Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы
1.1 Методы поверхностной лазерной обработки 12
1.2 лазерное термоупрочнение іб
1.3 Особенности строения металлов после нагружения ударными волнами 25
1.4 Возбуждение волн напряжений в металлах при воздействии лазерных моноимпульсов 27
1.5 Комбинированные методы упрочнения материалов с применением лазерного воздействия. 34
1.6 Влияние лазерного термоупрочнения на износостойкость и механические свойства сталей 41
Глава II. Экспериментальные методы и исследование влияния параметров ударно-волнового на характеристики лазерной закалки
2.1 Экспериментальная установка для ударно-волновой обработки сталей. 47
2.2 Методика определения параметров ударно-волнового воздействия 52
2.3 методика измерения параметров ударных волн, возбужденных излучением лазера. 56
2.4 Исследование влияния предварительной ударно-волновой обработки сталей на параметры лазерной закалки 66
2.5 Выводы ко второй главе 74
Глава III. Комбинированный метод упрочнения сталей, оснований на различных сочетаниях лазерного термического и ударно-волнового воздействий
3.1 Лазерная установка для комбинированной обработки материалов 76
3.2 Фазовые превращения в структуре закаленной лазером стали под действием лазерно-индуцированных ударных волн 81
3.3 Влияние различных режимов комбинированной лазерной обработки на структуру поверхностных слоев стали. 89
3.4 Выводы к главе III 100
Глава IV. Исследование влияния компьютерно-лазерной обработки на износостойкость и ыташше свойства сталей
4.1 Исследование абразивного изнашивания сталей, обработанных разными комбинациями ударно-волнового и термического лазерного воздействия 102
4.2 Исследование влияния комбинированной лазерной обработки на механические свойства сталей при статическом нагружении 111
4.3 Исследование влияния комбинированной лазерной обработки на механические свойства сталей при высокоскоростном деформировании 115
4.4 Выводы к главе IV 129
Глава V. Разработка технологии и внедрение процесса комбинированного лазерно-ударно-юлноюго упрочнения штампоюй оснастки
5.1 Описание установок и техпроцесса комбинированного лазерно-ударно-волнового упрочнения рабочих поверхностей деталей штампов 132
5.2 Результаты испытаний 133
5.3 Выводы к главе V 137
Заключение. 138
Список литературе 142
Приложение 155
- Особенности строения металлов после нагружения ударными волнами
- Методика определения параметров ударно-волнового воздействия
- Фазовые превращения в структуре закаленной лазером стали под действием лазерно-индуцированных ударных волн
- Исследование влияния комбинированной лазерной обработки на механические свойства сталей при статическом нагружении
Введение к работе
Развитие современных отраслей промышленности ставит проблему повышения надежности и долговечности выпускаемых изделий. Переход к новым технологическим процессам, позволяющим повысить производительность труда, поднять эффективность использования ресурсов, снизить материалоемкость и энергоемкость производства, является важнейшей задачей машиностроения. Вместе с проблемой повышения качества металлических сплавов, изучением закономерностей трения и изнашивания не теряют своей актуальности вопросы, связанные с разработкой и совершенствованием технологий поверхностного упрочнения. Эффективным технологическим способом упрочнения поверхности деталей является кратковременное высокоэнергетическое воздействие на поверхность посредством излучения лазера, электронного пучка, плазмы и т. п., что позволяет существенно изменять структуру, повышая эксплуатационные характеристики изделий. Основными особенностями таких способов воздействий являются высокоскоростной нагрев и большие скорости охлаждения, которые могут переводить сплав в метастабильное состояние. Среди довольно большого разнообразия методов поверхностного упрочнения значительная роль принадлежит лазерному упрочнению. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в разработке теоретических основ процессов взаимодействия мощного электромагнитного излучения с материалами и на большие практические достижения в промышленных технологиях, лазерная обработка не является еще установившемся и законченным разделом теорш и практики обработки материалов концентрированными потоками энергии. До настоящего времени разработаны различные способы создания упрочненных поверхностных слоев с помощью излучения лазера- термоупрочнение вследствие фазовых превращений, происходящих при очень больших скоростях нагрева и последующем быстром охлаждении [63,893 ; лазерное плакирование, при котором излучение лазера расплавляет предварительно нанесенный на поверхность материал [713; лазерное легирование С4вЗ, в процессе которого расплавляются поверхностный слой металла и добавляемые легирующие элементы, что позволяет в локализованных объемах изменять химический состав и получать после охлаждения поверхностного слоя заданные свойства; ударное упрочнение [1203, создаваемое ударной волной, возникающей вследствие испарения верхних слоев металла при кратковременном воздействии на поверхность излучения лазера большой мощности.
