Похмурська Ганна Василівна. Формування структурної гетерогенності в металах при лазерній обробці та її вплив на основні експлуатаційні властивості

brief description

Похмурська Ганна Василівна. Формування структурної гетерогенності в металах при лазерній обробці та її вплив на основні експлуатаційні властивості : дис... д-ра техн. наук: 05.02.01 / НАН України; Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С.Підстригача. — Л., 2006. — 342арк. : рис., табл. — Бібліогр.: арк. 297-340.

Похмурська Г.В.„Формування структурної гетерогенності в металах при лазерній обробці та її вплив на основні експлуатаційні властивості” -Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук. Спеціальність 05.02.01 - матеріалознавство. - Запорізький національний технічний університет МОН України, м. Запоріжжя, 2006.
Дисертація присвячена теоретико-експериментальному дослідженню впливу лазерної обробки поверхні сталей і сплавів на основі алюмінію і магнію, у тому числі з газотермічними захисними і відновними покриттями різного хімічного складу на формування структурно-напруженого стану оброблених шарів. Досліджено вплив вторинної гетерогенності структури, яка виникає при застосуванні локалізованих джерел енергії для нагрівання поверхні сталей і сплавів, на їх міцність при різних видах навантаження, характеристики і механізм зношування за умов сухого і абразивного тертя, електрохімічні та корозійні властивості. У роботі вивчено механізм лазерного модифікування - армування легких сплавів твердими частинками з порошків та порошкових сумішей SiC, Al-TiO2, Al-В4С, Al-SiC. Сформульовано нові наукові засади вибору схем лазерної обробки матеріалів із врахуванням умов їх експлуатації, зроблено рекомендації щодо ефективності практичного застосування досліджених видів і режимів лазерного модифікування поверхні сплавів і покриттів.

На основі теоретико-експериментальних досліджень лазерної обробки поверхні сталей, алюмінієвих і магнієвих сплавів, у тому числі з газотермічними покриттями, встановлено закономірності формування їх структурно-напруженого стану та його вплив на основні експлуатаційні властивості зміцнених виробів, сформульовано нові наукові засади вибору схем лазерної обробки матеріалів з урахуванням умов їх експлуатації.

Встановлено, що гартування стальних циліндричних стержнів безперервним лазерним променем створює анізотропію структури у приповерхневих шарах, вплив якої на міцність і характер руйнування суттєво залежить від напрямку прикладання сили. Вперше показано, що гартування поверхні по гвинтовій лінії забезпечує найкращі результати під час скручування зразків у напрямку коли загартовані доріжки працюють на стискування. Закручування у протилежному напрямку незначно підвищує міцність зразків, але зумовлює розтріскування загартованих доріжок на початку пластичної деформації зразка. Гартування за спірального переміщення лазерного променя по циліндричній поверхні за певними режимами підвищує границю міцності під час розтягу приблизно в 1,2...1,3 рази проти незагартованої сталі із збереженням високої пластичності і є ефективнішим за гартування вдовж твірної циліндричної поверхні.
Лазерне гартування нержавіючої хромистої сталі збільшує опір її втомному і корозійно-втомному руйнуванню, коли для вуглецевих і низьколегованих сталей така обробка помітно підвищує тільки границю втоми і майже не впливає на зміну умовної границі корозійної втоми, що пов'язано з присутністю у поверхневому шарі мартенситної фази, більш чутливої до сумісного впливу корозивного середовища і механічних напружень. Гартування циліндричних стержнів по спіральній лінії забезпечує вищий опір їх втомному руйнуванню порівняно з гартуванням вздовж твірних циліндричної поверхні. Встановлено вплив схеми гартування на зародження і швидкість росту втомної тріщини у сталевих пластинках з боковим концентратором напружень. Показано, що ефективнішою є обробка коли зона перекриття загартованих доріжок не співпадає з вершиною концентратора напружень.
Застосування для обробки металів лазерного променя зумовлює виникнення вторинної структурної і електрохімічної гетерогенності поверхні, що створює передумови пониження її корозійної тривкості, головно за рахунок інтенсивнішого розчинення зон перекриття загартованих доріжок. Але корозійна тривкість мартенситу, одержаного після лазерного гартування вуглецевих сталей, вища ніж мартенситу, що утворюється внаслідок пічного гартування. Зменшуючи ширину зони термічного впливу, в цілому можна забезпечити досить високий рівень корозійної тривкості сталі після її лазерного гартування, навіть вищий, ніж, наприклад, після традиційного пічного гартування.
Встановлено вплив лазерного оплавлення на зміну структури і властивостей газотермічних покриттів, одержаних на сталях і алюмінієвих сплавах з економно легованих порошкових дротів системи Fe-Cr-B-Al. Показано, що такою обробкою, за оптимальних режимів, можна знизити їх поруватість з 10...15% практично до нуля, значно вирівняти структуру і хімічний склад, суттєво підвищити силу їх зчеплення з основою, покращити трибологічні та електрохімічні характеристики.

