Введение к работе
Актуальность проблемы. Теоретические и экспериментальные исследования фазовых превращений и диффузии до сих пор остаются од-
тпч"гт m "jti^n^'wr, тг^-гп^птгр.уг^гг у p^rip ВШОКШЕО И .всесторонне ра-
звігззешгх областей фнгиті твердого тела. Особый интерес эти исследования приобрела с разработкой технологій, в основе которых лежит tocrpuS пегроп. "сгаэлъзотзетпз бистрого 'ттпгрепа, реализуемого, В' частности, при лазерном воздействии, открывает возможности для изучения процессов фазовых превращении в отсутствии влияния на них
лыюй особенностью процессов фззовых превращений при быстром, нагреве является существенная неравновесность условий, при которых они протекают, что предопределяет разработку новых подходов для их описания, отличных'от классических методов, развитых для анализа равновесных фазовых превращений. В свою очередь, теоретическая модель, адекватно описывающая кинетику фазовых превращений в нерав-
го равновесия, стимулирует развитие экспериментальных методов, ис-полъзукздх быстра!!: нагрев для формирования структур с уникальными свойствами. К числу таких методов относится, в частности, кратная лазерная термообработка, которая отдельно или в сочетании с объемной термообработкой позволяет аффективно влиять на степень проте-кания фазовых превращений и диффузии в сшіавах на основе железо-углерод и тем сагяім управлять структурно-напряженным состоянием поверхности, -используя возраставши- продрасполохонность .-. данных сплавов к накоплению энергии внутреннего наклепа по мере повышения их. уровня легироватюсти.
Таким образом, при решении научно-практических задач, лощащих в основе.технологий лазерной термообработки поверхности, весьма актуальным является разработка теоретической модели,' 'опирающейся на современные представления о коллективном характере протекания элементарных процессов перестройки решетки в системе "металл -внешнее воздействие" в иерархической последовательности бифуркаций, ведущих к образованию диссипативных структур, для адекватного описания кинетики фазовых превращений и диффузии при быстром нагреве сплавов на основе железо-углерод и использование ее результа-
тов в экспериментальных исследованиях физических, закономерностей формирования структурно-напрякенного состояния поверхности при кратном лазерном воздействии и его оптимальном сочетания с объемной термообработкой.
Цель работы. Общая задача диссертационной работы состояла в теоретическом и вкспериыенталыюы исследовании физических закономерностей формирования оптимального структурно-напряженного состояния поверхности сплавов на основе железо-углерод при лазерном воздействии с целью практического использования получєпшіх результатов при разработке технологий лазерной термообработки рабочих поверхностей деталей машин и инструмента.
Решались следующие конкретные задачи:
-
Разработка кипетической модели термофлутстуационпой кооперативной перестройки решетки при фазовых превращениях первого рода в условиях быстрого нагрзЕа, характеризующейся универсальность», автомодельностью, масштабной инвариантностью.
-
Получение в автомодельном приближении универсальной зависимости температуры, при нагреве до которой достигается заданная степень фазового превращения, от скорости нагрева. .
-
Выявление закономерностей оязргетического спектра активации элементарных процессов термофлуктуационвой перестройки решетки.
-
Экспериментальное исследование структурно-напряженного состояния поверхности, формирующегося при лазерном воздействии в инструментальных сталях по мере возрастания их уровня легированнос-ти, и выявление закономерностей его контролируемого изменения методом кратной лазерной термообработки.
-
Экспериментальное исследование диффузионного перераспределения атомов углерода, вольфрама и хрома в зонах лазерного воздействия в углеродистых и легированных инструментальных сталях и высокохромистом чугуне. !
-
Оптимизация структурно-напряженного состояния поверхности бысторорещгщей стали и высокохромистого чугуна при сочетании процессов лазерной закалки и объемной термообработки.
-
Анализ теплофизики процесса термообработки поверхности лазерными источниками нагрева с различным пространственным к временным распределением излучения и получение .упрощенных емпиричесгсга выражений для определения глубин зон лазерного воздействия.
