ПЕРЕРАСПРЕЛЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА В ЭВТЕКТОИДНОЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ У8 ПРИ ОБРАБОТКЕ ИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Аннотация

Работа посвящена изучению массопереноса углерода в инструментальной стали У8 при обработке импульсным лазерным излучением. Экспериментально изучено распределение основных фаз (мартенсита и остаточного аустенита) по глубине зоны лазерного воздействия.

Полный текст

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.