковки и высокой плотностью дислокаций Перечисленные процессы обеспечивают диспергирование продуктов сдвигового у->а превращения при последующем скоростном охлаждении, а также являются одной из причин сохранения некоторого количества устойчивого к превращению остаточного аустенита

7. Определены возможности повышения конструкционной прочности а также эксплуатационных свойств материалов после импульсной лазерной обработки за счет получения фрагментированного строения мартенсита, малоугловые субграницы которого являются «полупроницаемыми» барьерами для движения дислокаций, что обеспечивает сочетание высокой прочности и достаточной пластичности облученного металла

С использованием методик математического моделирования разработаны принципы прогнозирования механических, технологических и эксплуатационных свойств материалов с учетом структурных особенностей процесса упрочнения при гиперскоростной лазерной обработке, зависящих от результирующего уровня возникающих в зонах обработки напряжений, то есть от соотношения процессов пластической деформации при нагреве под действием термических напряжений и процессов диссипации энергии путем динамического возврата, полигонизации и рекристаллизации обработки,

8 В результате теоретических и экспериментальных исследований сформирована новая информационная база, позволяющая обоснованно назначать режимы поверхностной лазерной обработки различных материалов для получения заданной структуры и необходимого уровня свойств Разработаны технологические принципы импульсного лазерного облучения изделий различного функционального назначения, включающие в себя технологические инструкции по проведению процесса и контролю качества лазерного упрочнения, практическое использование которых позволило повысить работоспособность различных изделий в 2-5 раз

Результаты работы прошли апробацию и внедрены на предприятии и в учебном процессе Экономическая эффективность от внедрения результатов работы, подтверждена актами внедрения

Основные положения диссертации опубликованы в 18 научных работах, в том числе

1 Бровер АВ, Дьяченко Л Д Упрочнение поверхности конструкционных сталей комбинированными способами, включающими нагрев концентрированными потоками энергии II Перспективные материалы -2005 - №3 С 70-74

2 Бровер Г И, Бровер А В , Дьяченко Л Д Комплекс технологических процессов лазерного и плазменного поверхностного упрочнения и микролеги-

рования металлообрабатывающего инструмента и деталей машин с целью увеличения рабочего ресурса и надежности И Современные технологии упрочнения металла и нанесения покрытий Сб тр науч -практ конф, Ростов-на-Дону, Мегацентр "Горизонт", 2005 - С 8-9

3 Бровер Г И , Варавка В Н , Бровер А В , Дьяченко Л Д Поверхностное легирование сталей и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии II Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион Технические науки - 2005- Специальный выпуск "Проблемы машиностроения" - С 88-93

4 Бровер А В , Дьяченко Л Д К вопросу о локальной пластической деформации при поверхностной обработке металлических материалов концентрированными потоками энергии II Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион Технические науки - 2005 - №4 - С 66-69

5 Бровер Г И , Бровер А В, Дьяченко Л Д Некоторые особенности структуры и свойств поверхностных слоев титана после лазерных закалки и легирования // Известия высших учебных заведений Цветная металлургия-

2005-№6-С 51-55

6 Бровер Г И , Бровер А В , Дьяченко Л Д Структура и свойства инструментальных сталей после обработки различными источниками концентрированных потоков энергии II Упрочняющие технологии и покрытия - 2005 -№12 - С27-31

7 Бровер Г И , Дьяченко Л Д Перспективы использования концентрированных потоков энергии для повышения адгезионной стойкости деталей машин и инструмента II Современные проблемы машиноведения и высоких технологий Тр Междунар науч -техн конф / ДГТУ - Ростов н/Д, 2005 -С 22-24

8 Бровер Г И , Бровер А В, Дьяченко Л Д Особенности массопереноса в сталях при лазерном воздействии // Материаловедение - 2006 - №3 - С 7-11

9 Бровер А В , Бровер Г И , Дьяченко Л Д Особенности проявления структурной наследственности в процессе скоростной лазерной обработки сталей // Вопросы материаловедения - 2006 - №3(47) - С 31-40

10 Бровер Г И , Бровер А В , Дьяченко Л Д Повышение адгезионной стойкости инструмента и оснастки с помощью лазерного излучения II СТИН -

2006-№11 - С 14-16

11 Бровер А В , Дьяченко Л Д Самоорганизация поверхностных слоев металлических материалов при обработке концентрированными потоками энергии II Упрочняющие технологии и покрытия - 2007 - №3 -С 8-14

12 Бровер Г И , Кацнельсон Е А, Дьяченко Л Д, Пахолок Т С Модифицирование поверхностного слоя сталей лазерным легированием // Упрочняющие технологии и покрытия - 2007 - №3 -С 26-32

13 Бровер АВ, Бровер ГИ, Дьяченко ЛД Повышение эксплуатационных характеристик химических покрытий на сталях лазерной термообработкой // Упрочняющие технологии и покрытия - 2007 - №5 -С 6-9

14 Бровер А В , Дьяченко Л Д, Магомедов М Г Технология бесконтактной регистрации температуры поверхности металлических материалов при лазерной обработке И Материалы и технологии XXI века Сб ст V междунар науч -техн конф - Пенза, 2007 - С 189-191

15 Пустовойт В Н , Бровер А В , Дьяченко Л Д Устройство для измерения температуры поверхности металла при воздействии концентрированным потоком энергии II Пат на полезную модель 64363 Российская Федерация МПК в01К 7/00 001К 7/04 - №2007104064/22, заявл 01 02 07, опубл

27 06 07, Бюл №18

16 Бровер А В , Бровер Г И , Дьяченко Л Д Некоторые особенности структурного состояния сталей в зонах лазерной обработки // Известия высших учебных заведений Черная металлургия - 2007 - N26 - С 37-40

17 Бровер Г И , Дьяченко Л Д, Крейнин С В Повышение эксплуатационных свойств сталей и качества химических покрытий лазерной обработкой // Материалы и технологии XXI века Сб ст V междунар науч -техн конф -СПб, 2008 - С 238-240

18 Бровер А В , Дьяченко Л Д , Крейнин С В Эффекты пазерно-акустической обработки поверхностных слоев стали // Прогрессивные технологии в современном машиностроении Сб ст IV международной науч -техн конф -Пенза, 2008 - 224 с С 7-9

В печать ОЯГОЖШ.

Объем ^ -5"усл п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3 Заказ № ^р5тиражЦена

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия 344000, г Ростов-на-Дону, пл Гагарина,!.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Современное состояние вопроса и оценка перспектив использования скоростного лазерного нагрева для целей термической обработки материалов. Постановка задачи исследования.

