Разработка и освоение технологий поверхностного термического упрочнения и наплавки металлических материалов лазерным излучением

• Автор: Гаврилов, Геннадий Николаевич
• Шифр специальности: 05.16.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 398 с. : ил

1.1. Анализ использования лазерных технологий и основные научные проблемы применения лазерного излучения ия повышения прочности и износостойкости поверхностных слоев изделий

1.2. Тепловое воздействие на материал при лазерной обработке.

ГЗ. Особенности влияния сверхскоростного нагрева и охлаждения на фазовую перекристаллизацию сталей.
1.3.1. Причины возникновения склонности к замедленному разрушению лазернообработанных зон
1.3.2. Поведение диффузионноподвижного водорода в зоне лазерного воздействия при обработке металлических материалов
1.4. Современное состояние и анализ научных положений и технологических процессов лазерного легирования поверхности металлических материалов

1.5. Современное состояние и анализ научных проблем процессов лазерной наплавки.

1.6. Расчетные методы прогнозирования и оценки структуры поверхностного слоя сталей при лазерном воздействии

Выводы но главе I, цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. Материалы, оборудование и методы проведения исследований.

2. Г Обоснование выбора материалов для исследований

2.2. Предварительная объемная термическая обработка и характеристики оборудования для лазерной обработки образцов
2.3. Металлографические методы исследования структуры зоны лазерною воздействия
2.4. Методы измерения твердости
2.5. Исследования фазовою состава и тонкой структуры зоны лазерного воздействия .
2.6. Анализ водорода в сталях при лазерной обработке.
2.7. Определение релаксационной способности и плотности обращов
2.8. Испы тания механических свойств и износостойкости сталей
2.9. Статистические методы обработки результатов измерений
Выводы по главе 2.
ЛАВА 3. Формирование микроструктуры и свойств при лазерной обработке металлических материалов в непрерывном режиме излучения
3.1. Исследование строения, величины и свойств зон термическою упрочнения сталей , У8А, У ЮЛ, 9ХС, ХВГ и ХФ1 с исходными микроструктурами, близкими к равновесным
3.2. Исследование причин образования поверхностных трещин при лазерной закалке.
3.3. Испытания механических свойст в и износостойкости сталей после лазерного термическою упрочнения
3.3.1. Испытания механических свойств и определение предельных удельных усилий, выдерживаемых лазерноупрочненной поверхностью.
3.3.2. Испытания износостойкости сталей после лазерного термического упрочнения их поверхности
Выводы но главе 3.
ГЛАВА 4 Формирование структуры и свойств металлических материалов при лазерном легировании и лазерной наплавке в непрерывном режиме излучения
4.1. Исследование структуры и свойств сталей . У8А и 6ХС при лазерном легировании никелем, молибденом, вольфрамом, хромом, бором и боридом вольфрама при непрерывном лазерном воздействии.
4.2. Влияние легирующей обмазки на формирование глубины зоны легирования
4.3. Исследование структуры и свойств поверхности при однослойной лазерной наплавке порошками инструментальных сталей ПР0Р6М5. ПРХ5ВЗМФ5С и порошками па основе никеля ПГСР2, ПГСР4
4.3.1. Влияние объемной термической обработки и дополнительной лазерной обработки на микроструктуру и свойства наплавленных слоев.
4.3.2. Анализ фазового состава наплавленных слоев.
4.4. Исследование структуры и свойств поверхности при многослойном лазернопорошковой наплавке.
Выводы но главе 4.
ГЛАВА 5. Развитие физических и математических моделей теплофизических процессов при лазерной обработке поверхности металлических материалов
5.1. Математическая модель диффузии водорода для двухфазною состояния в зоне лазерного воздействия
5.2. Физическая модель диффузии водорода и причины охрупчивания зоны лазерного воздействия.
5.3. Математическая модель процесса лазерного легирования поверхности стали металлическими компонентами.
5.3.1. Тепловые по1 оки и массоперснос в зоне лазерного легирования
5.3.2. Математическая модель связи теплового поля и распределения компонентов по глубине при лазерном легировании
5.3.3. Расчет распределения изотерм температурного поля в поверхностном слое при лазерном легировании
Выводы по главе 5.
ГЛАВА 6. Производственное освоение производственных упрочняющих технологий поверхностная закалка, легирование, паплавка на основе использования непрерывного лазерного излучения