Наибольшее распространение в промышленной технологии получила лазерная закалка, наиболее актуальными вопросами которой являются проблемы оптимизации и повышения эффективности режимов лазерного воздействия. Исследования последних лет наметили пути создания модели лазерной закалки сталей и позволили установить, что характер протекания процессов в зоне лазерного влияния зависит от таких параметров лазерного воздействия как энергия, размеры пучка, длительность воздействия, а также от исходной структуры упрочняемого материала.
Определенные перспективы улучшения параметров и технике-экономических показателей лазерной обработки открываются при использовании комбинации лазерного облучения с воздействием импульса энергии другой физической природы. Актуальность развития данного направления определяется прежде всего необходимостью получения на поверхности деталей структур, обеспечивающих высокие значения прочности и износостойкости, превышающие аналогичные показатели лазерной закалки. К настоящему времени накоплен определенный опыт комбинаций подобного рода. В частности, в ряде исследований [9,593 рассматривалась возможность сочетания лазерного термического воздействия с поверхностным пластическим деформированием металла, что приводит к значительному снижению шероховатости поверхности, уве личению микротвердости и формированию в поверхностном слое напряжений сжатия. Изучалась также комбинация лазерной закалки с последующим воздействием ультразвука, в которой высокоскоростному деформированию подвергается мартенсит, образующийся после лазерного термоупрочнения. Проведенные исследования 93,943 показали, что под действием ультразвука происходит дробление игл мартенсита, повышение плотности дислокаций, снижение содержания остаточного аустенита, что обеспечивает повышение прочностных и пластических характеристик слоя. Рассматривались также сочетания лазерного термического воздействия с электроискровым легированием, плазменным напылением и электроэрозионной обработкой С1073 . Необходимо отметить, что все рассмотренные варианты комбинированной обработки материалов, несмотря на определенные преимущества перед лазерной закалкой, которые выражаются в основном в улучшении характеристик поверхностного слоя, обладают рядом недостатков и нуждаются в дальнейшем развитии и совершенствовании. В частности, совмещение лазерного термического воздействия с поверхностным пластическим деформированием затруднено при обработке деталей со сложной геометрией и малыми размерами. Ряд комбинаций при практической реализации предполагает использование довольно сложного и дорогостоящего оборудования, что наряду с неоспоримой сложностью технологического цикла, затрудняет их применение на производстве. Это в полной мере относится к сочетаниям лазерного термического воздействия с плазменным напылением и электроискровым легированием. Кроме того, всем перечисленным комбинированным методам свойственна малая гибкость в управлении параметрами воздействия на поверхность обрабатываемой детали. Таким образом, несмотря на многочисленные исследования, остаются задачи, касающиеся технологического применения комбинированных методов и вопросы, связанные с воздействием лазерного излучения на материалы, которые еще далеки от оконча тельного решения.
Проведенный анализ работ по комбинированным методам обработки позволил предложить новый метод поверхностной обработки сталей, основанный на сочетании лазерного термического и ударно-волнового воздействий. В поставленную задачу исследования входило:
1- разработка и создание комплекса экспериментальных методов, включающих средства нагружения и регистрации для проведения исследований по ударно-волновой обработке сталей в диапазоне давлений от 0. і до 6.0 ГПа и длительности импульса воздействия от 0.1 до 1.0 мкс.
2- разработка нового метода поверхностной обработки сталей, основанного на сочетании лазерного термического и ударно-волнового воздействий.
3- изучение изменений структуры сталей под действием комбинированного лазерного термического и ударно-волнового воздействия.
