Влияние высоких скоростей охлаждения на формирование структуры в сплавах

Рассмотрим закономерности формирования структуры при высоких скоростях охлаждения, т. е. при лазерной закалке, так как этот процесс получил наибольшее распространение.

Для получения мартенсита в сплавах железа в интервале минимальной устойчивости аустенита (400-600°С) должна быть обеспечена скорость охлаждения больше критической, которая для большинства сплавов железа находится в интервале 50-200 К/с. Многократное увеличение скорости охлаждения не приводит к формированию новых фаз и структур — при лазерном термоупрочнении в стали имеются те же фазы и структуры, что и при обычной закалке: мартенсит, цементит (карбиды), остаточный аустенит. Однако высокая скорость охлаждения приводит к тому, что после охлаждения имеется большая неоднородность структуры, что связано с негомогенностью аустенита. Неоднородность в перлите (см. рис. 34, а) может привести после охлаждения к снижению твердости стали. В случае неоднородности (см. рис. 34, б) рядом с мартенситом сохраняются цементитные пластины. Повышенная концентрация углерода около цементитных пластин приводит к образованию в этих местах остаточного аустенита.

В целом мартенсит наследует полосчатость структуры. Неоднородности, показанные на рис. 35, а, б приводят, кроме того, к сохранению в стали после охлаждения избыточных фаз исходной структуры: феррита в доэвтектоидной стали и цементита (карбидов) в заэвтектоидной.

Как известно, для устранения образования феррита в доэвтектоидной стали при скоростной закалке температуру нагрева повышают значительно выше линии GS на диаграмме железо — углерод и это повышение теми больше, чем больше скорость нагрева. Зная температуру получения однородного мартенсита для одной скорости нагрева v, температуру закалки Т1 для другой скорости нагрева v1 можно рассчитать по формуле, выведенной из теории подобия:

Т (22)

где nv=v1/v; k— постоянная Больцмана. При большой негомогенности аустенита в доэвтектоидной стали устойчивости аустенитных участков с paзным содержанием углерода при охлаждении неодинакова. Минимальной устойчивостью обладает аустенит с малым содержанием углерода. Это можно представить в виде смещения С-кривых на диаграммах распада аустенита для разных участков (рис. 37). На участке с малым содержанием углерода возможно образование ферритно-цементитной структуры. В то же время при такой же скорости охлаждения на участке с повышенным содержанием углерода при охлаждении образуется мартенситная структура.

Неоднородность, показанная на рис. 35, в, может привести к формированию локальных включений остаточного аустенита.

  В общем случае, большая скорость охлаждения приводит к повышенной дефектности структур, так как усиливается фазовый наклеп, замедляются процессы отдыха и рекристаллизации и более полно наследуются дефекты g-фазы. При этом происходит измельчение блоков, увеличение плотности дислокаций и рост напряжений в кристаллической решетке (табл. 2). Нужно отметить, что
Рис. 37. Диаграммы распада негомогенного аустенита в доэвтектоидной стали

эти изменения в кристаллической решетке могут происходить не только в сплавах железа с мартенситным превращением, но и в цветных сплавах и в чистых металлах вследствие больших градиентов температуры. Образующийся при этом мартенсит более дисперсный, чем при обычной закалке. Например в стали У8 после обычной закалки длина игл мартенсита составляет 7-10 мкм, а после лазерной — всего 2-3 мкм.

Все эти особенности приводят к тому, что микротвердость сплавов после лазерной закалки выше, чем после обычных видов закалки (для сталей на 1000-2000МПа). Однако многое зависит от режимов обработки, так как при небольшой скорости лазерной обработки сталь может иметь такую же твердость, как и после обычной закалки,