Влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38ХН3МФА
Представлены результаты исследований структурно-фазовых состояний в поверхностных слоях конструкционной стали 38ХН3МФА и их изменений в различных условиях упрочняющей обработки лазерным и лазерно-плазменным легированием. На базе экспериментальных исследований проведена аналитическая оценка дифференц...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113063 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38ХН3МФА / Л.И. Маркашова, В.Д. Шелягин, О.С. Кушнарева, А.В. Бернацкий // Автоматическая сварка. — 2015. — № 5-6 (742). — С. 131-137. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-113063 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Маркашова, Л.И. Шелягин, В.Д. Кушнарева, О.С. Бернацкий, А.В. 2017-01-31T18:44:52Z 2017-01-31T18:44:52Z 2015 Влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38ХН3МФА / Л.И. Маркашова, В.Д. Шелягин, О.С. Кушнарева, А.В. Бернацкий // Автоматическая сварка. — 2015. — № 5-6 (742). — С. 131-137. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113063 621.9.048.7 Представлены результаты исследований структурно-фазовых состояний в поверхностных слоях конструкционной стали 38ХН3МФА и их изменений в различных условиях упрочняющей обработки лазерным и лазерно-плазменным легированием. На базе экспериментальных исследований проведена аналитическая оценка дифференцированного вклада всех образующихся при упрочнении структур и их параметров (химического состава, зеренной и субзеренной структур, плотности дислокаций, размеров и объемной доли фазовых выделений и т.п.) в изменение прочностных характеристик легированных слоев, условий трещинообразования, обусловленных формированием локальных концентраторов внутренних напряжений — зон зарождения и распространения трещин, а также механизмов релаксации такого типа напряжений. The results of investigations of structural-phase conditions in surface layers of structural steel 38KhN3MFA and their changes under different modes of strengthening by laser and laser-plasma alloying are given. Experimental investigations were used as a basis for analytical evaluation of differential input of all structures being formed in strengthening and their parameters (chemical composition, grain and subgrain structures, dislocation density, volume fraction of phase precipitates etc.) in change of strength characteristics of alloyed layers, conditions of crack formation promoted by formation of local internal stress concentrators, i.e. zones of nucleation and propagation of cracks, as well as mechanisms for relaxation of such type of stresses. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Наплавочные материалы. Наплавленный металл. Состав, структура, свойства Влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38ХН3МФА Effect of technological parameters of laser and laser-plasma alloying on properties of 38KhN3MFA steel layers Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38ХН3МФА |
| spellingShingle |
Влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38ХН3МФА Маркашова, Л.И. Шелягин, В.Д. Кушнарева, О.С. Бернацкий, А.В. Наплавочные материалы. Наплавленный металл. Состав, структура, свойства |
| title_short |
Влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38ХН3МФА |
| title_full |
Влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38ХН3МФА |
| title_fullStr |
Влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38ХН3МФА |
| title_full_unstemmed |
Влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38ХН3МФА |
| title_sort |
влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38хн3мфа |
| author |
Маркашова, Л.И. Шелягин, В.Д. Кушнарева, О.С. Бернацкий, А.В. |
| author_facet |
Маркашова, Л.И. Шелягин, В.Д. Кушнарева, О.С. Бернацкий, А.В. |
| topic |
Наплавочные материалы. Наплавленный металл. Состав, структура, свойства |
| topic_facet |
Наплавочные материалы. Наплавленный металл. Состав, структура, свойства |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Effect of technological parameters of laser and laser-plasma alloying on properties of 38KhN3MFA steel layers |
| description |
Представлены результаты исследований структурно-фазовых состояний в поверхностных слоях конструкционной стали 38ХН3МФА и их изменений в различных условиях упрочняющей обработки лазерным и лазерно-плазменным легированием. На базе экспериментальных исследований проведена аналитическая оценка дифференцированного вклада всех образующихся при упрочнении структур и их параметров (химического состава, зеренной и субзеренной структур, плотности дислокаций, размеров и объемной доли фазовых выделений и т.п.) в изменение прочностных характеристик легированных слоев, условий трещинообразования, обусловленных формированием локальных концентраторов внутренних напряжений — зон зарождения и распространения трещин, а также механизмов релаксации такого типа напряжений.