4- создание промышленной технологии лазерной комбинированной обработки с использованием термического и ударно-волнового воздействий.
Для реализации поставленной задачи было необходимо:
1- разработать методики определения параметров ударно-волнового воздействия.
2- разработать и создать лазерную установку для комбинированной обработки.
3- провести исследования влияния комбинированной обработки на износостойкость и механические свойства сталей.
Для выполнения работы использовались твердотельные импульсные лазеры на алюмоиттриевом гранате и рубине, применяемые в настоящее время в технологических процессах.
Данная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. В первой главе представлен обзор работ теоретического и эксперимен тального характера, имеющих отношение к методам лазерной обработки материалов. Рассмотрены работы связанные с технологией традиционной лазерной закалки и работы в которых исследовалось влияние лазерного термоупрочнения на износостойкость и механические свойства сталей. Проанализированы также работы по комбинированным методам упрочнения материалов с применением лазерного воздействия. Кроме того, рассмотрены результаты исследований в которых изучались режимы возбуждения и параметры ударных волн, возбуждаемых лазерным моноимпульсным излучением, и работы в которых рассмотрены особенности строения структуры металлов после нагружения ударными волнами.
Во второй главе приведены данные структуры сталей, обработанных ударно-волновым импульсом и термическим лазерным. Ударно-волновой импульс возбуждался с помощью специальной газовой пушш и лагерными импульсами модулированной добротности. Исследования проводились на образцах иг сталей 20, 45 и У8. Приводится описание специально разработанного экспериментального комплекса для ударно-волновой обработки материалов. Рассматривается методика определения параметров ударного нагружения. Приводится методика измерения параметров лазерно-индуцированных ударных волн с применением лазерного интерферометра майкельсона. Обсуждаются результаты проведенных исследований.
В третьей главе представлены результаты исследований по созданию основ технологии комбинированного метода обработки сталей, основанного на сочетании лазерного термического и лазерного ударно-волнового воздействий. Щ едетавлена схема экспериментальной установки для комбинированной обработки сталей, основу которой составляли YAG:Nd лазер для термоупрочнения и лазер на рубине, работавший в режиме модулированной добротности, для ударно-волновой обработки. Рассматриваются варианты комбинированной обработки сталей: предварительная лазерная ударно-волновая обработка и последующая лазерная закалка; лазерная закалка и последующая лазерная ударно-волновая обработка; лазерная ударно-волновая обработка, лазерная закалка и, вновь, лазерная ударно-волновая обработка. Исследуется структура сталей после различного сочетания лазерного ударно-волнового и лазерного термического воздействий. Обсуждаются полученные результаты исследований.
В четвертой главе представлены результаты исследований износостойкости и механических свойств сталей, прошедших комбинированную лазерно-ударно-волновую обработку. Приведена схема исследования износостойкости и методика механических испытаний в условиях статического нагружения. При высокоскоростном деформировании была использована методика исследования динамических свойств материалов с использованием составных стержней Гопкинсона С133 . Приведено описание специально разработанной установки для определения механических свойств сталей в условиях высокоскоростного деформирова-ния. Представлены результаты исследования и проанализированы полученные данные.
В пятой главе даны практические рекомендации по промышленному применению комбинированной лазерно-ударно-волновой обработки режущих поверхностей штамповой оснастки. Щшедены технологический процесс и режимы обработки деталей штампов. Приводится описание многофункционального технологического лазера ЖИ-220. Приводятся результаты заводских испытаний штамповой оснастки. Экономический эффект от внедрения технологии лазерно-ударно-волновой обработки составил 50.0 тыс.рулей (в ценах 1990 г.). Кроме этого на основе результатов полученных в диссертации, совместно с ГО "Зенит" и ПО "Корунд" разработана и серийно выпускается многофункциональная лазерная установка ЖИ-220.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
Основные положения, представляемые к защите:
1. Метод комбинированного лазерно-ударно-волнового упрочнения углеродистых сталей.
2. Комплекс экспериментальных методов, включающих средства яагруавния и регистрации для проведения исследований комбинированного лазерно-ударно-волнового упрочнения углеродистых сталей.
3. Исследование изменений структуры углеродистых сталей после комбинированного лазерного ударно-волнового и лазерного термического воздействий.
