Диссертация (1144175), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

1.4. Схема процесса модификации поверхностного слоя сталиВ результате изменяются свойства поверхностного слоя:изменяется микроструктура - размер зерна уменьшается от сотен микрондо долей микрона, возможен переход в аморфное состояние и формированиенаноструктур;изменяетсяметастабильныхфазовыйфазисостав,соединений,приэтомкоторыевозможноприобычныхпоявлениеметодахтермообработки образоваться не могут;гомогенизируетсяфазовыйсостав,например,измельчаютсяиоднородно распределяются карбиды в сталях.Основное преимущество упрочнения поверхности концентрированнымипотоками энергии перед описанными в разделе 1.1 технологиями нанесенияизносостойких слоёв методами напыления и гальванических покрытий являетсяотсутствие проблемы адгезии упрочнённого слоя с основной массой детали.22ОсновнымитребованиямипризакалкеметалловКПЭявляются:равномерность глубины закалённой зоны, стабильность структуры и твёрдостив упрочнённой зоне и отсутствие дефектов на поверхности.Хотя все три носителя концентрированных потоков энергии – электронные,ионные и лазерные пучки используются только для импульсного нагреваметаллов, между ними есть существенные различия, что приводит и к различиямв технологических операциях и к свойствам полученных упрочнённыхизносостойких слоёв металлов.

Отличия при сравнении эффектов, возникающихпри облучении металлических деталей указанными источниками КПЭ, связаныс различной глубиной поглощения энергии и с различиямивпараметрахпроцессов теплопередачи (продолжительность нагрева и градиенты нагрева иохлаждения).Облучение электронными и ионными пучкамиДля электронных и ионных пучков профили введённой энергиикачественно совпадают. Глубина прогретого слоя при этом не превосходитнескольких десятков микрометров, что в первую очередь связано с эффективнойглубиной пробега заряженных частиц (электронов и ионов) в веществе [19].Основными механизмами взаимодействия заряженных частиц с веществом(в нашем случае – с конструкционными металлами и сплавами) являютсяэлектромагнитное взаимодействие с электронами вещества (ионизация) икулоновским полем ядра и электронов (тормозное излучение), а такжевнутриядерные взаимодействия с нуклонами ядра.

Основное различие междувзаимодействием с веществом лёгких частиц (электронов) и тяжелых (ионов)состоит в том, что для электронов существенны потери энергии (а именно они ивызывают нагрев вещества) в результате электромагнитного излучения(радиационные потери энергии).Распределение энергетических потерь (x)электронного пучка взависимости от глубины проникновения описывается множеством законов [15],например, законом Томсона-Виддингтона с поправкой Ленарда23 ( x)  (1  x)1, 4 ,(1.3)где x  z / r0 , z – глубина проникновения; r0 – полный пробег электрона.Для закона (1.3) максимальная глубина проникновения  электронов в материалопределяется соотношением U2,(1.4)где γ – численный коэффициент, имеющий различные значения для разныхметаллов [20]; U – ускоряющее напряжение, В; ρ – плотность, г/см3; δ – глубинав см.Объёмная удельная энергия Wx, поглощаемая на глубине z, обратнопропорциональнанапряжению,ускоряющемуэлектроны,ипринимаетмаксимальные значения на бомбардируемой электронами поверхности [19].В отличие от электронной максимальной потери, энергии ионных пучковнаходятся не на поверхности облучаемого металла, а на некотором эффективномрасстоянии.

Потери энергии ионных пучков определяются в соответствии суниверсальной теорией Линхарда-Шарффа-Шиотта [21].Температура детали при её импульсном нагреве электронным или ионнымпучком может быть рассчитана методами теории теплопроводности. Дляпрямоугольных электронных (ионных) импульсов, удельная мощность qкоторых постоянна, температура на глубине z в момент времени t определяетсяпо соотношению [22]T ( z, t ) 0,48qa   zierfc  2a  ,(1.5)где а – коэффициент температуропроводности; τ – длительность импульса; λ –коэффициент теплопроводности.Глубина модифицированного ионным пучком поверхностного слояметалла, в отличие от электронного модифицирования, очень невелика исоставляет, как правило, 50 нанометров.24Электронно-лучевая обработка поверхности имеет самые высокие скоростинагрева и охлаждения, которые недостижимы для других видов упрочненияповерхности.Кнедостаткамэтоговидаобработкиследуетотнестиневозможность ведения обработки при отсутствии вакуума.Лазерное упрочнение металловПри лазерном воздействии на металл энергия пучка теряется в основном навозбуждение электронной подсистемы, и наиболее значительно этот эффектпроявляется на поверхности и экспоненциально убывает с глубиной.