The results of investigations of structural-phase conditions in surface layers of structural steel 38KhN3MFA and their changes under different modes of strengthening by laser and laser-plasma alloying are given. Experimental investigations were used as a basis for analytical evaluation of differential input of all structures being formed in strengthening and their parameters (chemical composition, grain and subgrain structures, dislocation density, volume fraction of phase precipitates etc.) in change of strength characteristics of alloyed layers, conditions of crack formation promoted by formation of local internal stress concentrators, i.e. zones of nucleation and propagation of cracks, as well as mechanisms for relaxation of such type of stresses.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113063 |
| citation_txt |
Влияние технологических параметров лазерного и лазерно-плазменнного легирования на свойства наплавленных слоев стали 38ХН3МФА / Л.И. Маркашова, В.Д. Шелягин, О.С. Кушнарева, А.В. Бернацкий // Автоматическая сварка. — 2015. — № 5-6 (742). — С. 131-137. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT markašovali vliânietehnologičeskihparametrovlazernogoilazernoplazmennnogolegirovaniânasvoistvanaplavlennyhsloevstali38hn3mfa AT šelâginvd vliânietehnologičeskihparametrovlazernogoilazernoplazmennnogolegirovaniânasvoistvanaplavlennyhsloevstali38hn3mfa AT kušnarevaos vliânietehnologičeskihparametrovlazernogoilazernoplazmennnogolegirovaniânasvoistvanaplavlennyhsloevstali38hn3mfa AT bernackiiav vliânietehnologičeskihparametrovlazernogoilazernoplazmennnogolegirovaniânasvoistvanaplavlennyhsloevstali38hn3mfa AT markašovali effectoftechnologicalparametersoflaserandlaserplasmaalloyingonpropertiesof38khn3mfasteellayers AT šelâginvd effectoftechnologicalparametersoflaserandlaserplasmaalloyingonpropertiesof38khn3mfasteellayers AT kušnarevaos effectoftechnologicalparametersoflaserandlaserplasmaalloyingonpropertiesof38khn3mfasteellayers AT bernackiiav effectoftechnologicalparametersoflaserandlaserplasmaalloyingonpropertiesof38khn3mfasteellayers |
| first_indexed |
2025-11-24T16:25:16Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:25:16Z |
| _version_ |
1850482296940920832 |
| fulltext |
1315-6/2015
Наплавочные материалы
УДК 621.9.048.7
ВЛИяНИЕ ТЕхНОЛОГИЧЕСКИх ПАрАМЕТрОВ
ЛАЗЕрНОГО И ЛАЗЕрНО-ПЛАЗМЕНННОГО ЛЕГИрОВАНИя
НА СВОйСТВА НАПЛАВЛЕННых СЛОЕВ СТАЛИ 38хН3МФА
Л.И. МАРКАШОВА, В.Д. ШЕЛЯГИН, О.С. КУШНАРЕВА, А.В. БЕРНАЦКИЙ
ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Представлены результаты исследований структурно-фазовых состояний в поверхностных слоях конструкционной стали
38хН3МФА и их изменений в различных условиях упрочняющей обработки лазерным и лазерно-плазменным леги-
рованием. На базе экспериментальных исследований проведена аналитическая оценка дифференцированного вклада
всех образующихся при упрочнении структур и их параметров (химического состава, зеренной и субзеренной структур,
плотности дислокаций, размеров и объемной доли фазовых выделений и т.п.) в изменение прочностных характери-
стик легированных слоев, условий трещинообразования, обусловленных формированием локальных концентраторов
внутренних напряжений — зон зарождения и распространения трещин, а также механизмов релаксации такого типа
напряжений. Библиогр. 12, рис. 6.
К л ю ч е в ы е с л о в а : конструкционная сталь, рабочая поверхность, лазерное, лазерно-плазменное поверхностное
легирование, структура, субструктура, фазовые выделения, плотность дислокаций, эксплуатационные свойства по-
верхностей
Одной из главных задач при изготовлении дета-
лей машин и механизмов является обеспечение
их служебных характеристик, что, как правило,
зависит от условий их эксплуатации и от соот-
ветствующих свойств материалов, из которых
эти детали изготовлены [1]. Что же касается кон-
струкций с особыми свойствами их поверхностей,
то работоспособность и увеличение срока службы
такого типа конструкций может быть обеспечена,
прежде всего, за счет соответствующих техноло-
гий упрочнения поверхностных слоев, к которым
в настоящее время относятся лазерные и лазер-
но-плазменные способы их обработки [2].