4. Исследование влияния комбинированной лазерно-ударно-волновой обработки на износостойкость и механические свойства углеродистых сталей
Особенности строения металлов после нагружения ударными волнами
Ударно-волновая обработка находит все более широкое применение в технологиях упрочнения различных материалов. Ударные волны неразрушающей амплитуды, рассеивающие энергию в процессе распространения внутри металлов, приводят к необратимым изменениям их структуры С84, 111,1143.
Свойства, зафиксированные в материале после нагружения ударными волнами, представляют большой практический и научный интерес, о чем свидетельствуют многочисленные исследования С 84,102, 114,1183. Даже при малой величине пластической деформации при обработке ударными волнами структурные изменения в металле очень су- - щеетвенны [114,1153. Воздействие ударных волн на металлы и сплавы сопровождается различными механическими и фивико- химическими процессами, в том числе остаточным упрочнением. Не существует для всех металлов и сплавов, различающихся по физико-механическим свойствам, кристаллической структуре и по химическому составу, единого механизма упрочнения при воздействии ударных волн. Нередко степень упрочнения определяется амплитудой давления ударной волны [102,1043, в других случаях величиной деформации за фронтом, формой и длительностью импульса сжатия и др., однако всегда она зависит от количества искажений, остающихся в кристаллической решетке металла после прохождения ударной [111,1183. Последние могут иметь место на субмикро-, микро- и макроуровнях.
Отличительной особенностью ударного нагружения является чрезвычайно высокая скорость деформации, обусловленная малой длительностью импульса давления (0.1 - 10 мкс.). Известно С1143, что микроструктура металла при ударном нагружении определяется теми же процессам, которые происходят при любой деформации. Наиболее важным из них, контролирующим развитие структуры в г. ц. к. металлах и сплавах, является поперечное скольжение, степень развития которого зависит от ращэпления полной дислокации на частичные, т.е. определяется энергией дефекта упаковки. В материалах с высокой энергией дефекта упаковки частичные дислокации близки друг к другу, что об v легчает поперечное скольжение. Интенсивное поперечное скольжение приводит к образованию ячеистой дислокационной структуры - конфигурации с минимальной упругой энергией при данной (высокой) плотности дислокаций, создаваемой в большинстве нормально деформируемых металлов и сплавов при больших деформациях. Таким образом, прирост твердости, предела текучести и других механических свойств после импульсной деформации можно количественно связать с некоторыми пространственными характеристиками микроструктуры с помощью равнения С1023: где К - константа, связанная с пределом текучести материала до импульсного нагружения; К\- характеризует особенность микроструктуры после импульсной деформации; А - градиент деформаций.
В образующуюся при импульсном нагружении микроструктуру су-щественный вклад вносят дислокации, дислокационные ячейки, деформационные и двойниковые дефекты упаковки и другие плоские дислока ционяые скопления, двойники, точечные дефекты и их скопления С1183. Образование и плотность этих кристаллических дефектов зависят от приложенного давления.
При ударном нагружении создается высокая концентрация точечных дефектов. Главным источником точечных дефектов является неконсервативное движение ступенек на дислокациях, которые образуются в результате пересечения винтовых или смешанных дислокаций С1023. Дислокационная структура, формируемая при ударном нагружении, зависит от параметров ударной волны и материала, причем с увеличением давления плотность дислокаций увеличивается (примерно как g - ІР где j -плотность дислокаций, Р - давление). Двойникование является преобладающим механизмом деформации при ударном нагружении. Щюцесс двойникования определяется давлением (для многих металлов есть пороговое давление); кристаллографической ориентацией (двойникование осуществляется при достижении результирующим сдвиговым напряжением порогового значения в плоскости двойникования и вдоль направления двойникования); энергией дефектов упаковки (уменьшение энергии дефектов упаковки в металлах приводит к увеличению количества двойников в структуре); длительностью импульса (при увеличении длительности импульса количество двойников увеличивается); размером зерен (при определенной величине давления в крупнозернистой структуре деформация двойникованием осуществляется легче, чем в мелкозернистой структуре) [84,102,1183.