2. Методические основы исследований.

2.1 Методика металлографических исследований лазерно-облученного металла.

2.2 Методика рентгеноструктурных исследований металла после лазерного облучения.

2.3 Методика электронно-микроскопических исследований зон лазерной обработки.

2.4 Методика исследований зон лазерного воздействия с использованием сканирующего туннельного микроскопа.

2.5 Методика мультифрактальной параметризации структур после лазерной обработки.

2.6 Методика статистического моделирования и прогнозирования свойств лазерно-облученного металла.

2.7 Теплостойкость лазерно-упрочненного металла и методика ее определения.

2.8 Износостойкость и методы ее определения.

3. Тепло физические особенности процессов, протекающих в металлах при их поверхностной обработке с гипервысокими скоростями.

3.1 Численное моделирование тепловых процессов.

3.2 Экспериментальное определение температуры металла в зонах лазерной обработки.

4. Особенности организации структуры сталей и сплавов при импульсной лазерной обработке.

4.1 Морфология зон пятна лазерного облучения.

4.2 Строение зоны лазерной закалки из жидкого состояния.

4.3 Роль массопереноса в создании структурной картины при импульсной лазерной обработке с подплавлением поверхности.

5. Металлофизические исследования эффектов локальной пластической деформации в зонах лазерного облучения материалов.

5.1 Экспериментальные исследования эффектов локальной пластической деформации в зонах лазерной обработки.

5.2 Расчет напряжений сдвига.

5.3 Количественные характеристики тонкой структуры металлических материалов в зонах лазерной обработки.

5.4 Мультифрактальной параметризации структуры и прогнозирование свойств облученных сталей и сплавов.

5.5 Релаксация напряжений посредством полигонизации и рекристаллизации при высокоскоростных процессах лазерной обработки.

6. Структурные особенности процесса упрочнения металлических материалов при лазерной обработке.

6.1 Выявление физической природы влияния пластической деформации на процессы зарождения и роста в условиях гипернеравно-весности.

6.2 Влияние исходной структуры сталей на эффект лазерного упрочнения.

6.3 Особенности у—>а превращения в процессе скоростного лазерного термоупрочнения.

6.4 Анализ причин увеличения количества у-фазы при лазерном облучении сталей и её влияние на основные эксплуатационные характеристики.

6.5 Концептуальные положения проблемы прочности сталей и сплавов после лазерной обработки.

6.6 Устойчивость структур лазерной закалки к разупрочнению при нагреве.

7. Технологические принципы лазерного поверхностного упрочнения деталей машин и металлообрабатывающего инструмента.

7.1 Рекомендации по выполнению технологического процесса лазерного упрочиения.

7.2 Производственные испытания упрочненного металлообрабатывающего инструмента и технологической оснастки.

Интенсификация процессов металлообработки, осуществляемая в последнее время за счет широкого внедрения автоматических линий, гибких производственных систем, многооперационных станков с ЧПУ и других технических мероприятий, реализация которых требует регламентированную стойкость инструмента, вызвала необходимость разработки и промышленного освоения новых методов поверхностной упрочняющей технологии. Применение высоких технологий упрочнения существенно улучшает основные свойства инструментальных и конструкционных материалов, в частности, повышает твердость, износостойкость, теплостойкость, коррозионную стойкость, адгезионную стойкость и т.д., что приводит к повышению эксплуатационных характеристик упрочненных изделий не менее чем в 2-5 раз и позволяет сократить затраты па производство и приобретение инструмента и деталей машин, увеличить производительность труда, улучшить качество механической обработки, уменьшить расход высоколегированных сталей и т.д.

Среди большого разнообразия упрочняющих методов заметное место принадлежит импульсной лазерной обработке (закалке и легированию). Объясняется это рядом особенностей, выгодно отличающих ее от альтернативных. Во-первых, лазерный способ упрочнения является локальным, что дает возможность обрабатывать только повреждаемые в процессе эксплуатации участки и поверхности. Это в свою очередь обеспечивает экономию энергии, уменьшение деформации инструмента и деталей машин. Во-вторых, в отличие, например, от ионно-плазменного напыления и электронно-лучевой обработки, лазерная закалка осуществляется, как правило, на воздухе, то есть не требует трудоемкого вакуумирования. И, в-третьих, процесс лазерной обработки строится на базе серийно выпускаемых высокопроизводительных установок типа "Квант" ("Квант-16", "Квант-17", "Квант-18", «Кристалл», «Корунд» и др.) и легко поддается автоматизации.

В основе импульсной лазерной обработки лежит использование для нагрева материалов тепловых источников высокой энергонасыщенности, плотность мощности которых составляет сотни МВт/м2, а время действия не выходит за пределы миллисекундно-го диапазона. При этом достигаются гипервысокие (106 град/с) скорости нагревания до закритических температур при наличии значительных температурных градиентов по глубине, обеспечивающих за счет отвода тепла в "холодную" массу по механизму теплопроводности охлаждение со скоростями 104-106 град/с.

В результате специфических тепловых процессов на поверхности обрабатываемых сталей фиксируется закаленная зона, обладающая высокодисперсным кристаллическим строением, пониженной травимостью. Глубина этой зоны зависит от плотности мощности теплового источника, длительности его воздействия, теплофизических характеристик материалов и составляет 0,1-0,18 мм.

Исследования, проведенные в течение последних 40 лет ведущими учеными России: Рыкалиным Н.Н., Угловым А.А., Кришталом Н.А., Кокорой А.Н., Миркиным Л.И., Григорьянцем А.Г., Сафоновым А.Н., Зуевым И.В., Коваленко B.C., Крапошиным B.C., Счастливцевым В.М., Бровер Г.И., Пустовойтом В.Н., Кудряковым О.В. и др., позволили установить, что природа упрочнения инструментальных и конструкционных сталей после воздействия лазерного излучения обусловлена уникальной морфологией сосуществующих фаз и особым способом структурной организации, в частности, повышенной плотностью дефектов кристаллического строения, дисперсностью блоков, концентрационной неоднородностью и т.д. Это обеспечивает аномально высокую твердость обработанных поверхностен (10-12,5 ГПа), а также оказывает положительное влияние на основные эксплуатационные свойства - теплостойкость, износостойкость, сопротивление процессам схватывания, коррозионную стойкость.