Следует при этом отметить, что в условиях ис-
пользования отмеченных технологий возникают
и проблемы, в значительной степени связанные
с накоплением локальных внутренних напряже-
ний в обработанных поверхностях, что является
основной причиной снижения трещиностойко-
сти и, соответственно, служебных свойств всей
конструкции.
Учитывая тот факт, что практически все свой-
ства, включая и трещиностойкость материалов,
определяются их структурно-фазовым состояни-
ем, исследования характера структур и их изме-
нений в поверхностных слоях металла в условиях
различных технологических обработок в сочета-
нии с последующей оценкой влияния формирую-
щихся структур на их эксплуатационные свойства
является актуальной задачей, поскольку такого
типа экспериментально-аналитический подход
дает возможность обеспечить за счет оптимиза-
ции поверхностных структур необходимые экс-
плуатационные свойства упрочняемых поверхно-
стей [3–5].
Экспериментальная информация о структур-
но-фазовом состоянии легированных слоев кон-
струкционной стали 38хН3МФА (поверхность
кольцевых образцов 187×125×30 мм) и ее измене-
ниях была получена для условий лазерного и лазер-
но-плазменного легирования [6] с использованием
механической смеси порошков фракции 0…40 мкм
следующего состава (мас. %): 46(WC – W2С) +
46Cr + 4Al + 4Si (лазерное легирование) и 48(WC–
W2С) + 48Cr + 4Al (лазерно-плазменное легирова-
ние). При этом использовались следующие режи-
мы обработки: при лазерном способе легирования
мощность Р составляла 3,5…4,4 кВт; скорость ле-
гирования v от 400 до 750 мм/мин при величине
расфокусировки излучения ∆F = +30…+45 мм. Ла-
зерно-плазменное легирование выполнялось при по-
стоянной мощности Р = 3 кВт, но с изменяющейся
скоростью легирования v = 500...750 мм/мин с нало-
жением различного количества дорожек.
Комплексными исследованиями на всех струк-
турных уровнях от макро (зеренного) до микро
(дислокационного) [7] с использованием световой
(Versamet-2), аналитической растровой (СЭМ-515,
фирма «PHILIPS», Голландия), а также просвечи-
вающей микродифракционной электронной ми-
кроскопии (JEM-200Сх, фирма «JEOL», япония)
установлено следующее.
Поверхностный легированный слой при всех
исследуемых способах обработки имеет четко вы-
© Л.И. Маркашова, В.Д. шелягин, О.С. Кушнарева, А.В. Бернацкий, 2015
132 5-6/2015
Международная конференция «Наплавка»
раженную кристаллическую структуру. Однако
для режимов лазерно-плазменной обработки ха-
рактерно уменьшение размеров и преобладание
более глобулярного (ячеистого) характера фор-
мирующихся в поверхностных слоях структур
(рис. 1). А наиболее проблемными дефектными
зонами для всех исследуемых поверхностей (как
при лазерном, так и при лазерно-плазменном ле-
гировании) являются области микротрещин, в
которых наблюдается резкое увеличение концен-
трации Cr (до 25 %) (рис. 2). Однако если в ус-
ловиях лазерной обработки трещины наблюда-
ются не только в легированном слое, но и в зоне
сплавления, а также в основном металле, то при
лазерно-плазменном легировании области рас-
пространения трещин заметно сужаются: трещи-
ны не обнаруживаются ни в зоне сплавления, ни,
тем более, в основном металле [6]. И для выявле-
ния причин трещинообразования, проявляющего-
ся при определенных технологических режимах
поверхностной обработки, выполнены более де-
тальные исследования параллельно на образцах,
полученных при оптимальных технологических
режимах (отсутствие трещин или минимальное их
количество) и при отклонениях от оптимального
режима (условия формирования значительного ко-
личества трещин).