Тем неменее, лазерное упрочнение позволяет получать вполне достаточную длябольшинства случаев глубину упрочнённого слоя от десятков микрон до 1,2 – 1,5мм глубину упрочняемого слоя без оплавления поверхности и до 2 – 2,5 мм сминимальнымоплавлением [18].Отметим, что наиболее актуальнаивостребована закалка без плавления.Длятого,технологическиечтобынаиболеепараметры,рациональнонеобходимочётковыбратьпониматьрациональныефизическиеособенности взаимодействия фотонов с металлами.

Поглощение света металломприводит, прежде всего, к возрастанию энергии электронного газа. Передачаэнергии решётке происходит сравнительно медленно из-за большой разницы вмассах электронов и ионов. Поэтому в металле возникают две подсистемы сразличными температурами – электронная и фотонная, т.е. возникает состояниенеполного термодинамического равновесия.Для определения температуры металла, поглощающего световой импульс,необходимо решить задачу теплопроводности для электронов и решётки,рассматриваемых как отдельные подсистемы со своей температурой, и учестьтеплообмен между ними [23].Максимальная глубина закалки без нарушения геометрии изделияполучается в том случае, если температура на поверхности металла доходит дотемпературы плавления Tf (линии солидуса на диаграмме состояния).

Для этого25интенсивность теплового источника (удельная мощность) должна составлятьqefff   T f  4at 0,5.(1.6)Считается, что глубина закалки растёт с ростом мощности лазера Р0, однакоэтоутверждениесправедливолишьпринеоптимальныхрежимахтермообработки [24].Лазерный луч позволяет упрочнять любые минимальные локальные участкидеталей, тонкостенные нежёсткие детали и широкую номенклатуру материалов.Основными недостатками лазерного упрочнения являются неравномерностьтепловвода и низкая энергетическая эффективность существующих лазеров, что,однако, легко устранимо при появлении лазеров нового поколения, например,многоканальных (многолучевых) лазеров серии МКТЛ.Отличительные особенности лазерного луча от других источников КПЭ –это возможность его транспортировки на значительные расстояния и подвода втруднодоступные места, а также отсутствие динамического воздействия наобрабатываемую поверхность, что позволяет значительно расширить кругтехнологических операций по обработке различных деталей машин иинструментов.Кроме упрочнения поверхности лазерным лучом, существует и такойтехнологический метод как лазерное легирование материалов изделий.

Этотметод отличается от обычного лазерного упрочнения тем, что повышениетвёрдости и других эксплуатационных показателей достигается не только за счётструктурных и фазовых превращений в зоне лазерного воздействия, но и путёмсоздания нового сплава с отличным от матричного материала химическимсоставом, хотя в основе нового сплава лежит матричный материал.

Размерылегированной зоны зависят в основном от энергетических параметров излученияи толщины покрытия из легирующего материала. Как правило, легированиеимпульсным излучением обеспечивает меньшие размеры легированной зоны,чем при обработке непрерывным излучением. На степень упрочнения влияет как26вид легирующего элемента, так и состав матричного материала. Вследствиерасплавления материала шероховатость легированной поверхности обычновелика, поэтому после этой операции требуется финишная обработка. Припускна такую обработку обычно составляет до 0,4 мм.Некоторой разновидностью этого метода является лазерная наплавка, приэтом упрочнённый матричный материал находится в небольшом слое междуматрицей и наплавленным слоем, который служит связующей средой.Наплавленный же слой существенно отличается от матричного материала.Оба этих вида поверхностной лазерной обработки имеют достаточновысокую перспективу применения вследствие роста дефицита чистыхматериалов типа вольфрама, молибдена, кобальта и ванадия.1.3.

Поведение материалов при динамическом нагруженииМногочисленные(скоростному,конструкционныхэкспериментальныеударно-волновому)металлическихданныеподеформированиюматериаловвдинамическомуиразрушениюбольшинствеслучаесвидетельствуют об их высокой чувствительности к изменению скоростейдеформации и интенсивности нагрузок [25].Многие авторы основными особенностями проявления скоростнойзависимости материала считают следующие: 1) повышенное значениединамического предела текучести и скорости распространения пластическойволны по сравнению с определёнными по статической диаграмме напряжение –деформация; 2) наличие динамической ползучести и динамической релаксациии т.д.

Характеристики

Список файлов диссертации