Выводы по главе 6.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Обобщая многочисленные экспериментальные данные по исследованию причин, приводящих к появлению холодных трещин в сварных соединениях в работе 6 указываются следующие основные факторы, окатывающие влияние на сопротивляемость сварных соединений образованию холодных трещин структурный, водородный, силовой, температурный и масштабный. Наличие многих факторов, способствующих возникновению холодных трещин, и явилось причиной появления многочисленных гипотез относительно их природы. Из указанных выше основных факторов, обусловливающих возникновение явления замедленного разрушения, практически тте изученными в условиях лазерной закалки являются действие остаточного аустенита и диффузионноподвижного водорода. Источником дополнительного наводороживания поверхностного слоя сталей могут быть предшествующие технологические операции изготовления деталей, например, термическая обработка на воздухе и в специальных средах, электролитическая обработка. В результате образование трещин крит ической длины становится менее вероятным 1. Другим направлением снижения склонности сталей к трещинообразованию является огггимизация их химического состава за счет обеспечения минимального содержания в стали вредных примесей, которые обогащаю границы зерен и снижают их прочность. Снижение склонности сталей к трещинообразованию наблюдается при создании в их струюуре гидридоподобных комплексов на дефектах структуры с целью максимальною снижения диффузионной подвижности атомов водорода в металле. Однако введение в сталь повсрхностноактивных элементов может привести к заметному снижению п. В значительной степени происходит снижение склонност и сталей к трещинообразованию при диспергировании и сфсроидизации фазовых составляющих и повышении однородности структуры, гто обеспечивает равномерность пластической деформации и распределение водорода 2, 3. Большое влияние на процесс возможною грещинообраювания при лазерной закалке высокопрочных сталей могут оказывать внутренние напряжения. Известно, что вероятность образования трещин в закаленной стали резко уменьшается, сели мартенситное превращение в ней начинается и заканчивается при более высоких температурах . В условиях использования лазерной обработки это можно обеспечить предварительным подогревом лазернозакаливаемой стали. В литературе сведений по данному вопросу явно недостаточно. Поэтому представляет интерес исследование совместного влияния остаточного аустенита и водорода на стойкость зоны лазерной закалки к образовании холодных трещин и на основе этого разработка способа предупреждения появления поверхностных трещин в термически упрочненной зоне. Поведение диффузионноподвижного водорода в зоне лазерного воздействия при обработке металлических материалов. Согласно среднее содержание водорода в стали не соответствует равновесному распределению водорода между фазовыми составляющими. Так. I и в кристаллической решетке приводит к появлению в поверхностных слоях металла избыточного содержания водорода но сравнению с внутренними объемами. После лазерной обработки возникают дополнительно и внутренние термические и фазовые напряжения, которые также могут способствовать восходящей диффузии водорода в зону лазерного воздействия . Величина фазовых напряжений при этом будет определяться соотношением количества мартенсита и остаточного аустенита в структуре закаленной стали, что в свою очередь зависит от содержания углерода и режимов лазерной обработки. Соответственно неоднородным будет и распределение остаточного водорода в зоне лазерного воздействия. Вследствие того, что водород обладает различной растворимостью в а и 7железе 5. В работах 6. Растворимость водорода в стали зависит от типа ее структуры и плотности дефектов кристаллического строения. Большие значения растворимости водорода в закаленной стали обусловлены более высокой плотностью дискжапий. По данным , плотность дислокаций в реечном мартенсите составляет ЮМо1 см В остаточном аустенитс после лазерной закалки в результате типового наклепа плотность дислокаций также высока и составляв 0. К1 см 8. В работе 9 показано, что дислокации являюся оффекивньми ловушками для водорода лишь в области низких темпера гур и при высокой плотности дислокаций. При температурах же выше К0С дислокации практически не оказывают влияния на кинетику дегазации. Г раницы зерен яв.