Влияние импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали
The influence of the impulse laser treatment of nickel steels on structure changes in the laser effect zone is investigated. In order to describe the processes of heat- and mass-transfer, a mathematical model is suggested. This model consists of the heat and diffusion problems with taking a nonlinea...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5914 |
| 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 импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали / И. Г. Величко, В.Е. Данильченко, А.В. Недоля, И.Н. Титов // Доп. НАН України. — 2008. — № 9. — С. 93-98. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859719881199452160 |
|---|---|
| author | Величко, И.Г. Данильченко, В.Е. Недоля, А.В. Титов, И.Н. |
| author_facet | Величко, И.Г. Данильченко, В.Е. Недоля, А.В. Титов, И.Н. |
| citation_txt | Влияние импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали / И. Г. Величко, В.Е. Данильченко, А.В. Недоля, И.Н. Титов // Доп. НАН України. — 2008. — № 9. — С. 93-98. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | The influence of the impulse laser treatment of nickel steels on structure changes in the laser effect zone is investigated. In order to describe the processes of heat- and mass-transfer, a mathematical model is suggested. This model consists of the heat and diffusion problems with taking a nonlinear dependence of the carbon diffusion coefficient on temperature and concentration into account. Distributions of the temperature and concentration fields in the laser effect zone are determined. They well agree with experiment in the first approximation. The explanation of the mechanism of forming the oscillatory carbon concentration distribution over the depth of a sample is proposed.
|
| first_indexed | 2025-12-01T09:04:41Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
9 • 2008
МАТЕРIАЛОЗНАВСТВО
УДК 669.14.018.25
© 2008
И.Г. Величко, В.Е. Данильченко, А. В. Недоля, И.Н. Титов
Влияние импульсного лазерного воздействия
на перераспределение углерода в стали
(Представлено академиком НАН Украины А.П. Шпаком)
The influence of the impulse laser treatment of nickel steels on structure changes in the laser
effect zone is investigated. In order to describe the processes of heat- and mass-transfer, a
mathematical model is suggested. This model consists of the heat and diffusion problems with
taking a nonlinear dependence of the carbon diffusion coefficient on temperature and concentra-
tion into account. Distributions of the temperature and concentration fields in the laser effect
zone are determined. They well agree with experiment in the first approximation. The explanati-
on of the mechanism of forming the oscillatory carbon concentration distribution over the depth
of a sample is proposed.
Изменение структурно-фазового состояния и комплекса физико-механических свойств при-
поверхностных слоев сталей при воздействии непрерывного и импульсного лазерного излу-
чения во многом связано с перераспределением углерода в зоне термического воздействия.
Содержание и состояние углерода в этой зоне определяют явление автозакалки и эффект
упрочнения в углеродсодержащих сплавах, фазовые и структурные превращения при по-
следующей термической обработке, которые радикальным образом изменяют свойства при-
поверхностных слоев. Повышение содержания углерода до значений, превышающих его
равновесное значение, существенно упрочняет и одновременно повышает стабильность аус-
тенита приповерхностных слоев обработанных сплавов.
При лазерном легировании сплавов с применением углеродсодержащих покрытий пе-
рераспределение углерода является основным фактором, управляющим свойствами припо-
верхностных слоев. В связи с этим выполнен ряд экспериментальных и теоретических работ
по изучению закономерностей перераспределения углерода в сплавах на основе железа при
непрерывном лазерном воздействии, а также при импульсном воздействии миллисекундной
длительности [1–3]. Экспериментально установлено, что закономерности упрочнения спла-
вов за счет перераспределения углерода зависят от исходного фазового состава сплавов, ре-
жимов лазерной обработки, скорости нагрева и последующего охлаждения, структурно-на-
пряженного состояния слоев, диффузионных характеристик легирующих элементов и пр.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №9 93
Рис. 1. Изменение коцентрации углерода (1 ) и микротвердости (2 ) сплава 150Н8В2 по глубине ЗЛВ
Вследствие многофакторности процессов массо- и теплопереноса при лазерном воздействии
на железоуглеродистые сплавы актуальная и практически важная проблема формирования
структурно-фазового состояния в условиях перераспределения углерода и других легиру-
ющих элементов требует дальнейшего изучения.
Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование характера пе-
рераспределения углерода в аустените приповерхностных слоев стали, обработанной им-
пульсным лазерным излучением миллисекундной длительности.
В качестве объекта исследований были выбраны аустенитные железоникелевые ста-
ли 145Н10, 150Н8В2, 150Н8 с содержанием углерода в γ-твердом растворе, близком к пре-
дельному при обычной скорости охлаждения в холодной воде из γ-области (1,5–1,55%
(мас.)). Лазерную обработку сталей проводили на установке КВАНТ- 12 импульсами излу-
чения длительностью 4 мс. Образцы обрабатывали при перекрытии лазерных пятен на
20–30%. Содержание углерода в аустените оценивали по параметру aγ его кристалличе-
ской решетки, определенному из рентгеновской дифракционной картины (дифрактометр
ДРОН-3).
В результате лазерного воздействия в режиме оплавления наблюдали немонотонное
изменение параметра решетки aγ по глубине зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) с макси-
мальными значениями параметра, соответствующими растворению углерода в γ-твердом
растворе (1,68–1,72)% (мас.) С в интервале глубин 20–45 мкм. На большей глубине ЗЛВ не
выявило существенных изменений параметра ГЦК решетки. На рис. 1 (кривая 1 ) показана
типичная для исследованных сталей зависимость содержания углерода в γ-твердом раство-
ре по глубине ЗЛВ. Измерение микротвердости коррелировало с изменением содержания
углерода (см. рис. 1, кривая 2 ), что указывало на твердорастворный механизм упрочнения
ЗЛВ.
Для объяснения процессов, происходящих в ЗЛВ, рассмотрена математическая модель,
которая позволяет рассчитать диффузионное перераспределение углерода в аустените и
в явном виде учитывает нелинейную зависимость коэффициента диффузии D от темпера-
туры T и концентрации углерода C. Она представляет собой одномерную задачу Стефана
с одной подвижной границей [1] и состоит из уравнения диффузии
94 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №9
∂C
∂t
=
∂
∂x
[
D(C, T )
∂C
∂x
]
, (1)
начального условия
C(x,0) = C0 (2)
граничного условия на поверхности образца
C(h, t) = C0, (3)
и на подвижной границе
D(C, T )
∂C
∂x
∣
∣
∣
∣
x=ς(t)
= −C
dς
dt
, (4)
где C0 — равновесная концентрация углерода; ζ(t) — координата диффузионного фронта.
Зависимость коэффициента диффузии от концентрации и температуры аналогично [1, 5]
имеет вид D(C, T ) = D0(C) exp[−∆H(C)/(RT )], где R — универсальная газовая постоянная.
Используя экспериментальные данные [2], запишем интерполяционное выражение для
коэффициента диффузии:
D(C, T ) = (C2 − 12,8C + 48,8) exp
{
0,25C2 + 4,22C − 154,4
8,314T
}
. (5)
Температура определяется из решения одномерной тепловой задачи, которая состоит из
уравнения теплопроводности
∂T
∂t
= a
∂2T
∂x2
, (6)
где a = 6,8410−6 м2/с — коэффициент температуропроводности; начального условия
T (x,0) = T0, (7)
где T0 — температура окружающей среды (примем T0 = 300 K); и двух граничных условий
λ
∂T
∂x
∣
∣
∣
∣
x=h
+ αT |x=h = 0, (8)
λ
∂T
∂x
∣
∣
∣
∣
x=0
= Aq0f(t), (9)
где λ = 42 Вт/м — коэффициент теплопроводности; α = 3 · 105 Вт/м2 — коэффициент
теплообмена; h = 5 мм — толщина образца; A = 0,8 — коэффициент поглощения по мощно-
сти, q0 = 4,7 ·106 ; 4,7 ·107 Вт/м2 — максимальное значение плотности мощности излучения;
τ = 4 мс — длительность импульса; f(t) = Bte−γt — временной фактор [3].