Методика определения параметров ударно-волнового воздействия
Теория ударных волн и экспериментальные метода их исследования достаточно полно рассмотрены в работах [43,47,1143. Б данном разделе ограничимся рассмотрением лишь основных положений теории ударных волн в твердых телах.
Фронт ударной волны является подвижной границей между веществом, не претерпевшим еще возмущение и характеризующимся начальными значениями плотности 0 , давления Р , внутренней энергии Во и веществом претерпевшим сжатие. Величина U , которая характеризует скорость частиц, вовлекаемых в движение вслед за передвижением фронта ударной волны называется массовой скоростью. Величина U перед фронтом волны равна нулю. За фронтом то же вещество характеризуется параметрами $ , Р , Е , U. . Условия термодинамического равновесия требуют, чтобы для объема металла, часть которого находится еще перед ударной волной, а часть за ее фронтом, выполнялись законы сохранения массы, импульса и энергии. Уравнения, связывающие давление Я , внутреннюю энергию Е , удельный объ -ем V , или плотность р , за ударной волной с соответствующими значениями перед ударной волной, носят название уравнений Рэнки-на-Гюгонио С 433 и имеют вид:
где й - скорость распространения , U - массовая скорость. Нулевой индекс относится к начальному состоянию. Следует отметить, что уравнения 2.1, 2.2, 2.3 не учитывают нагрев материала ври ударном нагружении. Значение скорости ударной волны О и массовой скорости U , как функции давления ударной волны и изменению удельного объема получают из уравнений 2.1 и 2.2
Состояние металла, находящегося под действием ударной волны в сжатом состоянии с различными параметрами (Р- V ), может быть представлено в виде кривой Р - V , называемой ударной адиабатой Гю-гонио [433. Уравнения 2.1 и 2.2 связывают между собой четыре параметра фронта ударной волны Этими параметрами являются: скорость распространения ударной волны по невозмущенному веществу 0 , скачек массовой скорости & , равный скорости движения сжатого вещества относительно невозмущенного, давление Р и удельный объем М (или плотность j ). Если измерить на опыте скорости D и И ,то по формулам 2.1 и 2.2 можно найти давление и объем, а воспользовавшись уравнением энергии 2.3 можно найти давление и объем, а воспользовавшись уравнением энергии 2.3 можно вычислить удельную внутренюю энергию " . Таким образом, задача отыскания всех механических параметров фронта ударной волны сводится к экспериментальному определению каких либо двух из них. Наиболее доступными величинами для измерения кинематических параметров в экспериментах с ударными волнами являются скорости D и И . В данном методе нагружения удар метаемым ударником производился не непосредственно по исследуемому образцу, а через пластину-экран, изготовленную из стали 45. Наличие экрана обеспечивало сохранение чистоты поверхности образцов и отсутствие большой остаточной деформации. фи этом предполагалось, что ударные адиабаты материалов ударников и пластины-экрана известны. Креме того, заранее определялась начальная плотность исследуемого материала. В процессе испытания регистрировались две величины - скорость соударения .ударника и пластинами-экрана (магнитоэлектрическим измерителем скорости) и скорость распространения фронта ударной волны D в материале исследуемого образца (диэлектрическими датчиками). Как известно С433, состояние материала на фронте ударной волны полностью определяется уравнениями: где Р - давление в материале на фонте ударной волны; - плотность материала в ударной волне; f 0 - начальная плотность материала; О - скорость распространения ударной волны в материале; bt - скачок массовой скорости. Массовая скорость U равна \yZ в традиционном методе отражения [433, где ударник и пластина-экран выполнены из одного материала. В случае, если ударник и пластина-экран изготовлены из различных материалов, вычисления производятся по формулам
Фазовые превращения в структуре закаленной лазером стали под действием лазерно-индуцированных ударных волн