Установлено, что при лазерном легировании
Р = 4,4 кВт, v = 400 мм/мин (отклонение от оп-
тимального режима) формирующаяся структура
в обработанных поверхностных слоях отличает-
ся повышенными показателями микротвердости
HVпов = 4830…5720 МПа, значения которых пре-
вышают соответствующие показатели основно-
го металла HVом = 3760…3820 МПа, т.е. градиент
микротвердости ∆HV от поверхности до основно-
го металла составляет порядка 1070…1850 МПа.
Кроме того, для обработанных поверхностей ха-
рактерна незначительная микропористость (Vд
до ~1 %). Что же касается типа формирующихся
структур и их размеров, то исследованиями уста-
новлено, что при указанных режимах обработки в
легированных поверхностных слоях формируются
структуры преимущественно игольчатого типа, в
том числе — мартенсит, а также структуры верх-
него и нижнего бейнита, насыщенные протяжен-
рис. 1. Микроструктура (×500) поверхности конструкционной стали 38хН3МФА в условиях лазерного (а) и лазерно-плазмен-
ного легирования (б)
рис. 2. Изображение микротрещин в области поверхностного легированного слоя (а), распределение Cr вдоль данной трещи-
ны (б)
1335-6/2015
Наплавочные материалы
ными (h×l = 0,06×1…0,5×1,6 мкм) карбидами зер-
нограничного типа (рис. 3, а). При этом следует
отметить крупнозернистость игольчатых струк-
тур (h×l до ~15×150 мкм) с коэффициентом фор-
мы зерен æ до ~10, что свидетельствует о протя-
женности образующихся в поверхностных слоях
структур.
Исследования концентрационных изменений,
а также наличия и распределения частиц фазовых
образований различного состава, вносимых при
обработке с порошковой смесью, показали, что
при указанных обработках во внутренних объемах
зерен легированных слоев наблюдается сравнитель-
но равномерное распределение включений размером
dфв до ~ 25 мкм, состоящих преимущественно из
карбидов вольфрама (WC + W2C), объемная доля Vд
которых составляет порядка 1 %. Наблюдается так-
же формирование локальных зон повышенной кон-
центрации хрома(до ~ 20…25 %), распределение
которых проявляется, как правило, вдоль межзе-
ренных границ. Такого типа области четко фикси-
руются на картах распределения химических эле-
ментов при соответствующих исследованиях.
Для тонкой (дислокационной) структуры в
случае исследуемых режимов лазерного леги-
рования для металла легированных слоев харак-
терно крайне неравномерное распределение дис-
локационной плотности, отличающееся резким
повышением (в основном вдоль межзеренных
границ) плотности дислокаций до значений ρ ~
9×1011…1×1012 см-2, что значительно выше значе-
ний внутризеренной дислокационной плотности,
где ρ ~ 8×108…2×1010 см-2. Такого типа протяжен-
ные плотные дислокационные скопления, как пра-
вило, взаимно связаны с весьма высокими пригра-
ничными концентрационными распределениями
хрома и, соответственно, формированием в этой
зоне (вдоль межзеренных границ) хромсодержа-
щих (типа Cr23C6) карбидных фаз (рис. 2, б).
В случае оптимального режима лазерного ле-
гирования (Р = 3,5 кВт, v = 500 мм/мин) (по срав-
нению с режимом с отклонением от оптималь-
ного) наблюдаются кардинальные изменения
структурно-фазового состояния обработанных
поверхностей, для которых характерно форми-
рование более мелкозернистой мартенситно-ау-
стенитной структуры (рис. 3, в, г) (размер зерна
h×l снижается до 40×125 мкм) при существенном
уменьшении коэффициента формы (æ ~ 3) зерен,
что свидетельствует не только об обеспечении
мелкозернистости, но и о равноосности структу-
ры поверхностей в условиях оптимальных режи-
мов обработки.