Лазерная обработка конструкционных и инструментальных материалов позволяет создавать определенное структурное состояние и задавать свойства поверхностных слоев изделий, а следовательно изменять основные характеристики процесса металлообработки и управлять важнейшими выходными параметрами процесса - износом инструмента, а также качеством поверхностных слоев обрабатываемых деталей.

В настоящее время способы обработки материалов с использованием высококонцентрированных потоков энергии распространены недостаточно широко.

Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью механизмов и эффектов, сопровождающих процессы упрочнения различных материалов в условиях гипервысоких скоростей нагрева и охлаждения, что сдерживает разработку рекомендаций прикладного характера применительно к таким высоким технологиям двойного назначения, как лазерное упрочнение, являющееся приоритетным направлением развития науки и техники и входящее в перечень критических технологий федерального уровня.

В настоящей работе с научных позиций решается проблема оптимального использования высококонцентрированных потоков энергии для поверхностной обработки сталей и сплавов. В частности, рассматриваются вопросы влияния энергетических характеристик и условий обработки на эффективность упрочнения, а также изучаются особенности организации структуры различных материалов в условиях гипернеравновесных фазовых переходов с учетом локальной пластической деформации, оказывающей влияние на процессы структурообразования при гиперскоростном нагреве поверхности металлов. На базе результатов систематических экспериментальных исследований процесса лазерной термической обработки сталей и сплавов в работе созданы физические модели явлений, определяющих термодинамическую возможность и кинетику фазовых переходов в условиях гиперстеспеиности во времени.

Установлено, что процесс упрочнения материалов при гиперскоростной лазерной поверхностной обработке является многофакторпым. Эффект упрочнения достигается в результате сложных структурных изменений в процессе фазовых переходов при гиперскоростном нагревании и охлаждении металла, происходящих за миллисекундные отрезки времени, на которые накладываются процессы пластического деформирования, вызываемые появлением внутренних напряжений па когерентной границе при полиморфном превращении и термострикционных напряжений из-за огромного температурного градиента между нагретой и холодной зоной металла. Релаксация этих напряжений осуществляется по разным механизмам, в частности, за счет протекания процессов динамической полигонизации и рекристаллизации, причем степепь релаксации определяет остаточное упрочнение и конечную структуру стали.

В результате структурная организация материала во время и после действия лазерного импульса обусловлена совокупным действием нескольких физических механизмов, работающих в процессе фазовых превращений, а также с учетом микролокальной пластической деформации.

Исследование перечисленных явлений является предметом настоящей работы, определяющим механизмы структурной самоорганизации при экстремальных методах тепловой обработки.

Целью работы является получение новых научных знании об условиях получения различных вариантов структур поверхностных слоев сталей и сплавов путем обработки концентрированными потоками энергии (КПЭ), в том числе о создании микро- и субмикрокристаллической структуры; определение путей конструирования при скоростной обработке КПЭ оптимальной структуры материалов, позволяющей реализовать иерархию механизмов диссипации энергии и приводящей в процессе эксплуатации к явлению структурно-энергетической приспосабливаемости пар трения; повышение эффективности упрочняющих технологий путем целенаправленного использования внутренних резервов структурной приспосабливаемости сталей и сплавов в условиях эксплуатации.

Решение поставленных задач позволило получить материалы с заданными свойствами в условиях, далеких от равновесия, в частности при лазерной обработке. При этом за счет варьирования режимами поверхностной упрочняющей обработки появилась возможность создавать условия, обеспечивающие самооптимизацию иерархической структуры путем организации наиболее эффективного обмена энергией и веществом, как в пределах самой системы, так и с окружающей средой за счет активизации обратных связей.

В результате выполненных исследований в настоящей работе получены новые знания в области теории гипернеравновесных фазовых переходов, которые стали основой для разработки высоких технологий упрочнения с использованием экстремальных способов теплового воздействия; определены корреляционные связи механических свойств со структурным состоянием поверхностных слоев материалов, стабильных или адаптируемых к температурно-силовым условиям эксплуатации, что минимизирует износ пар трения.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

• выполнен теоретический анализ топографии температурного поля для квазистационарного режима генерации импульсного лазера при нагревании и при охлаждении после прекращения действия лазерного импульса. Получены экспериментальные результаты, позволяющие оценить уровень достигаемых температур и скоростей охлаждения за разные промежутки времени действия импульса излучения;

• созданы физические представления о возникновении и природе локальной пластической деформации в поверхностных слоях металлов и сплавов при гиперскоростном нагревании с использованием высококонцентрированных потоков энергии и особой роли этих деформаций в протекании фазовых переходов, явлениях массопереноса, структурообразования и структурной наследственности;

• получены новые научные знания о механизмах структурной самоорганизации в процессе гипернеравновесных фазовых переходов в условиях огромной стесненности во времени процесса лазерного нагрева и ограниченности протекания классических диффузионных процессов. Установлено, что согласно постулатам термодинамики необратимых процессов применительно к процессам аустенитизации целесообразно рассматривать термодиффузшо или эффект Соре;

• проведена количественная оценка элементов структуры в разных зонах облученного пятна, в том числе с использованием метода мультифрактальной параметризации;

• с использованием методик математического моделирования разработаны принципы прогнозирования механических, технологических и эксплуатационных свойств материалов с учетом структурных особенностей процесса упрочнения при гиперскоростной лазерной обработке, зависящих от результирующего уровня возникающих в зонах обработки напряжений, то есть от соотношения процессов пластической деформации при нагреве под действием термических напряжений и процессов диссипации энергии путем динамического возврата, полигонизации и рекристаллизации обработки;

• сформирована новая информационная база, позволяющая обоснованно назначать режимы поверхностной лазерной обработки различных материалов для получения заданной структуры и необходимого уровня свойств.

Разработанный в результате теоретических и экспериментальных исследований технологический процесс упрочнения изделий различного функционального назначения включает в себя технологические инструкции по проведению процесса и контролю качества лазерного упрочнения.

Таким образом, выполненная работа представляется как решение научно-технической проблемы материаловедения, имеющей важное значение для национальной экономики и заключающейся в комплексном металлофизпческом исследовании закономерностей структурообразования сталей и сплавов при лазерном воздействии, определении свойств закаленных слоев, возможностей управления процессом упрочнения и в разработке на этой основе технологических процессов упрочнения различных изделий, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 9 в изданиях, рекомендуемых ВАК к опубликованию результатов научных исследований; 5 в материалах международных научно-технических конференций; 2 учебных пособия; 1 патент на полезную модель.