Лазерная закалка углеродистых и легированных сталей на максимальную твердость в структурном отношении проявляется в образовании комплексной структуры, включающей в себя мелкодисперсный мартенсит, остаточный аустенит и другие фазовые составляющие Г65,713. Наименее стабильной фазой является остаточный аустенит, концентрация которого зависит как от начального фазово-структурного состояния и химического состава стали, так и от кинетики термического цикла лазерного воздействия [61,91,1103. Как правило, концентрация остаточного аустенита в структуре закаленной стали возрастает с увеличением количества углерода и легирующих элементов, и с увеличением скорости охлаждения. Ранее проводившиеся исследования доказывают [37,443, что остаточный аустенит оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики модифицированного материала Несмотря на отсутствие однозначного мнения о роли остаточного аустенита в улучшении трибологических свойств стали, как правило его стараются устранить и, тем самым, обеспечить наиболее полное протекание мартенситного превращения. Известны два способа разрушения остаточного аустенита: термический С 913 и деформационный [373. Первый наиболее широко используется в технологии для регулирования содержания остаточного аустенита в обработанных изделиях. В частности, для уменьшения содержания остаточного аустенита иногда применяют высокий отпуск (нагрев и выдержка при температурах выше 400 - 500 С) или обработку холодом, которая заключается в охлаждении стали после закалки до отрицательных температур, близких к точке конца мартенситного превращения (М ). Использование термических методов после лазерной термообработки с целью снижения содержания остаточного аустенита приводит к структурным изменениям объемного характера, поэтому наряду с улучшением эксплуатационных свойств поверхности может произойти снижение прочностных характеристик изделия.
Деформационный механизм распада остаточного аустенита практически не используется в технологии. Исключение представляет способ, рассмотренный в работах [92,943, смысл которого заключается в воздействии ультразвука на закаленную лазером поверхность стали. В результате ультразвукового воздействия, характеризующе-гося довольно высокой скоростью деформации t - 10 1/с, происходит снижение содержания остаточного аустенита, создание ультрамелкозернистой равновесной структуры без пиковых локальных остаточных напряжений, что исключает необходимость в операции отпуска.
Принимая во внимание результаты работ [92,943 и учитывая данные предыдущего раздела, в котором экспериментально определены основные параметры лазерно-индуцированных ударных волн (давление, длительность фронта), воздействие которых на сталь характеризуется высокой скоростью деформации с - ю 1/с, было сделано предположение, что воздействие лазерных ударных волн на структуру закаленной стали может привести к снижению содержания остаточного аустенита
Для проверки данного предположения был проведен эксперимент на образцах из стали У8. В начале образцы подвергались традиционной поверхностной лазерной термообработке. Для этого на поверхность сплава воздействовали импульсами квазистационарного излуче-ния YAG: Nd лазера со следующими характерными параметрами: длительность импульса - 5 мс, плотность потока энергии 3.5 10 Вт/см2 . Рентгеноструктурный анализ упрочненной зоны зарегистрировал образование заметного количества остаточного аустенита - 28%. Далее упрочненная область облучалась серией гигантских импульсов лазерного излучения, которые служили источником возбуждения коротких импульсов давления амплитудой порядка О Л ГПа. На рис.16 представлены дифрактограммы образцов из стали У8 после различных видов лазерного воздействия. Анализ дифрактограмм показывает образование фазы у -Fe (остаточного аустенита) после традиционной лазерной закалки в количестве 28%. Кроме того, отмечается уширение других линий, которое отражает факт измельчения блоков или возникновения микронапряжений второго рода. Анализ той же упрочненной зоны, но после воздействия серии лазерных импульсов модулированной добротности демонстрирует резкое уменьшение количества Y -Fe до значений порядка 12 - 15%. Это является свидетельством эффективного разрушения метастабильного состояния аустенита проходящими импульсами давления большой амплитуды. Небольшое количество остаточного аустенита после обработки лазерными импульсами модулированной добротности возникает в тонком слое сплава за счет нагрева излучением образующейся приповерхностной плазмы. Таким образом обнаружено, что при облучении стали, предварительно закаленной на максимальную твердость, серией лазерных импульсов модулированной добротности приводит к заметному изменению фазового состава сплава, проявляющемуся в эффективном распаде остаточного аустенита.
Далее в работе исследовались количественные закономерности распада остаточного аустенита в структуре закаленной стали под действием ударных волн, инициируемых лазерным моноимпульсным излучением. В частности, проводилось исследование относительного уменьшения концентрации остаточного аустенита в зависимости от амплитуды ударной волны и от количества лазерных импульсов с фиксированными параметрами.