Запропоновано математичну модель зародження в покриттях тріщин і визначено шляхи зниження їх схильності до тріщиноутворення за такої обробки.
Виявлено, що введення у покриття незначної кількості нікелю або міді значно підвищує їх схильність до оплавлення, покращує зовнішній вигляд, через підвищення змочуваності сталі розплавленим металом.

Вперше встановлено, що застосовуючи лазерне оплавлення газополуменевих чи електродугових покриттів з порошкових дротів системи Fe-Cr-B-Al з підвищеною концентрацією в них алюмінію, можливо синтезувати композиційні металокерамічні покриття з високою зносотривкістю, у яких твердою матричною фазою є переважно Al2O3з включеннями зерен твердого розчину хрому у залізі. Розкрито закономірності та механізм абразивного зношування таких покриттів.
Встановлено закономірності і механізм лазерного армування поверхні алюмінієвих і магнієвих сплавів дисперсними частинками SiC. Виявлено, що ці частинки, за короткочасного оплавлення поверхні сплаву, взаємодіють з розплавом алюмінію з утворенням дрібнодисперсних карбідів Al4C3голчастої форми та частинок вільного силіцію. Крім того, має місце дифузія алюмінію у поверхневі шари карбіду силіцію, які з досягненням концентрації алюмінію 3...3,5% відшаровуються від поверхні зерен SiC. Така обробка дає можливість одержати на алюмінієвих сплавах армовані твердими частинками різної природи шари, які забезпечують у 50...70 разів вищий опір сплавів зношуванню жорстко закріпленим абразивом і майже удвічі - за сухого тертя з загартованою сталлю. Для збільшення товщини армованого шару до 2...3 мм запропоновано здійснювати попередній підігрів сплавів безпосередньо перед армуванням до 150...250С.
Показано, що електрометалізаційні покриття з порошкових дротів системи Al+SiC, Al+B4C або Al+TiO2приблизно у 40, 50 і 70 разів відповідно підвищують зносотривкість магнієвого сплаву АМ20 за умов сухого тертя з загартованою сталлю ШХ15, але вони мають низьку силу зчеплення з основою, що зумовлює їх відшарування у місцях гострих переходів, надрізів та обмежує застосування за умов контактного і ударного навантажень. Лазерне оплавлення у всіх випадках суттєво підвищує адгезію покриттів, але дещо знижує їх опір зношуванню. Після оплавлення висока зносотривкість (більш ніж на порядок порівняно з вихідним сплавом) характерна для покриттів, що містили SiC і TiO2. Інші оплавлені покриття збільшують зносотривкість всього у 1,52,5 рази порівняно з незахищеним сплавом. Якісно подібні результати одержано також на сплавах AZ31 і AZ91. Лазерне оплавлення вказаних покриттів на магнієвих сплавах покращує їх корозійну тривкість у воді майже у 2 рази.
Встановлено, що за схильністю до загальної корозії в розчинах хлоридів магнієві сплави можна розмісити в порядку (в міру зростання) AM 20 > AZ 91 AE 42 > AZ31. Лазерна обробка, завдяки гомогенізації структури, підвищує корозійну тривкість всіх досліджуваних сплавів. Після оплавлення за корозійною стійкістю сплави можна розмістити у наступній послідовності: AZ 31 > AZ 91 > AM 20 > AE 42. Для сплаву AZ91, схильного до локальної корозії, оплавлення змінює механізм корозії з локального на більш загальний, на оплавленій поверхні практично відсутні глибокі корозійні враження, які спостерігаються для вихідного матеріалу. Лазерна обробка сплаву АМ20 повністю усуває характерну для цього сплаву ниткасту корозію.

Вплив структурної неоднорідності магнієвих і алюмінієвих сплавів на зміну електрохімічних характеристик чіткіше проявляється зі зниженням агресивності корозивного середовища.