Диссертационная работа изложена на 217 страницах машинописного текста и состоит из введения; 7 глав основной части; выводов; списка литературных источников из 152 наименования; приложения, содержащего акты внедрения технологического процесса лазерного упрочнения в производство и учебный процесс; копию патента на полезную модель. В тексте диссертационной работы содержится 124 рисунка и 14 таблиц.

Выход

Рисунок 3.7 Схема усиливающего звена

На модуле установлен цифровой сигнальный процессор ADSP-2185M с законченными управляющими программами для процессора, позволяющими осуществлять ввод-вывод с аналоговых каналов в самых различных режимах. Тактовая частота встроенного процессора позволяет обрабатывать результаты экспериментов без искажения временных характеристик сигнала, что является очень важным при обработке высокоскоростных аналоговых данных. Кроме того, несмотря на большие возможности модуля, в созданном устройстве используются не все его возможности, а лишь основные, что упрощает работу пользователя.

Таким образом, сигнал измеряемой величины, поступающий от датчика (через усилитель), преобразуется в аналого-цифровом преобразователе в число, вернее в двоичный код, который определяет не собственно измеряемою величину, а значение выходного сигнала датчика, функционально связанного с измеряемой величиной. Эти значения вводятся в персональный компьютер (рисунок 3.4., поз.9) в виде файла, содержащего данные о проведенной регистрации, которые могут быть представлены как в матричном, так и в графическом виде. Однако для регистрации температуры необходимо иметь не выходной сигнал датчика, а саму измеряемую величину, выраженную в физических единицах измерения, т.е. в градусах.

Свойства конкретных датчиков и характер производимых в них преобразований определяют функциональную зависимость между измеряемой величиной х и выходным сигналом датчика^ y=F(x), где F(x) - монотонная функция - статистическая характеристика датчика.

Задача заключается в определении измеряемой величины по выходному сигналу датчика у, т.е. в нахождении функции: x=F'(y)=f(y), гдр/(у) - функция, обратная статистической характеристике датчика - его градуи-ровочная характеристика.

Построение градуировочной характеристики проводилось по следующей методике:

- к поверхности никелевой пластинки способом контактной сварки приваривали горячий спай термопары платинородий-платина. Никель выбран в качестве модельного материала, поскольку имеет сходные с железо-углеродистыми сплавами теплофизи-ческие постоянные и показатели светового поглощения;

- пластинка нагревалась способом прямого подогрева путем последовательного ее включения в цепь переменного тока большой силы;

- свободные концы термопары подключали к потенциометру ПП-63 высокого класса точности, с помощью которого регистрировали напряжение на термопаре и переводили его в значения температуры по известным переводным таблицам;

- одновременно с этим на свободной части поверхности никелевой пластинки регистрировали ее световое излучение с использованием созданного комплекса (в геометрических условиях, аналогичных измерениям при лазерном облучении), сигнал вводился в ЭВМ;

- результатом явилась нелинейная зависимость уровня сигнала на выходе АЦП от напряжения на термопаре (и, следовательно, от температуры). Зависимость была аппроксимирована аналитическим выражением, которое использовали для расчета измеряемой величины. При этом значения сигнала, поступающего на вход ЭВМ, автоматически и с высокой скоростью переводились в температурные единицы.

В итоге весь массив данных, входящий в компьютер из АЦП, последовательно считывается, обрабатывается в соответствии с выведенным выражением и представляется в виде графической зависимости. На рисунке 3.8 показаны результаты экспериментальных измерений температуры при импульсном лазерном облучении стали У8 на лазерной установке ГОС-ЗОМ с различной плотностью мощности излучения в сравнении с расчетными зависимостями.

Как видно, повышение плотности мощности излучения приводит к снижению скорости охлаждения, что связано с увеличением глубины прогрева поверхностного слоя вследствие снижением теплоотвода. Результаты эксперимента коррелируют как с теоретическими представлениям, так и с расчетными зависимостями, следовательно, являются их прямым подтверждением.

Однако, зависимости, представленные на рисунке 3.8, показывают, что действительное (экспериментально установленное) время, в течение которого в поверхностном слое металла происходят структурные превращения существенно меньше расчетного значения. В результате такой временной стесненности возникают большие (в среднем в 2 раза) градиенты температуры и скорости охлаждения, которые снижают полноту протекания двухфазного распада мартенсита лазерной закалки. Кроме того, этим объясняется появление локальных напряжений и эффектов пластической деформации в микрообъемах лазерно-облученных слоев, что подробно рассмотрено в главе 4.

Следует отметить, что изменение температуры экспериментально фиксируется (рисунок 3.8) в диапазоне температур *600+1400°С. Данное ограничение связано со спектральной частотной чувствительностью фотодиода. Однако это не создает препятствий для определения градиентов температур нагрева и охлаждения. Таким образом, на данном этапе реализации способа измерения не представляется возможным определение

Рисунок 3.8 Зависимость температуры поверхности стали У8 от времени при облучении с плотностью мощности: 1,3- 120 МВт/м2, 2, 4 - 200 МВт/м2; Э - эксперимент, Р - расчет

В случае необходимости определения скоростей охлаждения поверхности металла в мартенситном интервале (ниже 400°С), полученную зависимость необходимо экстраполировать в заданную температурную область либо графически, либо математически с использованием известной формулы Вина.

Разработанный способ бесконтактной регистрации температуры металла, изменяющейся с гипервысокой скоростью позволяет объяснить физическую природу многих процессов, протекающих в поверхностных слоях при экстремальном тепловом воздействии. В том числе, экспериментально показано (см.рисунок 3.8), что на всех этапах воздействия лазерного импульса градиенты температур имеют существенно большие значения, в сравнении с результатами численного моделирования. На основе данных результатов объясняются некоторые эффекты структурообразования, описанные в следующих разделах настоящей работы.

Использование моделей расчета теплового поля и характерного размера структуры в зоне лазерного воздействия позволяют прогнозировать механические свойства конструкционных сталей в зависимости от энергетических режимов лазерной обработки и тепло-физических свойств сплава. Предложенный в работе модельный подход к прогнозированию свойств стали может использоваться в инженерных и практических целях для разработки технологий лазерного упрочнения.

4. ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ПРИ

ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ 4.1 Морфология зон пятна лазерного облучения.