8. На основе результатов теоретических и експериментальних
исследований разработка технологий лазерной термообработки рабочих
поверхностей ножей гильотинных ножниц и лопаток дробеметных аппа
ратов.. ,,
Научная новизна и практическая значимость. В работе с приме
нением комплекса методов физических исследований впервые получены
'слздуксзіе результаты. - '
Развита модель переходного состояшія термофлуктуационнсй кооперативной перестройки решетки при фазовых превращениях - первого рода, позволившая обобщить ранее полученные результати. Показана взаимосвязь, макропараметра модели - кинетического критерия подобия с термической.далатацией: решетки, рассматриваемой в качестве меры запасенной материалом еыесгяи. Для железа и стали рассчитаны сков--сти зарождения и роста ^-фази и кинетика процесса полиморфного <х~7 -превращения при быстром нагреве с постоянной скоростью. Получено хорошее согласие результатов расчета с экспериментальными данными. . . Использован подход к описанию-кинетики фазовых превращений при быстром нагреве в автомодельном приближении. Получена универсальная линейная зависимость температуры, при нагреве до которой достигается заданная малая степень превращения, от логарифма скорости нагрева. Определены эффективные анергии активации процессов а-7-превраідешїя в железе и стали и I, II и III превращений при отпуске стали, а также числа атомов, участвующих в единичном акте кооперативной перестройки решетки при каждом из данных фазовых превращений.
В рамках общего подхода с позиций энергетического подобия в поведении системы "металл - внешнее воздействие" при тепловой и механической накачке энергии и возникновении бифуркаций - неравновесных фазовых переходов при достижении в металле критической плотности энергии вне зависимости от способа ее достижения развито положение о подобии процессов а-7-превращения в железе, стали и стали, прошедшей предварительную пластическую деформацию. Получено выражение для энергии наклепа, релаксация которой снижает температуру фазового равновесия па 1 К. Рассчитанная величина этой анергии 6.7 Дх/моль.К с точностью до 10 % соответствует экспериментальному значению. Оценено максимально возможное смещение температуры фазового равновесия при пластическом деформировании, не превышающее 100 К. Получено значение эффективной коьгактной дилатации несоответствия на границе "феррит - цементит" ~ 4.Ю-3, необходимой для снижения температуры фазового равновесия о 910 С в железе
до 725 С в стали. : \ .
Выявлены закономерности энергетического спектра .активации елементарних' процессов термофлуктуационной перестройки решетки, определяемые свойством масштабной инвариантности кинетического критерия подобия. Спектр энергий активации дискретен, что отражает возможность протекания одного и того же процесса на разных энерге- . тических уровнях. Получено, что значения энергий активации, расположенные в порядке их возрастания, образуют последовательность чисел Фибоначчи с отношением двух соседних чисел этой последовательности равным коэффициенту масштаба, теоретическое значение которо-го соответствует "золотому сечению" 0,5(1 + 5. ) '" 1.618.
В соответствии с выводами теории при лазерной закалке инструментальных сталей и высокохромистого чугуна экспериментально реализовано формирование диссипативных структур как,проявление ускоренного протекания процессов диффузии углерода, вольфрама и хрсма по большеугловым- границам зерен на II—III энергетических уровнях при 103-10 кратном возрастании их диффузионной подвижности.
Изучены особенности формирующегося структурно-напряженного состояния в поверхностных слоях инструментальных сталей.при кратном лазерном воздействии, отражающие возрастающую предрасположенность сплавов на основе железо-углерод к накоплешйо энергии внутреннего наклепа по мере повышения их уровня легированности. Показано, что реализация последовательности:лазерный отпуск- лазерная закалка'позволяет управлять дисперсностью формирующейся структуры, ее фазовым составом и уровнем остаточных напряжений при малоизме-няюшихся значениях микротвердости. Установлена количественная взаимосвязь между величиной и знаком остаточных напряжений и содержанием остаточного аустенита в зонах лазерного воздействия.