Сравнительно равномерным оказывается и рас-
пределение химических элементов, вносимых при
оптимальной обработке: так, если содержание Cr
рис. 3. Тонкая структура поверхностного слоя, полученного лазерным легированием: Р = 4,4 кВт, v = 400мм/мин (а, б): а —
градиент распределения дислокаций вдоль фазовых выделений во внутренних объемах кристаллитов (×37000); б – внутрен-
няя структура фазовых выделений (×30000); Р = 3,5 кВт, v = 500 мм/мин (в, г), где в — равномерное распределение плотности
дислокаций в аустенитной структуре (×20000); г — мартенситная структура (×30000)
134 5-6/2015
Международная конференция «Наплавка»
и W в объемах зерен фиксируется на уровне ~ 6
и 7 % соответственно, то в приграничных обла-
стях возрастание такого типа концентраций не-
значительно (до ~8 и 9 %). Последнее свидетель-
ствует об отсутствии существенного градиента
по распределению в поверхностных слоях метал-
ла вносимых обработкой химических элементов.
Кроме того следует отметить, что в поверхност-
ных слоях отмечается минимальное количество
пор, а также резкое (до ~1 %) уменьшение коли-
чества трещин, незначительное изменение микро-
твердости в зоне поверхность – основной металл.
Показательны для оптимальных режимов по-
верхностной лазерной обработки и особенности
формирования дислокационной структуры в по-
верхностных слоях: для данных случаев легирова-
ния характерно более равномерное распределение
дислокаций при общем снижении их плотности (ρ
порядка от 2×109 до 4×109 см-2) (рис. 3, в). Срав-
нительную равномерность следует отметить и в
отношении размеров и распределения частиц фа-
зовых выделений, которые в поверхностных слоях
в условиях оптимальной лазерной обработки бо-
лее дисперсны (их размеры dфв ~ 0,04…1,2 мкм) и
сравнительно равномерно распределены в основ-
ном во внутренних объемах зерен. Причем прак-
тически отсутствуют внесенные частицы крупных
размеров карбидов вольфрама (WC + W2C).
В условиях лазерно-плазменного легирова-
ния в случае отклонения от оптимального режи-
ма (Р = 3 кВт, v = 500 мм/мин — наложение че-
тырех дорожек) для обработанных легированных
слоев металла характерно: формирование струк-
туры игольчатого типа, но с укрупнением вели-
чины зерна (h×l до 20×150 мкм) и коэффициен-
та их формы (æ ~ 8); увеличение количества (до
~10 %) крупных включений (WC+W2C) размером
до 50…230 мкм; возрастание поверхностной ми-
кротвердости HV и пористости (до ~ 20 %), а так-
же весьма значительное увеличение в поверхност-
ных слоях количества трещин (до 30 %).
Кроме того, установлены также и весьма зна-
чительные локальные изменения концентрации Cr
в определенных структурных зонах: повышение
(до 17 % и более) хрома наблюдается преимуще-
ственно вдоль зон межзеренных границ и линии
сплавления. характерным для условий указанных
режимов является также четкая локализация про-
цессов трещинообразования вдоль области линии
сплавления, отличающихся и наибольшим гради-
ентом по концентрации хрома (∆Cr ~15 %), и фор-
мированием протяженных дислокационных ско-
плений с высокой плотностью дислокаций (ρ до
~8×1011 см-2) (рис. 3, а, б).
При оптимальном режиме лазерно-плазменно-
го легирования (Р = 3 кВт, v = 500 мм/мин — один
проход) для металла легированных слоев харак-
терно: некоторое увеличение твердости поверх-
ностного слоя, но без градиента по сравнению с
основным металлом; существенное диспергиро-
рис. 4. Тонкая структура слоя, легированного лазерно-плазменной обработкой при Р = 3 кВт, v = 500 мм/мин (наложение че-
тырех дорожек): резкий градиент по распределению плотности дислокаций, как в объеме кристаллитов (а — ×30000), так и
вдоль границ (б — ×20000); при Р = 3 кВт, v = 500 мм/мин (наложение одной дорожки) где наблюдается равномерное распре-
деление плотности дислокаций и фазовых выделений в металле легированного слоя (в, г — ×30000)
1355-6/2015
Наплавочные материалы
вание мартенситной структуры, карбидных фаз
и включений (WC + W2C); однородное распре-
деление (как в объемах, так и вдоль границ зе-
рен) таких химических элементов как Cr и W, а
также полное отсутствие пористости и трещин.