Как было показано ранее, лазерная обработка материалов в целом носит локальный характер. Размеры зон импульсного лазерного воздействия составляют несколько миллиметров, (диаметр пятна - 1-5 мм), глубина зон термического влияния (-50-150 мкм) [3,4,61,62]. Температуры по пятну имеют гауссово распределение. При этом отмечается выраженная неоднородность структуры, состава и свойств облученного пятна, связанная с гипервысокими скоростями нагрева и охлаждения, а также со значительными градиентами температур и напряжений. В результате нагрева КПЭ на поверхности материалов формируется структура, особенности которой обусловлены степенью завершённости фазовых и структурных превращений при нагреве и охлаждении.

Рисунок 4,1 Морфология облученного пятна на стали У10 (в поперечном сечении): а -микроструктура с указанием основных зон; б- схема

Как видно на рисунке 4.1, в общем случае в облученном слое различимы три принципиально различных по природе фазовых превращений зоны.

Первая зона, зона оплавления (30), получена при закалке материала из жидкого состояния, В большинстве случаев она имеет дендритное строение, причём дендриты направлены в сторону теплоотвода. Карбиды при этом обычно растворяются почти полностью. После лазерной закалки сталей в интервале реально применяемых на практике режимов в зоне обработке отсутствуют кратеры, шлаковые включения, обезуглерожен-ные зоны. При лазерной закалке без оплавления первая зона- (30) отсутствует.

Вторая зона, зона закалки из твёрдого состояния (ТС), имеет пониженную трави-мость. На сталях нижняя граница этой зоны облученного пятна определяется нагревом выше точки ACh т.е. может иметь место как полная, так и неполная закалка. Между зонами 30 и ТС наблюдается переходная зона подплавления (Ж/Т) с несколько большей травимостью, чем зона ТС.

Третья зона, переходная, или зона термического влияния (ЗТВ), формируется при нагреве основного металла за счет теплоотвода от облученного пятна. Чаще всего, эта зона присутствует при лазерной обработке предварительно закаленной или отпущенной стали, имеет повышенную травимость и пониженную микротвёрдость, связанную с образованием структур отпуска - троостита или сорбита.

Поскольку результат лазерной обработки материалов (структура, свойства) зависит от соотношения объемов разных зон облученного пятна, рассмотрим подробнее условия формирования, структурные и фазовые превращения во всех зонах при ЛО разных материалов.

4.2 Строение зоны лазерной закалки из жидкого состояния.

С целью увеличения глубины зоны лазерного воздействия, при упрочняющей обработке, особенно при лазерном легировании часто используется облучение материалов с оплавлением поверхности. Высокоскоростная кристаллизация из расплава, полученного при воздействии КПЭ (лазерные, плазменные, электронные лучи), открывает новые возможности для получения качественного иного структурного состояния в сплавах по сравнению с традиционными металлургическими процессами [20-22].

При лазерной термической обработке с оплавлением поверхности конечная структура формируется на стадии охлаждения расплавленного металла. После начала действия светового луча на материал в центральной части облучаемого пятна возникает тонкий слой жидкой фазы (10-30 мкм).

Для 30 характерны дендритные формы роста кристаллов. Дендритные кристаллы различной формы, растущие в жидкой фазе, во многом определяют показатели качества поверхности после лазерной обработки, поэтому являются одним из объектов исследования при структурообразовании различных материалов под воздействием КПЭ.

Металлографически было выявлено несколько типов строения 30 (рисунок 4.2).

На микрофотографии стали Х12Ф1 (рисунок 4.2,а) в оплавленной части пятна хорошо просматривается дендритное строение, для никеля и его сплавов характерно ячеистое строение этой зоны (рисунок 4.2,6), а для стали Р6М5 (рисуиок 4.2,в), мозаичное. Возможен также и недендритный рост кристаллов в оплавленной зоне. Как видно на рисунке 4.2,г и 4.2,д в ЗО на сплавах ферритного класса возникает «игольчатая» структура. Она отмечается на техническом железе и на легированных сталях типа 08X13. Такая структура нетипична и не встречается в таких сплавах при обычных скоростях охлаждения. V fe-j тйй*

Хб00 х400 х500 х500

Д. е.

Рисунок 4.2 Строение оплавленной зоны на различных материалах (вид сверху): а) дендритное на стали Х12Ф1; б) ячеистое на никеле; в) мозаичное на стали Р6М5; г) игольчатое" на стали 08X13; д) "игольчатое" на техническом железе; е) -то же место наблюдаемое в интерференционный микроскоп.

Обращают на себя внимание также такие особенности строения оплавленной, зоны на. стали Р6М5, выявленные тепловым травлением, как зубчатость границ зерен и присутствие полос скольжения (рисунок 4.2,в). Это может быть связано с протеканием процессов, аналогичных ВТМО, т.е. динамической высокотемпературной деформации. Искривленность границ зерен в виде зубчатости, видимо,, является следствием миграции границ за счет возникающих при лазерной обработке значительных микронапряжений и пластической деформации в микрообъемах. В случае лазерного оплавления поверхности металла, то есть когда в центральной части пятна возникает слой застывшего расплава, основным источником локальной пластической деформации являются термические напряжения* при: кристаллизации, а также напряжения, возникающие на; границе зоны расплава с твердым металлом:. Дополнительный вклад в появление напряжений и формирование наблюдаемой мозаичной; структуры, состоящей из субзерен (блоков),, вносит гидродинамическое перемешивание расплава под действием термокапилярных сил, возникающих вследствие, неоднородного нагрева поверхности. В процессе исследований установлено, что в зонах лазерной закалки из жидкого состояния вследствие температурных и концентрационных градиентов возникает высокая степень неравновесности жидкошфа-зы, бифуркационная неустойчивость расплава и переход ламинарного течения жидкости к турбулентному. Возникающие при этом циркуляционные вихри распадающиеся на ряд завихрений (рисунок 4.3,а), обеспечивают на разных масштабных уровнях диссипацию энергии, аномальные потоки массопереноса и диспергирование растущих кристаллов, т.е. наноструктурные эффекты. Наиболее вероятной силой, приводящей в движение жидкость, может являться сила поверхностного натяжения;

При нагреве лазерным лучом металлической поверхности температура оказывается зависящей от координаты вдоль поверхности. В центре пятна температура нагрева максимальна; и к краю пятна она уменьшается: Поверхностное натяжение зависит от температуры поверхности и уменьшается с ростом температуры. Вследствие, этого на поверхности возникает сила, направленная от центра светового пятна к его краям. Если поверхность расплавлена, то из-за этой силы возникает движение жидкости. Сила, действующая на единицу поверхности металлического образца, уравновешивается вязкой силой трения. Таким образом на поверхности жидкости оказывается заданным ротор скорости.

