Особенности образования структур в сталях при лазерном нагреве

Рис. 34. Неоднородности структуры в эвтектоидной стали

В результате лазерного нагрева в сталях формируется структура, особенности которой обусловлены степенью завершенности процесса аустенитизации при нагреве. Завершенность процесса аустенитизации определяется скоростью и температурой нагрева, временем воздействия, исходной структурой.

Прежде всего при достаточно высокой температуре или при относительно большом времени воздействия возможно формирование однородного аустенита. При уменьшении температуры нагрева и времени воздействия в результате повышения критических точек и замедления процесса гомогенизации аустенит в стали отличается большой неоднородностью, особенно по углероду. Неоднородность структуры усиливается тем, что кроме аустенита при высокой температуре в стали возможно существование нерастворившихся карбидов.

Рассмотрим некоторые виды неоднородностей, которые могут быть в той или иной части зоны лазерного воздействия сталей.

В эвтектоидной стали в зависимости от завершенности трех стадий аустенитизации (рис. 34) возможны неоднородности, обусловленные: 1) неполным превращением Ф ® А; 2) неполным растворением цементита; 3) неполным выравниванием концентрации углерода в аустените. В первом случае в нагретом состоянии в стали имеются три фазы: цементит, аустенит и феррит. Наблюдается большой перепад по концентрации углерода между этими фазами (рис. 34, а). Во втором случае имеются цементит и аустенит с достаточно большой неоднородностью по углероду (рис. 34, б). В третьем случае имеется одна фаза — аустенит с неодинаковым содержанием углерода на разных участках (рис. 34, в).

Рис. 35. Неоднородности структуры в доэвтектоидной стали

Заметим, что речь идет о субмикронеоднородности, поскольку межпластиночное расстояние в перлитной стали составляет 0,25-0,6 мкм, и третий случай неоднородности зафиксировать сложно ввиду большой скорости выравнивания концентрации на таком расстоянии. В доэвтектоидной стали неоднородность имеется не только внутри бывшего зерна перлита, но и между бывшими перлитными и ферритными участками. Эти случаи показаны на рис. 35, а-г. При неполном превращении Ф ® А в перлите и избыточном феррите имеется наибольшая неоднородность по фазовому составу и концентрации углерода. В нагретом состоянии в стали существуют цементит, аустенит и феррит (рис. 35, а). Возможен случай, когда превращение Ф ® А завершено в пределах бывшего зерна перлита, а превращение избыточного феррита не завершено (рис. 35, б). При завершении превращения Ф ® А и нерастворении цементита (случай изменения последовательности структурных превращений) в сталях имеются две фазы — цементит и аустенит (рис. 35, в). После полного растворения цементита имеется неравномерность по углероду между бывшими ферритными и перлитными участками (рис. 35, г).

В заэвтектоидной стали при незавершении превращения Ф ® А имеется наибольшая неоднородность и присутствуют фазы: цементит, аустенит и феррит. До растворения перлитного цементита перепад по концентрации углерода имеется лишь в пределах бывшего перлитного зерна, а после его растворения имеет место перепад по концентрации углерода между бывшим перлитным зерном и избыточным цементитом.

Как уже отмечалось, в условиях сверхвысоких скоростей нагрева возможно изменение механизмов превращения Ф ® А, т. е. возможно полиморфное превращение без концентрационного перераспределения углерода или превращение по мартенситному механизму. Тогда превращение Ф ® А может завершаться во всех случаях и на рис. 34, 35 на месте феррита можно обозначить аустенит, но схема распределения содержания углерода по участкам принципиально не изменяется.

Кроме скорости нагрева, степень неоднородности зависит от дисперсности исходной структуры: чем мельче структура, тем меньше неоднородность аустенита. Ввиду этого в закаленной или низкоотпущенной стали может иметь место лишь концентрационная неоднородность аустенита, да и то в чрезвычайно ограниченной области, которую экспериментально зафиксировать сложно.