характерным также для случая оптимального
режима лазерно-плазменной обработки являет-
ся общее снижение плотности дислокаций (до ~
8×108…1×109 см-2) при равномерном их распре-
делении по всему объему поверхностного слоя
(рис. 4, в, г).
Выполненный комплекс экспериментальных
исследований позволил провести аналитиче-
ские оценки дифференцированного вклада раз-
личных структурно-фазовых составляющих и
их параметров, формирующихся в исследуемых
поверхностных слоях при различных режимах
легирования, а также концентраций легирующих
элементов в изменение наиболее значимых экс-
плуатационных характеристик обработанных по-
верхностей — прочностных характеристик и тре-
щиностойкости. Аналитические оценки общего
(интегрального) значения предела текучести Σσт
проводили, используя известную зависимость
[8–11]:
Σσт = Δσ0 + Δσт.р. + Δσз + Δσс + Δσд + Δσд.у.,
включающую Δσ0 — сопротивление решетки ме-
талла движению свободных дислокаций (напря-
жение трения решетки или напряжение Пайерлса–
Набарро); Δσт.р. — упрочнение твердого раствора
легирующими элементами и примесями (твердо-
растворное упрочнение); Δσз, Δσс — упрочнение
за счет изменения величины зерна и субзерна
(зависимости холла–Петча — зернограничное и
субзеренное упрочнение); Δσд — дислокационное
упрочнение, обусловленное междислокационным
взаимодействием; Δσд.у. — упрочнение за счет ча-
стиц фазовых образований по Оровану (дисперси-
онное упрочнение).
результаты оценивания показали, что наибо-
лее высокие общие значения предела текучести
Σσт в обработанных поверхностях обеспечивают-
ся в условиях оптимальных режимов как для ла-
зерного легирования (Σσт = 406 МПа), так и ла-
зерно-плазменного легирования (Σσт = 591 МПа)
(рис. 5, а). Причем, наибольший вклад в увеличе-
ние значения предела текучести при лазерном ле-
гировании (оптимальный режим) обеспечивает-
ся за счет измельчения субструктуры (∆σс = 115
МПа), что в этих условиях составляет порядка 28
% от общего значения предела текучести (Σσт).
При лазерно-плазменном легировании (опти-
мальный режим) максимальный вклад в повыше-
ние общего значения предела текучести обеспе-
чивается измельчением субструктуры (∆σс = 176
МПа, т. е. 30 % от Σσт ) и влиянием фазовых вы-
делений (как дисперсных, так и крупных частиц)
(∆σд.у.=196 МПа, т. е. 33 % от Σσт ) (рис. 5, а, д).
Следует отметить, что возрастание уровня дис-
персионного упрочнения ∆σд.у. в последнем слу-
чае происходит в большей степени за счет вклада
дисперсных фаз ~63 % и менее значимый вклад —
от крупных включений на основе карбида воль-
фрама ~37 %, (рис. 5, д).
результаты исследований на всех структурных
уровнях позволили провести также и оценку та-
рис. 5. Гистограмма (а) дифференцированного вклада структурных составляющих ∆σт в общую (интегральную ∑σт) расчет-
ную величину предела текучести легированной поверхности полученной способом лазерного и лазерно-плазменного легиро-
вания; б-д — секторные диаграммы, отражающие процентное соотношение вклада дисперсных и крупных фазовых выделе-
ний в ∑σт
136 5-6/2015
Международная конференция «Наплавка»
ких весьма значимых показателей механических
характеристик, как показатели трещиностойкости
легированных слоев поверхностей, обрабатывае-
мых при различных исследуемых режимах. Ана-
лиз показателей трещиностойкости проводился с
учетом распределения и плотности дислокаций ρ
на основе оценки уровня локальных внутренних
напряжений τл/вн согласно зависимости [12] τл/вн
=Gbhρ/[π(1 – ν)], где G — модуль сдвига; h — тол-
щина фольги; ρ — плотность дислокаций; ν — ко-
эффициент Пуассона. И в условиях, когда значе-
ния τл/вн в определенной области приближается к
значению теоретической прочности τтеор материа-
ла, эта область (с определенным структурно-фазо-
вым состоянием) и является зоной зарождения и
распространения трещин.