На рисунке 4.3,6 смоделированы направления движения жидкости после неравномерного нагрева лазерным лучом на свободной металлической поверхности [12]. На схеме: Q , п плоскость потока падающего лазерного излучения; А и А -точки, в которых скорость течения падает до нуля; ej и е2 - оси эллиптической системы координат, используемой для моделирования течения, показанного линиями потока. Внутренние течения, возникающие в ванне расплава, могут существенно ускорить процесс перемешивания и растворения легирующих добавок в поверхностном слое металла.

Iq х500 а. б.

Рисунок 4.3 Турбулентное перемешивание расплава в 30: а) микрофотография; б) схема: позиция 1- расплав в поперечном сечении; позиция 2-течение расплава

Управляющим параметром является градиент колебательного давления на границе раздела твердая - жидкая фаза, который при достижении критического уровня становится параметром порядка, контролирующим конвективные и аномальные диффузионные потоки, обеспечивая диспергирование растущих кристаллов. Конвективное течение является ответственным за дисперсию в объеме ванны богатых растворенными элементами участков расплава. Малый размер кристаллитов оплавленного металла приводит к тому, что значительную долю материала 50%) занимают межкристаллитные границы, что коренным образом меняет механизмы, ответственные за формирование макроскопических характеристик лазерно-оплавленного металла.

Бездиффузионной кристаллизации, кроме высокой скорости охлаждения, способствует чистота сплава, предварительный перегрев жидкого металла, узкий интервал кристаллизации и малая скорость диффузии компонентов. Такие условия практические реализуются при лазерном воздействии на металлические системы. Как уже указывалось, большое влияние на свойства зоны оплавления оказывает процесс практически мгновенного поглощения энергии при ЛО, который приводит к генерации волн напряжений, ускоряющих процессы массопереноса элементов металла и к высокоскоростной локальной пластической деформации микрообъемов поверхностного слоя.

Отдельно следует выделить роль включений различного состава исходной структуры в формирование структуры и свойств лазерно-оплавленных слоев. Включения карбидов, нитридов, оксидов в поверхностных слоях материалов, неполностью растворившиеся при лазерном нагреве, способствуют локализации пластической деформации путем взаимодействия с движущимися в плоскостях скольжения дислокациями и возникновению локальных пластических ротаций. При этом включения могут являться не только концентраторами, но и релаксаторами напряжений в процессе полигонизации, рекристаллизации, фазовых превращений, направленного массопереноса и т.д.

Смещение интерференционных полос на возникающем рельефе поверхности в центральной части пятна отчетливо фиксируется при исследовании структуры (рисунок 4.4) с использованием микроинтерференционного микроскопа МИИ-4М. Движущей силой процесса является стремление системы снизить производство энтропии путем самоорганизации диссипативных структур, обусловленной возникновением нелинейной динамики на границе твердой и жидкой фазы. При критических условиях она приводит к неустойчивости движения и бифуркациям, при которых затвердевание сплава связано со сложными кооперативными процессами массопереноса, течением жидкости, фазовыми переходами. х400 *400 а. б.

Рисунок 4.4 Строение оплавленной зоны на никеле: а - наблюдаемое в обычном микроскопе; б- то же место, в интерференционном микроскопе

Определим скорость конвективного перемешивания в жидкой фазе. Для этого необходимо оценить величину градиента поверхностного натяжения расплава по глубине, возникающего вследствие температурного градиента и температурной зависимости поверхностного натяжения при лазерном нагреве, из выражения: da da dT dx dT dx где a - поверхностное натяжение; x - расстояние по глубине образца.

Для жидкого железа — составляет 0,5 дии/(см-град), градиент температур по dT da глубине составляет ~104 град/см, поэтому — » 5 • 101 дин/см2. dx

Согласно уравнению Навье -Стокса для установившегося движения несжимаемой жидкости в одномерном случае и в пренебрежении силой тяжести, скорость движения жидкости со можно оценить из соотношения: ах j] ах где р - капиллярное давление; о т) - динамическая вязкость, для расплава железа Г|=3,7х10~ дин/с-см. dp d2a 1 d<7 т „ ,

Считая, что — - —— «---, где L - характерная длина канала жидкои фазы, поdx dx L dx

L da лучаем оценку для со ~---. т] dx

По данным металлографии L«10"3 см, поэтому с учетом оценки для — получаем, dx что й)»103 см/с. ч

Можно сделать вывод о том, что несмотря на грубую оценку, конвективное перемешивание расплава может быть одной из причин аномально высокого массопереноса в зоне лазерного воздействия и оказывать влияние на размерные характеристики дендри-тов в оплавленной зоне пятна.

Для понимания механизма протекания процессов кристаллизации в 30 важны показатели морфологии дендритного кристалла (степень развития ветвей первого, второго и т.д. порядков, расстояния между ветвями, толщина ветвей). При большой скорости охлаждения размер зерен склонен к уменьшению, это обусловлено зависимостью скорости роста кристаллов Vpocma и числа образовавшихся зародышей N3apod. от степени переохлаждения AT; и связан с параметрами кристаллизации выражением:

4.3) зарод.

Однако, различный характер зависимости параметров кристаллизации от переохлаждения указывает на определенную трудность установления надежных закономерностей между размером зерна и скоростью охлаждения.

Малая длительность импульса, наряду с высокой плотностью мощности излучения приводит к высокоскоростным процессам затвердевания расплавленной ванны, причем в центре пятна и у поверхности расплава переохлаждение наименьшее, поэтому здесь чаще всего можно встретить ячеисто- мозаичное строение. Там, же где достигается наибольшее переохлаждение, а именно, на границе расплавленной ванны с подложкой, параметры Уроста и N3арод. будут иметь наибольшие значения, в связи с чем наблюдается своеобразная «береговая линия» из одинаково ориентированных в сторону теплоотвода неразветвленных дендритов (рисунок 4.5). В темном поле хорошо просматривается различие форм дендритных кристаллов, строение которых напрямую связано с тепловыми режимами охлаждения.

400 х400 а. б.

Рисунок 4.5 Строение облученных зон на стали 12Х18Н9Т: а- при наблюдении в оптический микроскоп; б- то же место в темном поле

Наблюдаемые особенности структурообразования при высоких скоростях охлаждения могут быть выяснены на основе анализа кинетики кристаллизации. Как было показано выше, скорость охлаждения при лазерной закалке составляет от 10*3 до 106К/с.