Диффузионная и тепловая задачи являются одномерными вследствие того, что выпол-
няется соотношение
r2
f
a
≫ τ, (10)
где rf — радиус лазерного пятна.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №9 95
Рис. 2. Распределение температуры по глубине ЗЛВ для разных моментов времени при плотности мощно-
сти 4,7 · 10
6 Вт/м2
Рис. 3. Распределение температуры по глубине образца для разных моментов времени при плотности излу-
чения 107 Вт/м2: 1 — t = 0,002 мс; 2 — t = 0,004 мс; 3 — t = 0,006 мс; 4 — t = 0,008 мс
Численное решение тепловой задачи (6)–(9) проводилось при значениях параметров,
указанных выше. Для параметров B и γ использовались следующие соотношения [3]:
γ =
2,9876
τ
, B = γ2τ. (11)
Результаты численного моделирования показали, что характер распределения температу-
ры по глубине и во времени существенно изменяется (рис. 2, 3). Температурно-временные
параметры плато при малой плотности мощности коррелируют со значением длительности
96 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №9
импульса. Исчезновение плато при большой плотности мощности связано с поглощением
энергии средой при оплавлении. Плавление имеет место только при q0 = 4,7 · 107 Вт/м2
и начинается в момент времени t0 ≈ 5,0 мс. Такие параметры лазерной обработки являю-
тся оптимальными для эффективного перераспределения углерода в ЗЛВ для аустенитных
железоникелевых сплавов. Для случая q0 = 4,7 · 107 Вт/м2 можно определить зависимость
от времени координаты фронта плавления ζ(t) (и, соответственно, диффузионного фронта),
а также его скорости ζ ′(t), численно решая уравнение
T (ζ(t), t) = Tпл, (12)
где Tпл — температура плавления,
ζ(t) = −0,00022 + (0,04655 − 0,68365t)t, (13)
ζ ′(t) =
dζ
dt
= −1,3673t + 0,04655. (14)
По выражению (14) можно определить глубину проникновения концентрационного фронта
под действием импульсного лазерного излучения из условия ζ ′(t) = 0. Это, в свою очередь,
позволяет с помощью соотношения (13) оценить области перераспределения углерода и свя-
занные с ним прочностные характеристики сплава, например твердость, по предложенной
в [4] полуэмпирической формуле:
H(C) = 4200
√
C − 400(C − 0,02). (15)
Результаты решения тепловой задачи (6)–(9) использовали для численного решения задачи
о перераспределении атомов углерода при лазерной обработке аустенитной стали (т. е. диф-
фузионной задачи (1)–(5)). Численное интегрирование проводилось в случае, когда плот-
ность мощности излучения q0 = 4,7·107 Вт/м2 соответствовала поверхностному оплавлению.
Это обусловлено тем, что максимальная растворимость углерода в γ-твердом растворе при
использовании импульсной лазерной обработки достигается за счет высокой скорости на-
грева (105–106 град/с) с последующим высокоскоростным охлаждением окружающей мат-
рицей до комнатной температуры. Максимальная скорость нагрева достигается в условиях
оплавления поверхности. Поэтому вызывает интерес решение диффузионной задачи имен-
но в этих условиях.
Из результатов численного решения диффузионной задачи видно, что в момент начала
плавления в районе диффузионного фронта образуется концентрационный пик, который
затем смещается вглубь образца, опережая сам диффузионный фронт вследствие высо-
кого градиента температур. Начиная с некоторого момента времени (через ∆t = 0,5 мс
после начала движения диффузионного фронта), распределение концентрации углерода
по глубине имеет осцилляционный характер, что можно интерпретировать как движение
нелинейной “волны концентрации”, возникающей вследствие нелинейной зависимости ко-
эффициента диффузии от концентрации и температуры. С течением времени растет как
амплитуда таких осцилляций, так и их протяженность по глубине (рис. 4).
