Особенности структурной организации металлов и сплавов при экстремальном тепловом воздействии

• Автор: Дьяченко, Лариса Дмитриевна
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 217 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

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 лазерног о 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. Теплофизические 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—>сх 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 упрочнения
7.2 Производственные испытания упрочненного металлообрабатывающего инструмента и технологической оснастки
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Библиографический список
Приложения

ВВЕДЕНИЕ
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 на 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 вакуумпрования. 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 миллисекундного 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 травимостыо. Глубина этой зоны зависит от плотности

3. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В МЕТАЛЛАХ ПРИ ИХ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ С ГИПЕРВЫСОКИ-МИ СКОРОСТЯМИ 3;1 Численное моделирование тепловых процессов
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 термообрабо тке.
Воздействие на материалы источниками-КПЭ характеризуется рядом уникальных свойств: большой «интенсивностью (мощностью) потока электромагнитной энергии, значительной; степенью временной и. пространственной когерентности. Вследствие этого лазерное излучение отличается от других источников электромагнитной энергии очень узкой направленностью своего распространения. Диапазон длин волн, генерируемых лазерами, весьма широкий - от ультрафиолетовой до инфракрасной областей спектра (~,0,1-70 мкм).
При воздействии КПЭ на металлические материалы основную роль в создании той или иной зоны нагрева, определяющей характер обработки, играют энергетические параметры: энергия, мощность, плотность энергии, длительность импульса, пространственная и временная структура излучения, пространственное распределение плотности мощности излучения в пятне фокусировки, условия фокусировки, физические свойства материала (отражательная способность, теплофизические свойства, температура плавления, теплопроводность, теплоемкость и другие).
Попадающий на поверхность материала световой поток частично-отражается, а большая его часть проходит в глубину металлического тела и поглощается: Таким образом, как на поверхности тела, так и внутри; начиная с некоторого времени, действует тепловой: источник, распределенный в пространстве и времени определенным образом. Интенсивность поглощенного излучения I для большинства случаев изменяется в по глубине 2 твердого тела для нормально падающего луча по закону Бугера [8,12]:
дг,0=/0(0-С1-/г).е-А , (зл)
где /0 - интенсивность излучения, подводимая к поверхности,
Я - коэффициент отражения,
А - коэффициент поглощения.
Для анализа тепловых процессов при лазерном термоупрочнении материалов, рассмотрим основные соотношения процесса импульсного лазерного облучения для случая, одномерной тепловой модели. Следует отметить, что данная задача не позволяет в полной