Для достоверного определения скорости движения границы раздела жидкой и твердой фаз Г"и выявления последующего влияния на струюгурообразование, проведём её сопоставление с типом и характерным размером структуры, полученной при JIO, и сравним полученные зависимости с теоретическими значениями.

Рассмотрим вариант строения оплавленной зоны упрочненного пятна, когда в поперечном сечении столбчатые кристаллы выглядят как равноосные зерна, состоящие из отдельных блоков, ориентированных определенным образом в пределах каждого зерна, то есть центральная часть пятна имеет мозаичную структуру (рисунок 4.2,в, 4.6, а). а. б.

Рисунок 4.6 Мозаичное строение 30 на стали I2XI8H9T (а) и схема взаимного расположения дендритов, с указанием дендритного параметра d (б)

Воспользовавшись установленной корреляционной связью между скоростью охлаждения и величиной дендритного параметра для ряда сплавов в указанном интервале скоростей охлаждения [67], полученной из выражения 4.3, определяем значения локальной скорости кристаллизации V" через значение дендритного параметра, из установленной экспериментально зависимости: d п А • V~n, (4.4) где d - величина дендритного параметра, мкм;

А и «-константы металлических материалов. Значения констант в выражении (4.4) приведены в таблице 4.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итог научных разработок, изложенных в диссертации и соответствующих целям и задачам исследований, можно сформулировать в виде следующих общих выводов:

1. Выполнен теоретический анализ топографии температурного поля для квазистационарного режима генерации импульсного лазера при нагревании и при охлаждении после прекращения действия лазерного импульса. Сравнение теоретических результатов с результатами экспериментального определения температурного режима импульсного лазерного облучения позволило установить, что реально достижимые градиенты температур между нагретой и холодной зонами материала, так же как и скорости охлаждения, превышают расчетные значения на 15-20%.

2. Созданы физические представления о возникновении и природе локальной пластической деформации в поверхностных слоях металлов и сплавов при гиперскоростном нагревании с использованием импульсного лазерного излучения, вызываемой появлением внутренних напряжений на когерентной границе при полиморфном превращении и термострикционных напряжений из-за огромного температурного градиента в облучаемом металле. Показана особая роль этих деформаций в протекании фазовых переходов, явлениях массопереноса и структурообразования, которая заключается в приросте свободной энергии фаз, получении выигрыша в движущей силе фазовых переходов, что реализуется в увеличении темпа превращений.

3. Мсталлофизическими методами изучены структурные проявления эффекта релаксации напряжений в процессе высокотемпературной лазерной обработки, в частности, путем протекания дииамической полигонизации и рекристаллизации, степень реализации которых определяет остаточное упрочнение и конечную структуру стали.

4. Получены новые научные знания о механизмах структурной самоорганизации в процессе гипернеравновесных фазовых переходов в условиях огромной стесненности во времени процесса лазерного нагрева н ограниченности протекания классических диффузионных процессов. Установлено, что аномальный ускоренный локальный массоперенос в сталях и сплавах при скоростном лазерном нагреве носит кооперативный характер и в первую очередь связан с выраженным влиянием процессов локальной пластической деформации. Параметры массопереноса при лазерном воздействии зависят от масштаба возникающих напряжений, релаксация которых сопровождается образованием повышенного количества линейных дефектов кристаллического строения, способствующих захвату и переносу атомов углерода и других элементов по механизму «дрейфа» вглубь облученного материала (термоэффект Соре).

5. Проведена количественная оценка элементов структуры в разных зонах облученного пятна, в том числе с использованием метода мультифракгальной параметризации. Проведенный анализ обусловлен необходимостью введения количественной характеристики динамической структуры в виде фрактальной размерности структуры зон перехода и позволил выявить взаимосвязь исходной структуры металлов с динамической, эволюционирующей при лазерной воздействии структурой.

6. Показано, что наиболее подготовленной с скоростной лазерной термообработке является исходная структура мартенсит отпуска с заложенным в ней в процессе предварительной объемной термообработки содержанием углерода. В условиях импульсного лазерного облучения, практически в отсутствии диффузионных процессов мартенсит отпуска превращается в у-фазу по сдвиговому механизму с наследственной передачей ей углерода и дефектов кристаллического строения. В свою очередь, образующийся при лазерном нагреве аустенит за счет фазового наклепа при у—>а превращении, а также за счет динамических эффектов в облучаемой зоне приобретает мелкозернистое строение с малоугловыми границами, высокой плотностью деформационных дефектов упаковки и высокой плотностью дислокаций. Перечисленные процессы обеспечивают диспергирование продуктов сдвигового у—>а превращения при последующем скоростном охлаждении, а также являются одной из причин сохранения некоторого количества устойчивого к превращению остаточного аустенита.

7. Определены возможности повышения конструкционной прочности а также эксплуатационных свойств материалов после импульсной лазерной обработки за счет получения фрагментированного строения мартенсита, малоугловые субграницы которого являются «полупроницаемыми» барьерами для движения дислокаций, что обеспечивает сочетание высокой прочности и достаточной пластичности облученного металла.

С использованием методик математического моделирования разработаны принципы прогнозирования механических, технологических и эксплуатационных свойств материалов с учетом структурных особенностей процесса упрочнения при гиперскоростной лазерной обработке, зависящих от результирующего уровня возникающих в зонах обработки напряжений, то есть от соотношения процессов пластической деформации при нагреве под действием термических напряжений и процессов диссипации энергии путем динамического возврата, полигонизации и рекристаллизации обработки;

8. В результате теоретических и экспериментальных исследований сформирована новая информационная база, позволяющая обоснованно назначать режимы поверхностной лазерной обработки различных материалов для получения заданной структуры и необходимого уровня свойств. Разработаны технологические принципы импульсного лазерного облучения изделий различного функционального назначения, включающие в себя технологические инструкции по проведению процесса и контролю качества лазерного упрочнения, практическое использование которых позволило повысить работоспособность различных изделий в 2-5 раз.

1. Криштал М.А., Корвачев В.Д., Кокора А.Н. В сб. «Термодинамика и физическая кинетика структурообразования в стали и чугуне», Приокскос изд-во, 1967. 285 с.

2. Рыкалин Н.Н Воздействие излучением ОКГ на железные сплавы // Физика и химия обработки материалов, 1972. №6, с.14-21

3. Миркин Л.И. Физические основы обработки материалов лучами лазера. М.: МГУ, 1975.-383 с.