В итоге показано, что для поверхностных сло-
ев, формирующихся в условиях лазерного легиро-
вания при Р = 4,4 кВт, v = 400 мм/мин (отклонение
от оптимального режима) характерны резкие изме-
нения плотности дислокаций в определенных зонах
металла, где ρ изменяется от 9×1011…1×1012 см-2 до
8×108…2×1010 см-2. Наличие такого типа зон явля-
ется основанием для формирования в этих участ-
ках легированных слоев резких градиентов (∆τл/вн)
по величине локальных внутренних напряжений,
являющихся концентраторами внутренних на-
пряжений и, соответственно, факторами, способ-
ствующими трещинообразованию и резкому ухуд-
шению качества поверхностей. В данном случае
значения ∆τл/вн изменяются от 18500 (G/4,5×103,
что соответствует 2,2τтеор) до 14,9 МПа (G/5,7×103
— 0,0018τтеор) (рис. 6).
Основной причиной, способствующей нерав-
номерности в распределении плотности дислока-
ций, а значит — и локальных внутренних напря-
жений (∆τл/вн), как это видно из сопоставления
результатов исследований, является значительное
локальное повышение (преимущественно вдоль
межзеренных границ) концентрации таких хими-
ческих элементов как хром, а также формирова-
ние в этой зоне протяженных хромсодержащих
фаз (Cr23C6).
В случае лазерного легирования при умень-
шении мощности обработки до Р = 3,5 кВт и
увеличении скорости до v = 500 мм/мин (опти-
мальный режим) в обработанных поверхностях
наблюдается снижение плотности дислокаций (до
~4×109 см-2) и равномерное их распределение, что,
соответственно, приводит не только к снижению, но и
к оптимальному (равномерному) распределению ло-
кальных внутренних напряжений до τл/вн ~55,4 МПа
(G/9,0×102 — 0,007τтеор) в легированном слое, что
в итоге не создает условий для формирования зон
зарождения и распространения трещин. характер-
но, что в случае отмеченной обработки не наблю-
дается в поверхностных слоях и существенных
перепадов в распределении концентрации таких
химических элементов как хром, провоцирую-
щих формирование локальных дислокационных
скоплений.
В образце, обработанном лазерно-плазменным
легированием (Р = 3 кВт, v = 500 мм/мин — нало-
жение четырех дорожек, отклонение от оптималь-
ного режима), наблюдается резкий градиент по
распределению плотности дислокаций в объемах
кристаллитов, где четко проявляется повышение
(до 17 %) концентрации хрома, что, в основном,
и является причиной формирования протяжен-
ных концентраторов внутренних напряжений
— очагов зарождения трещин, где τл/вн составля-
ет от ~370 (G/2,3×102 — 0,04τтеор) до 14000 МПа
(G/6 — 1,8τтеор). В случае же однопроходного ла-
зерно-плазменного легирования при Р =3 кВт, v
= = 500 мм/мин (оптимальный режим) наличие
дискретных по размеру и равномерно распреде-
ленных по объему зерен фазовых выделений при
сопутствующей низкой плотности дислокаций
(без резких градиентов в ее распределении) сви-
детельствует об отсутствии структурных условий
для формирования концентраторов внутренних
напряжений.
При этом значения τл/вн снижаются и состав-
ляют ~148…370 МПа (G/5,7×102…G/2,3×102
— 0,018…0,04τтеор) (рис. 6). Последнее характе-
ризует структурное состояние поверхности как
оптимальное и подтверждается практическим от-
сутствием трещин.