Исследование влияния комбинированной лазерной обработки на механические свойства сталей при статическом нагружении
Создание модифицированного поверхностного слоя после комбинированного лазерного воздействия оказывает влияние не только на трибологические характеристики материалов. Структура упрочненного слоя, характеризующаяся высокой дисперсностью и большой твердостью оказывает влияние и на механические характеристики [523.
Свойства материалов оценивают механическими испытаниями образцов, т. е. деформированием тел определенных размеров и формы. Полученные механические характеристики используются при разработке различных технологических и термомеханических режимов, а также для контроля качества выпускаемых изделий из металла. К основным видам испытаний относятся растяжение (ГОСТ 1497-73), сжатие (ГОСТ 8817-73) и кручение (ГОСТ 3565-80).
Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным способом определения механических характеристик материалов. Испытание на растяжение дает наиболее полное представление о механических свойствах металла, так как обеспечивает уникальную возможность осуществления однородного напряженного состояния, при котором не нужно прибегать к дополнительным гипотезам о деформации образца. К тому же растягивающие напряжения наиболее опасны в реальных конструкциях и чаще всего ответственны за разрушение. В соответствии со стандартом при испытаниях на растяжение определяются следующие характеристики: предел пропорциональностиОЦ , предел упругости%&, предел текучести физический т или условный Ґ0,г, предел прочности или временное сопротивление разрыву (Ґ6 , истинное сопротивление разрыву $к относительное удлинение после разрыва и относительное сужение Y после разрыва С 741.
Для проведения испытаний при статических нагрузках в работе была выбрана установка ИММЬ20-78, предназначенная для работы с малыми испытательными нагрузками. Ниже приведены технические параметры многофункциональной установки, которые являются существенными для целей данной работы: испытательная нагрузка (Н) ,кгс количество подвижных держателей образца( шт.) 2 рабочий ход одного держателя образца при растяжении (мм)... 15 скорость перемещения держателя образца (мм/час)... 0.001-1600 Измерения деформаций образцов проводилось косвенным способом по измерению перемещения держателей образца Для измерения использовался датчик удлинения, представляющий собой консольную балку с наклеенными тензорезисторами. Тензорезисторы соеденены в мостовую схему и подключены к координате "Xй графопостроителя.
Величину перемещения активных захватов (П5), записанную на диаграмном листе, можно представить следующим образом: пъ- С + У + п где С - перемещение, определяемое жесткостью системы яагружения; У - упругая деформация; П - пластическая деформация образца.
Перемещение С определялось при нагружении жесткой пластины, устанавливаемой вместо образца, на различных пределах чувствительности системы записи деформации. Испытания проводились на плоских образцах изготовленных из стали 20 и стали 45. Толщина образца 1 мм, ширина рабочей части 4 мм, длина рабочей части 40 мм. После отжига образцы проходили лазерную обработку по четырем режимам: "В", "С", "Д", "Е". Обработке подвергались поверхности широких граней образцов вдоль оси растяжения.
Для определения глубины и микротвердости упрочненного слоя после каждого режима обработки часть образцов разрезали поперек и приготавливали микрошлифы, металлографические исследования и измерения микротвердости были проведены на приборах МИМ-8М и ШТ-3.
В результате проведенных исследований установлено, что под действием лазерного излучения по всем рассмотренным режимам происходят существенные изменения как в структуре, так и в механических свойствах исследуемых сталей. В частности при лазерном термоупрочнении сталей 20 и 45 их структура превращается из перлит-но-ферритной в аустенитно-мартенситную (сталь 45) и структуру типа малоуглеродистого мелкодисперсного мартенсита (сталь 20). Рентгеновским фазовым анализом, проведенным на установке ДРОН-ЗМ, обнаружено в стали 45 небольшое (около 8%) количество остаточного аустенита. В стали 20 после лазерной термообработки остаточный аустенит обнаружен не был. В таблице 4.2 приведены средние значения механических характеристик, полученные при испытании образцов из стали 20 после различных режимов обработки.