Достаточно сложным является вопрос о размере зерна аустенита после лазерного нагрева. Известно, что увеличение скорости нагрева способствует получению в стали более мелкого зерна. Так, если после печного нагрева аустенитное зерно имеет 7-10-й балл (площади зерна 250-1000 мкм²), то после индукционного нагрева в интервале скоростей 100-1000 К/с зерно измельчается в 15-30 раз до 11-14-го балла (8-60 мкм²). В результате обычно увеличивается прочность и пластичность стали, снижается чувствительность к концентраторам напряжений. Из мелкозернистого аустенита после закалки образуется мелкодисперсный мартенсит, и в ряде случаев можно применять в эксплуатации неотпущенные стали с повышенной твердостью поверхности 61-65 HRC.

Получению мелкого начального зерна аустенита при лазерном нагреве способствует увеличение числа зародышей аустенитных зерен. Это обусловлено тем, что с увеличением степени перегрева резко уменьшается критический размер зародышей и зерна аустенита начинают образовываться не только на границах зерен феррита, но и на границах блоков и дефектов кристаллической решетки, а количество дефектов больше вследствие замедления процессов рекристаллизации.

Однако процесс формирования аустенита осложняется эффектами восстановления формы и размеров зерна. Известно, что ферритные зерна при комнатной температуре имеют общую кристаллографическую ориентировку в пределах бывшего аустенитного зерна, которая условно обозначена на рис. 36 стрелками. При медленном нагреве (100К/мин) процессы рекристаллизации и полигонизации приводят к нарушению общности ориентировки зерен феррита, вследствие чего после превращения Ф ® А в пределах бывшего аустенита образуются несколько зерен аустенита, по-разному ориентированных друг к другу и имеющих четкие границы раздела (рис. 36, а).

Рис.36. Схема формирования аустенита из ферритных зерен, одинаково ориентированных в бывшем аустените при медленном (а) и быстром (б) нагреве

В этом случае зерно не восстанавливается, а происходит лишь структурная перекристаллизация. При увеличении скорости нагрева до начала превращения Ф ® А процессы рекристаллизации и полигонизации происходить не успевают, а ферритные зерна сохраняют общую ориентировку. В результате образующиеся мелкие зерна аустенита также имеют общую ориентировку в пределах бывшего зерна аустенита (рис. 36, б). Граница между одинаково ориентированными зернами аустенита проявляется слабо, а четко фиксируется только граница бывшего аустенита. В этом случае говорят о восстановлении зерна, т. е. об отсутствии его измельчения по сравнению с предыдущим нагревом в аустенитную область. Таким образом, увеличение скорости нагрева может не приводить к измельчению зерна аустенита.

После завершения фазовых превращений в процессе дальнейшего нагрева и даже охлаждения идет рост аустенитного зерна. Росту зерна активно препятствуют карбидные частицы, которые при лазерном нагреве сохраняются до высоких температур. Размер действительного зерна аустенита, т. е. такого, которое образуется в результате всего термического цикла, зависит от соотношения таких факторов, как температура и время выдержки при этой температуре.

Лазерная обработка отличается малым временем воздействия, вследствие чего не успевает происходить движение границ на большое расстояние и укрупнение зерна, как при обычном нагреве. Однако процесс лазерной обработки с целью получения достаточной глубины слоя ведут с нагревом до максимально возможной температуры, вплоть до температуры плавления. Поэтому получить сверхмелкое зерно аустенита при этом не удается.

Кроме вышесказанного, следует отметить, что аустенит, полученный при лазерном нагреве, отличается повышенным количеством дефектов, что приводит к его упрочнению. Повышение количества дефектов может быть обусловлено как наследованием их из a-фазы, так и образованием вследствие усиления эффекта фазового наклепа при превращении в условиях высокой скорости нагрева.

Дата добавления: 2014-01-04