Таким образом, экспериментально-аналити-
ческими исследованиями установлено влияние
структурно-фазового состояния металла легиро-
ванных слоев, формирующихся при различных
режимах упрочняющей обработки, на изменение
рис. 6. Диаграмма распределения локальных внутренних на-
пряжений τл/вн в легированном слое в зависимости от харак-
тера формирующихся структур и плотности дислокаций
1375-6/2015
Наплавочные материалы
прочностных характеристик и трещиностойкости
обработанных поверхностей. Показано, что ре-
жимы лазерно-плазменного легирования способ-
ствуют увеличению прочностных характеристик
(в среднем на 20 %) по сравнению с легировани-
ем лазерным излучением с Гауссовым распределе-
нием интенсивности пучка, а наибольший вклад в
упрочнение при оптимальном режиме обработки
вносят фазовые выделения (27 %) и субструкту-
ра (25 %). Максимальная трещиностойкость об-
работанных легированных слоев наиболее полно
обеспечивается режимами лазерно-плазменного
легирования (Р = 3 кВт, v = 500 мм/мин) с наложе-
нием одной дорожки), чему способствует отсут-
ствие зон зарождения и распространения трещин,
обусловленное равномерным распределением
дислокационной плотности без резких их гради-
ентов. Трещинообразование при лазерной и ла-
зерно-плазменной упрочняющей обработке ле-
гированных слоев конструкционной стали, как
правило, связано с формированием плотных и
протяженных дислокационных скоплений (преи-
мущественно вдоль межзеренных границ), чему
способствует неравномерность в распределении
таких химических элементов, как хром.
1. Курдюмов В.Я., Рязанов В.П. ремонт строительных ма-
шин методами сварки и наплавки. – М.: Стройиздат,
1973. – 231 с.
2. Лазерные технологии на машиностроительном заводе /
Н.Г. Терегулов, Б.К. Соколов, Г. Варбанов и др. – Уфа:
АН рБ, 1993. – 264 с.
3. Структурные условия обеспечения прочности и пла-
стичности соединений алюминий-литиевых сплавов /
Л.И. Маркашова, А.я. Ищенко, О.С. Кушнарева и др. //
Автомат. сварка. – 2012. – № 5. – С. 23–31.
4. Estimation of the strength and crack resistance of the metal of
railway wheels after long-term operation / L.I. Markashova,
V.D. Poznyakov, A.A. Gaivoronskii et al. // Materials Sci. –
2012. – 47, № 6. – P. 799–806.
5. Маркашова Л.И., Кушнарева О.С. Сварные соедине-
ния сложнолегированных алюминий-литиевых сплавов.
Структура и эксплуатационные свойства // Строитель-
ство. Материаловедение. Машиностроение: Сб. научн.
тр. № 64. – Днепропетровск: ПГАСА, 2012. – С. 75-80.
6. Лазерное и лазерно-микроплазменное легирование по-
верхности образцов из стали 38хН3МФА / В.Д. шеля-
гин, Л.И. Маркашова, В.Ю. хаскин и др. // Автомат. свар-
ка. – 2014. – № 1. – С. 26–32.
7. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. – М.:
Мир, 1972. – 408 с.
8. Гордиенко Л.К. Сверхмелкое зерно в металлах. – М.: Ме-
таллургия, 1973. – 384 с.
9. Petch N. J. The cleavage strength of polycrystalline // J. Iron
and Steel Inst. – 1953. – 173, № 1. – P. 25–28.
10. Orowan E. Dislocation in metals. – New York: AIME, 1954.
– 103 p.
11. Келли А., Николсон Р. Дисперсное твердение. – М.: Ме-
таллургия, 1966. – 187 с.
12. Markashova L., Kushnareva O. Effect of structure on the
mechanical properties of the metal of welded joints of
aluminum alloys of the Al–Cu–Li system // Materials Sci. –
2014. – 49, № 5. – P. 681-687.
Поступила в редакцию 31.03.2014
СВАРКА И НАПЛАВКА МЕДИ И СПЛАВОВ НА ЕЕ ОСНОВЕ / Составители: В.М.
Илюшенко, Е.П. Лукьянченко. – Киев: Международная ассоциация «Сварка», 2013. –
396 с. Мягкий переплет, 165х235 мм.
Сборник включает основные публикации — статьи, доклады,
информационные материалы и изобретения в области сварки и на-
плавки меди и ее сплавов за период с 1953 по 2013 гг., авторами
которых являлись в основном сотрудники Института электросвар-
ки им. Е.О. Патона НАН Украины. В представленных материалах
освещен широкий круг вопросов разработки прогрессивных техно-
логических процессов сварки и наплавки этих материалов и опыт
их производственного применения в различных отраслях промыш-
ленности. Сборник может быть полезен инженерно-техническим
работникам сварочного производства, а также специалистам, раз-
вивающим исследования в этой области.
|