Сочетанием процессов лазерной закалки и объем-юй термообработки оптимизированы структурно-напряженные состояния поверхности быстрорежущей стали и высокохромистого чугуна. '
Практическая значимость, работы представлена результатами расчета теплофизики процесса термообработки поверхности лазерными источниками нагрева с различным пространственным и временным распределением излучения; полученными упрощенными эмпирическими выражениями для определения глубин зон лазерного воздействия; разработанными подходами к формированию оптимального структурно-напряженного состояния-поверхности использованием кратного лазерного воздействия и его сочетания с объемной термообработкой; изученными физи-
ческими и технологическими аспектами влияния лазерной термообработки на повышение износостойкости поверхности, подверженной ударно-усталостному или ударно абразивному изнашиванию, и их реализацией в виде разработанных технологий в применении к ножам гильотинных
ножниц и лопаткам дробеметных аппаратов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Разработана теоретическая модель фазовых превращений пер
вого рода, основанная па представлениях о коллективном характере
протекания элементарных процессов термофлуктуационной перестройки
решетки в открытой системе "металл - внешнее воздействие" в иерар-
реходов и об энергетическом подобии в поведении такой системы ИрИ тепловой и механической накачке энергии и возникновении бифуркаций при достиаении в металле критической плотности энергии вне зависимости от способа ее достижения. Параметром модели является кинетический критерий подобия, определяемый как обратная величина термической дилатации решетки, рассматриваемой в качестве меры запасенной материалом энергии. На основе разработанной модели при хорошем согласии с общепризнанными эксперИмептальтзсят даштаят для железа и стали рассчитаны скорости гетерогенного зарождения и роста 7~Фазы; кинетика процесса полиморфного а-7-превращешія, протекающего в существенно неравновесных условиях быстрого нагрева со скоростями до 10 К/с; величина энергии наклепа, релаксация которой снижает температуру а-7-фазового равновесия на 1 К; максимально возможная величина смещения температуры а-7-фазового равновесия при пластическом деформировании; аффективная контактная дилатация несоответствия на границе "феррит — цементит", ответственная за снижение температури СХ-7-фазового равновесия с 910 С в железе до 725 С в стали.
-
В автомодельном приближении теоретически получена универсальная зависимость температуры, при нагреве до которой достигается заданная степень фазового превращения, от скорости нагрева. При описании с помощью полученной теоретической зависимости известных экспериментальных данных для процессов а.-7-превращения в железе и стали и I, II и III превращений при отпуске стали определены соответствующие значения эффективных энергий активации и чисел атомов, участвующих в коллективном переходе в новую фазу за одну флуктуацию при каждом из перечисленных фазовых превращений.
-
Выявлены теоретические закономерности спектра энергий ак-
-$-
тивации елементарних процессов термофлуктуационной перестройки решетки, вытекающие из свойства масштабной инвариантности кинетического критерия подобия. Спектр энергий активации дискретен. Значения энергий активации, расположенные в порядке их возрастания, образуют последовательность чисел Фибоначчи с отношением двух соседних чисел этой последовательности равным коэффициенту масштаба,
1/2
теоретическое значение 0.5(1 + 5 ) < 1.618 которого соответствует "золотому сечению". В дискретности спектра энергий активации отражена возможность протекания одного и того же процесса на разных энергетических уровнях. Из теоретического анализа следует, что при экспериментальной реализации ускоренного протекания диффузионных процессов на II—III энергетических уровнях наиболее предпочтительным является использование непрерывного быстрого нагрева.
-
Экспериментально показано, что при лазерном отпуске спла-г.ов на основе железо-углерод степень релаксации предварительно запасенной в них энергии внутреннего наклепа уменьшается с возрастанием уровня легированности. Это обеспечивает контролируемое изменение структурно-напряженного состояния поверхности при кратком лазерном воздействии, сочетающем процесса лазерного отпуска и лазерной закалки.
