Особенности строения зон насыщения стальной матрицы вблизи неметаллических включений после лазерного воздействия

Abstract

RU: Постановка проблемы. Лазерная обработка является одним из перспективных способов поверхностного упрочнения различных деталей машин и механизмов [7]. Остаются недостаточно исследованными процессы трансформации неметаллических включений и их влияние на локальное упрочнение стальной матрицы, во многом определяющие неоднородный характер лазерного упрочнения [1; 2]. Методы воздействия на неметаллические включения представляют одно из наиболее перспективных направлений обработки сталей. Одним из эффективных путей получения сталей с благоприятными параметрами неметаллических включений является создание способов влияния на межфазные границы включение − матрица, их строение и когезионную прочность [3; 4; 12; 13]. В процессе лазерного воздействия между включением и стальной матрицей происходит скоростной обмен атомами через границу раздела в условиях аномально высокой подвижности атомов, не отвечающей условиям классической диффузии (аномальный массоперенос) [1; 2]. Для любого импульсного воздействия характерно аномальное ускорение массопереноса [2], а также неравномерное распределение температуры [5; 6; 8−11]. Цель работы − выявление основных закономерностей трансформации межфазных границ включение − матрица и формирования зон контактного взаимодействия при ЛТО. Методика. Материалами для исследований служили промышленные стали, содержащие различные неметаллические включения. Образцы различных сталей с предварительно полированной поверхностью подвергали лазерному нагреву на установках ГОС-30М и КВАНТ-16. Применяли методы исследования – оптическая микроскопия, электронная микроскопия, измерение нанотвердости. Результаты. Установлено, что при лазерном воздействии происходят плавление и скоростная кристаллизация включений, локальное микролегирование стальной матрицы, которое сопровождается формированием вблизи включений градиентных и композитных зон с различной микроструктурой и распределением нанотвердости. Научная новизна. Установлены особенности строения градиентных и композитных зон в стальной матрице вблизи неметаллических включений. Показано влияние неметаллических включений на упрочнение сталей при лазерном воздействии. Практическая значимость. Использование полученных результатов позволит разработать методы и режимы лазерной обработки, позволяющие влиять на размеры, состав, структуру и распределение неметаллических включений в сталях с целью повышения механических свойств.

UK: Постановка проблеми. Лазерна обробка − один із перспективних способів поверхневого зміцнення різних деталей машин і механізмів [7]. Залишаються недостатньо дослідженими процеси трансформації неметалевих включень і їх вплив на локальне зміцнення сталевої матриці, які багато в чому визначають неоднорідний характер лазерного зміцнення [1; 2]. Методи впливу на неметалеві включення становлять один із найперспективніших напрямків обробки сталей. Один з ефективних шляхів отримання сталей із сприятливими параметрами неметалевих включень − це створення способів впливу на міжфазні границі включення − матриця, їх будову і когезійну міцність [3; 4; 12; 13]. У процесі лазерного впливу між включеннями і сталевою матрицею відбувається швидкісний обмін атомами через границю розділу в умовах аномально високої рухливості атомів, що не відповідає умовам класичної дифузії (аномальний массоперенос) [1; 2]. Для будь-якого імпульсного впливу властиве аномальне прискорення масопереносу [2], а також нерівномірний розподіл температури [5; 6; 8−11]. Мета роботи − виявлення основних закономірностей трансформації міжфазних границь включення − матриця і формування зон контактної взаємодії під час ЛТО. Методика. Матеріалами для досліджень служили промислові сталі, які містять різні неметалеві включення. Зразки різних сталей з попередньо полірованою поверхнею піддавали лазерному нагріванню на установках ДОС-30М і КВАНТ-16. Застосовували методи дослідження − оптична мікроскопія, електронна мікроскопія, вимір нанотвердості. Результати. Встановлено, що за лазерного впливу відбуваються плавлення і швидкісна кристалізація включень, локальне легування сталевої матриці, яке супроводжується формуванням поблизу включень градієнтних і композитних зон із різною мікроструктурою і розподілом нанотвердості. Наукова новизна. Встановлено особливості будови градієнтних і композитних зон у сталевій матриці поблизу неметалевих включень. Показано вплив неметалевих включень на зміцнення сталей за лазерної дії. Практична значимість. Використання отриманих результатів дозволить розробити методи і режими лазерної обробки, що дозволяють впливати на розміри, склад, структуру і розподіл неметалевих включень у сталях із метою поліпшення механічних властивостей.

EN: Problem definition. Laser treatment is one of the promising methods of surface strengthening of various machine and mechanisms parts [7]. Processes of transformation of non-metallic inclusions and their impact on the local strengthening of the steel matrix, largely determine the heterogeneous nature of laser hardening are remained insufficiently [1; 2]. Methods impact on the non-metallic inclusions are one of the most promising areas of steels processing. One of effective way of producing steels with favorable parameters of non-metallic inclusions is to provide the methods of influence on the interphase boundaries inclusion-matrix and their cohesive strength [3; 4; 12; 13]. In the process of laser action between inclusion and steel matrix the fast exchange of atoms through the interface boundary in terms of abnormally high mobility of atoms has place, which does not meet the conditions of the classical diffusion (an abnormal mass transport) [1; 2]. For any impulse action the abnormal acceleration of mass transfer is characterized [2], as well as the uneven distribution of temperature [5; 6; 8−11]. The aim of work is to identify the basic laws of the transformation of interfaces inclusion-matrix boundaries and also the formation of zones of contact interaction with the laser treatment. Methods. Materials for the study were manufactured steel containing various non-metallic inclusions. Samples of various steels with a pre-polished surface was subjected to laser heating installations SES-30M and QUANTUM-16. We used research methods − optical microscopy, electron microscopy, measurement of nanohardness. Results. It was found that the laser action occur melting and crystallization speed switching, local micro-alloying steel matrix, which is accompanied by the formation of near inclusions the gradient and composite zones with different microstructures and distribution of nanohardness. Scientific novelty. The peculiarities of the structure of composite and gradient zones in the steel matrix near the non-metallic inclusions was founded. The influence of nonmetallic inclusions on the strengthening of steel by laser irradiation was shown. Practical significance. Using the results obtained enable to develop methods and laser processing modes allowing to influence the size, composition, structure and distribution of non-metallic inclusions in steels in order to improve the mechanical properties.