4. Криштал М.А., Жуков А.А., Кокора А.Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. М.: Металлургия, 1973. -192с.

5. Лазерно-лучевая обработка материалов. Справочник / Рыкалин Н.Н. и др. М.: Машиностроение, 1985. -496 с.

6. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1988. 494 с.

7. Углов А.А., Смурнов И.Ю., Лапин A.M., Гуськов А.Г. и др. Моделирование тепло-физических процессов импульсного лазерного воздействия на металлы. М.: Наука, 1991.-285с.

8. Физико-химические процессы при обработке материалов концентрированными потоками энергии. /Под ред. А.А. Углова. М.: Наука. 1989. 270с.

9. Углов А.А. Воздействие концентрированных потоков энергии на материалы // Материаловедение. 1997. №5. С. 3-7

10. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989.-294 с.

11. Коваленко B.C. и др. Упрочнение деталей лучом лазера. Киев: Техника, 1981 г. 132с.

12. Веденов А.А., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработки материалов. М.: Энегроатомиздат.1985. 224с.

13. Бекренев А.Н., Жаткин С.С., Паркин А.А. Исследование динамики нагрева металлов при импульсном лазерном воздействии // Физика и химия обработки материалов. 1994. №6. С.25-31

14. Паркин А.А., Жаткин С.С. Специальная приставка к ШС-1001 для измерения параметров излучения процесса взаимодействия концентрированных потоков энергии с веществом. // Обработка концентрированными потоками энергии. Пенза: Изд. Дома техники, 1988. С.22-23

15. Коротких В.М., Гуляев П.Ю., Гумиров М.А., Еськов А.В., Евстигнеев В.В. Способ измерения яркостной температуры. Патент РФ №2099674 от 20.12.97.

16. Зуев И.В. Обработка материалов концентрированными потоками энергии. М.: Изд-во МЭИ, 1997. -437с.

17. Гуреев Д.М., Ямщиков С.В. Основы физики лазеров и лазерной обработки материалов. Самара: Изд-во СГУ, 2001. 392с.

18. Галенко П.К., Харанжевский Е.В., Данилов Д.А. Высокоскоростная кристаллизация конструкционной стали при лазерной обработке поверхности// Журнал технической физики. 2002, том 72, вып. 5, с.48-55

19. Садовский В.Д. и др. Лазерный нагрев и структура стали: Атлас микроструктур. Свердловск: УрО АН СССР, 1989 102 с.

20. Бекренев А.Н., Беркин А.Г., Дробязко С.Б. Образование структуры равноосных кристаллов при лазерном оплавлении быстрорежущей стали // Металлофизи-ка.1989. Т. 11, №З.С.120-121

21. Гуреев Д.М. Фазовый состав быстрорежущих сталей при быстрой кристаллизации лазерного расплава // Физика и химия обработки материалов. 1994. №6. С. 126-138

22. Ломаев Г.В, Харанжевский Е.В. Упрочняющая обработка поверхности методом высокоскоростной лазерной перекристаллизации // Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. №3. С.27-32

23. Гаращук В.П., Карета Н.Л., Молчан И.В., Моравский В.Э. Структура зоны упрочняющего воздействия светового луча лазера на монокристалл кремнистого железа // Физика и химия обработки материалов. 1973. №5. С.113-116

24. Ерматов С.Е., Турдыбеков П.И., Орозбаев P.O. Исследование изменения микротвердости монокристаллов молибдена под действием лазерного излучения // Влияние примесей и дефектов на свойства кристаллов. Фрунзе,1970. С.32-37

25. Папиров И.И., Авотин С.С., Крпвчикова Э.П. Деформация монокристалла бериллия при действии лазерного излучения // Физика и химия обработки материалов. 1973. №2. С.147-148

26. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация неравновесных систем. М.: Мир, 1979. -635 с.

27. Мнркин Л.И. Деформация и разрушение материалов лучом лазера. М.: МГУ, 1975.-354 с.

28. Ершова Л.С. О механизме перекристаллизации при лазерной обработке // Металловедение и термическая обработка металлов, 1979. №3. С. 17-19

29. Губенко С.И. О динамическом характере рекристаллизации стали при лазерном воздействии // Металловедение и термическая обработка металлов, 1989. №10. С.2-5

30. Миркин Л.И., Пилипецкий Н.Ф. О физической природе упрочнения сталей при воздействии световых импульсов // Доклады АН СССР, 1972. №3. С.580-582

31. Мазанко В.Ф., Покоев А.В., Миронов В.М. и др. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций: в двух томах. М.: Машиностроение-1; Самара: Самарский университет, 2006 320 с.

32. Варавка В.Н., Домбровский Ю.М., Шабаринов А.В. О структурных эффектах в зоне обработки материалов концентрированными потоками энергии // Вестник ДГТУ, 2003. Т.З. №4 (18). С.445-451

33. Домбровский Ю.М., Пустовойт В.Н., Бровер А.В. Структурообразование в стали при нагреве плазменной сканируемой дугой.// Материаловедение, 1997. №7. С.52-56

34. Крипггал М.А., Захаров Н.Н., Кокора А.Н. О вкладе диффузионных процессов в перераспределение вещества в твердом теле под воздействием лазерного излучения // Физика и химия обработки материалов. 1976. №4. С. 25-28

35. Захаров С.М., Лариков Л.Н., Межевинский Р.Л. Влияние движущей силы, созданной внешним воздействием, на массоперенос в твердом теле // Металлофизика и новейшие технологии, 1995. Т171, №1. С.30-35

36. Бровер А.В. Структурные особенности процесса поверхностного упрочнения стали концентрированными потоками энергии // Материаловедение, 2005. №9. С. 18-23

37. Семенцев A.M. Особенности структурообразования в низколегированных сталях при лазерной обработке // Автоматизация и современные технологии, 2006. №7. С. 16-18

38. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения. Воронеж: ВГУ, 2000. 360 с.

39. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука. 1994. 383с.

40. Иванова B.C., Встовский Г.В., Колмаков А.Г. Мультифрактальный метод тестирования устойчивости структур материала, Москва: НОЦ ИМиМ им Байкова РАН, 2000. 56 с.

41. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Бунин И.Ж. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов. Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2001.-39 с.

42. Кидин И.Н., Андрюшечкин В.И. и др. Электротермическая обработка металлов и сплавов. М.: Метеллургия, 1978. 320с.43