-
Экспериментально показано, что в условиях быстрого лазерного нагрева при а-7-Цревращении в углеродистой и низколегированной инструментальных сталях протекает ускоренная направленная диффузия углерода, приводящая к превышению его содержания в поверхностном слое над средним содержанием в объеме. В высоколегированных материалах - вольфрамовой быстрорежущей стали и высокохромистом чугуне, учитывая их предрасполокенность к накоплению энергии внутреннего наклепа, методом двухкратной лазерной закалки и сочеташія лазерной закалки с предварительной объемной закалюй реализовано формирование диссипативнкх структур, характеризующихся выделением большого количества дисперсных карбидов и являющихся проявлением ускоренного протекания процессов диффузии основных легирующих элементов данных материалов - вольфрама и хрома. Ускоренный масоопе-ренос углерода, Еольфрама и хрома обусловлен 10-10 кратным возрастанием их диффузионной подвижности при диффузии по болыпеугло-еым границам зерен на II—III энергетических уровнях.
-
Экспериментально показано, что в быстрорежущей стали после ее объемной закалки от повышенных температур в зоне лазерной закалки формируется аустенитное зерно оптимального размера при более
высоком уровне легированности твердого раствора и дополнительном повышения теплостойкости. Лазерная закалка заравнивает структурно-фазовнй состав предварительно шлифованной поверхности, поникает уровень шлифовочных остаточных напряжений и практически полностью устраняет их ф-расщэпленке. В високохромистом чугуне наиболее износостойкая структура формируется при реализации последовательности: объемная закалка - лазерная закалка с предварительным подогревом до 40О- С для снижения уровня остаточных напряжений растяжения и подавлеіпія трещшюобразоваїшя.
7. ІІа основе теоретических и экспериментальных, исследований разработаны и внедлены технолопш лазерной тегімообпябптктгг пяЛпиет
ратов.
Апробация работы. Результаты работы представлены на Всесоюзных и Международных семинарах, конференциях, симпозиумах, конгрессах: на Всесоюзных семинарах по лазерным технологическим установкам и перспективам их применения (г. Москва, 1981 г.), по применению лазеров в технологии машиностроения (г. Звенигород, 1982 г.), по лазерной технике и технолопш (г. Вильнюс, 1983 г., 1989 г.,
-
г.); на Всесоюзных конференциях X, XI, XII по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (г. Куйбышев, 1983 г., 1986 г., 1989 г.), по технологическим процессам и оборудованию для упрочнения деталей маиин, инструмента и технологической оснастки (г. Гомель, 1985 г.), III по взаимодействию излучения, плэзмешшх и электронных потоков с веществом (г. , 1988 г.), III по при-меношпо лазеров в народном хозяйстве (г. Шатура, 1989 г.); на Международных конференциях по лазерам - LASER'82 (г. Новый Орлеан, 1982 г.). V по лазерам и их применению - ICLA-5 (г. Дрезден, 1983 г.), VI но мехашпосксму поведению материалов - ICM-6 (г. Киото,
-
г.), III по остаточним напряжениям - IGRS-3 (г. Токушима,
-
г.),. XIII по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (г. Самара, 1992 г.), I по обработке поверхности - SURFACE TREATMENT' 93 (г. Соухемггтоя, 1993 г.), по механике - MECHANICS * 94 (г. Вильнюс, 1994 г.), по лазерной обработке материалов - ICLMP'94 (г. Чопгквлкг, 1994 г.); на I и II Российско-китайских симпозиумах по актуальным проблемам современного материаловедения (г. Томск,
-
г. иг. Сиань, 1993 г.); на Международных симпозиумах V по передовой технологии в сварке, обработке материалов и вычислении -ISATVilfPE-f? (г. Токио, 1990 г.), по неразрушающему контролю и изме-
рению напряжений - PENDT'92 (г. Токио, 1992 г.), I по лазерным и оптоэлектронным технологиям - ISbOE'93 (г. Сингапур, 1993 г.); на Международных конгрессах VII по сварке - 77111^0^84 (г. Брно, 1984 г.), V по трибологии - EUROTRIB'89 (г. Хельсинки, 1939 г.).
Результаты диссертации, полученные за период 1981-1993 г. г., опубликованы в 86 печатных работах, основными из которых являются [1-46].
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, включающих в себя восемь глав, и заключения. Работа изложена на 393 страницах машинописного текста, содержит 135 рисунков и 27 таблиц. Список литературных источников представлен 365 наименованиями.