В предложенной модели не учитывается влияние более холодной матрицы, окружающей
ЗЛВ. Учет этого фактора приведет к частичному сглаживанию осцилляций концентраций,
и, по-видимому, ограничит глубину их распространения.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №9 97
Рис. 4. Распределение концентрации углерода по глубине образца для различных моментов времени: 1 —
t = 5,1 мс; 2 — t = 5,3 мс; 3 — t = 5,5 мс; 4 — t = 5,7 мс
Сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными по-
казывает, что расчетная модель качественно объясняет возможность немонотонного изме-
нения концентрации углерода в γ-твердом растворе при импульсном лазерном воздействии
на сталь и существенное повышение ее в ЗЛВ по сравнению с концентрацией в исходном
аустените (см. рис. 1). В [5] наблюдали осцилляции концентрации углерода после лазерного
воздействия на перлитные стали.
1. Мейрманов А.М. Задачи Стефана. – Новосибирск: Наука, 1986. – 240 с.
2. Фаст Дж. Взаимодействие металлов с газами. – Москва: Металлургия, 1975. – 351 с.
3. Анпилогов Д.И., Гиржон В.В. Вплив фактора часу iмпульсного лазерного випромiнювання на тем-
пературне поле в зонi теплової дiї // Укр. фiз. журн. – 1997. – 42, № 3. – С. 301–303.
4. Завестовская И.Н., Игошин В.И., Шишковский И.В. Расчет характеристик упрочненного слоя в
модели лазерной закалки сталей // Квант. электроника. – 1989. – 16, № 8. – С. 1636–1642.
5. Сафонов А.Н., Дубровина Е.А. Диффузионное перераспределение углерода в углеродистых сталях
под воздействием высокоэнергетических источников // Там же. – 25, № 8. – С. 701–704.
Поступило в редакцию 18.03.2007Институт металлофизики
им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев
Запорожский национальный университет
98 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №9
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-5914 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T09:04:41Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Величко, И.Г. Данильченко, В.Е. Недоля, А.В. Титов, И.Н. 2010-02-11T12:09:26Z 2010-02-11T12:09:26Z 2008 Влияние импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали / И. Г. Величко, В.Е. Данильченко, А.В. Недоля, И.Н. Титов // Доп. НАН України. — 2008. — № 9. — С. 93-98. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5914 669.14.018.25 The influence of the impulse laser treatment of nickel steels on structure changes in the laser effect zone is investigated. In order to describe the processes of heat- and mass-transfer, a mathematical model is suggested. This model consists of the heat and diffusion problems with taking a nonlinear dependence of the carbon diffusion coefficient on temperature and concentration into account. Distributions of the temperature and concentration fields in the laser effect zone are determined. They well agree with experiment in the first approximation. The explanation of the mechanism of forming the oscillatory carbon concentration distribution over the depth of a sample is proposed. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Матеріалознавство Влияние импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали Величко, И.Г. Данильченко, В.Е. Недоля, А.В. Титов, И.Н. Матеріалознавство |
| title | Влияние импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали |
| title_full | Влияние импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали |
| title_fullStr | Влияние импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали |
| title_full_unstemmed | Влияние импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали |
| title_short | Влияние импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали |
| title_sort | влияние импульсного лазерного воздействия на перераспределение углерода в стали |
| topic | Матеріалознавство |
| topic_facet | Матеріалознавство |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5914 |
| work_keys_str_mv | AT veličkoig vliânieimpulʹsnogolazernogovozdeistviânapereraspredelenieuglerodavstali AT danilʹčenkove vliânieimpulʹsnogolazernogovozdeistviânapereraspredelenieuglerodavstali AT nedolâav vliânieimpulʹsnogolazernogovozdeistviânapereraspredelenieuglerodavstali AT titovin vliânieimpulʹsnogolazernogovozdeistviânapereraspredelenieuglerodavstali |