MASSTRANSFERT OF CARBON IN THE TOOLS STEAL U8 UNDER INFLUENSE PULSE LASER

Abstract

The work is devoted to the analysis of masstransfers of carbon in tools steal U8 under influens pulse laser. Experimentally the demonstred distribution the phase (martensite and austenite) of using laser pulse.

Full Text

Процессы перераспределения углерода в сталях при импульсных воздействиях различной физической природы представляет как научный, так и практический интерес, поскольку позволяет варьировать физико-механические свойства: твёрдость, износостойкость и долговечность конструкционных и инструментальных материалов. Этому вопросу посвящено большое количество работ [1-6]. Как указывалось выше, углерод в сталях может находиться в составе твердых растворов или химических соединений - карбидов. Особый интерес представляют закаленные стали, имеющие в своем структурно-фазовом составе мартенсит и остаточный аустенит. Содержание углерода в мартенсите и остаточном аустените однозначно связано с периодом кристаллической решетки указанных фаз. Аналитически эти зависимости имеют вид [5]: для мартенсита: а = 2,866 - 0,015р; с = 2,866 + 0,118р; с/а = 1 +0,0467р. (1) Для остаточного аустенита: а = 3,555 + 0,044р. (2) Здесь р - содержание углерода в % по массе. Межплоскостные расстояния d/n определяются с помощью номограммы из работы [5]. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ В данной работе был изучен процесс перераспределения углерода в инструментальной стали У8 эвтектоидного состава (с содержанием углерода 0,8%) при импульсного лазерном воздействии. Обработка осуществлялась на установке ГОС-1001. Предварительно отожженный образец имел размеры: 40х40х8мм. Режимы воздействия были следующими: длительность лазерного импульса ~ 1мс, энергия импульса ~ 300 Дж, диаметр пятна лазерного излучения - 11 мм; обработка велась на воздухе. Наблюдалось частичное оплавление поверхности обработки. Далее был произведен послойный рентгеноструктурный анализ на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3.0 с использованием фильтрованного Кα-излучения кобальта. Слои снимались методом электрополирования с периодическим контролем толщины индиикатором часового типа (цена деления - 0,01 мм). Для определения количества остаточного аустенита был использован метод гомологических пар [6]. Были выбраны линии (200)γ остаточного аустенита и линии (110-011, 101)α мартенситного дублета. Расположение линий на различных глубинах и в эталоне из отожженной стали У8 представлены на Рис. 1. По интенсивности и расположению центра тяжести линии (200)γ можно судить о количестве остаточного аустенита в структуре стали и процентном содержании углерода в аустените. Период кристаллической решетки аустенита можно рассчитать, зная расположение максимумов дифракционных линий. Для этого использовалась формула Вульфа-Бреггов: dhk l= , (3) где n - порядок отражения, λ - длина волны рентгеновского излучения (для излучения кобальта λ=1,79021А), θ - угол скольжения. Методика определения количества остаточного аустенита была следующей. Определялись: площадь S1 под кривой (110-011, 101)α мартенсита вместе с линией (111)γ аустенита и S2, - площадью под кривой (200)γ аустенита. Тогда количество остаточного аустенита Aауст = (4) После расчета межплоскостного расстояния для линии (200)γ остаточного аустенита по формуле (4) определялось содержание углерода в этой фазе. Среднее количество углерода в мартенсите определялось по степени тетрагональности с/a. Определение количества остаточного аустенита и мартенсита, а также содержание углерода в них при импульсной лазерной обработке стали У8 ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ Из результатов расчета видно, что с увеличением глубины количество остаточного аустенита уменьшается с 23% (на поверхности образца) до нуля (на глубине 140 мкм), а содержание углерода в остаточном аустените увеличивается с 0,63% (на поверхности образца) до 1,9% (на глубине 110 мкм). Этот экспериментально наблюдаемый факт можно объяснить следующим образом. Температура лазерного нагрева стали снижается с увеличением глубины зоны термического воздействия. Во время нагрева выше температуры Ас1 (на глубине от 0 до 110-140 мкм) происходит образование аустенита, который при последующим быстром охлаждении стали должен превратиться в мартенсит. Часть аустенита не превращается, так как для этого необходимо дальнейшее охлаждение ниже комнатной температуры. Как известно [7], чем больше углерода в аустените, тем ниже температура начала мартенситного превращения, поэтому наиболее стабилен аустенит, имеющий наибольшее содержание углерода (в данном случае такой аустенит находится на глубине 110-140 мкм). Так как на такой глубине температура нагрева лишь ненамного превышала температуру Ас1,то и аустенита здесь образовалось мало. Поскольку основным источником углерода в стали У8 является цементит (находящийся в составе перлита), с содержанием углерода 6,67%, то его полное растворение затруднено в связи с кратковременностью лазерного импульса, а также недостаточно высокой температурой на данной глубине. ВЫВОДЫ 1. Проведено послойное количественное определение фазового состава стали У8 после импульсного лазерного воздействия. 2. С увеличением глубины количество остаточного аустенита уменьшается с 23% (на поверхности образца) до нуля (на глубине 140 мкм), а содержание углерода в остаточном аустените увеличивается с 0,63% (на поверхности образца) до 1,9% (на глубине 110 мкм). 3. Поскольку основным источником углерода в стали У8 является цементит (находящийся в составе перлита), с содержанием углерода 6,67%, то его полное растворение затруднено в связи с кратковременностью лазерного импульса, а также недостаточно высокой температурой на данной глубине. Рис. 1. Расположение дифракционных линий остаточного аустенита (200)γ и мартенсита (110-011, 101)α на эталоне (кривая 1), на поверхности (кривая 2) и на глубинах 50, 90, 110 и 140 мкм, (соответственно, кривые 3, 4, 5 и 6) при импульсной лазерной обработке стали У8. Рис. 2. Распределение количества остаточного аустенита - . и концентрации углерода в остаточном аустените - × по глубине зоны импульсного лазерного воздействия в стали У8.