激光材料加工冶金学

激光材料加工冶金学课程思考题3、在对中、高碳钢或铸铁表面进行激光快速熔凝强化或激光合金化处理后，对与激光扫描方向垂直的截面测定显微硬度，总是会发现在熔化区与基材固态相变硬化区界面的基体一侧出现厚度大约0.05-0.10mm的平行于界面的带状低硬度区域，而这条带状区域以下又出现高硬度区域，然后硬度呈连续梯度下降趋势直到与基材硬度相当；金相显微镜观察发现，低硬度区域由粗大片状马氏体和大量残余奥氏体组成。这个现象同样出现在激光焊接的焊缝剖面上。请分析从表面到基材本体的组织转变过程、并详细解释上述现象。答：大部分金属试样经过激光表面处理后，观察其显微组织，可发现从外到内明显分为三层即：相变硬化层，过渡层，基体。华中工学院的蒲万林对六种碳素钢激光淬火组织性能进行了研究，通过对10号钢、20号钢、35号钢、45号钢、60号钢、TZ钢和TSA钢淬火区的全面组织分析，认为碳素钢激光淬火的组织变化存在以下规律：①淬火组织为马氏体，②原珠光体转换为奥氏体，铁素体部分转变为奥氏体，在冷却过程中奥氏体转变为马氏体，③共析钢位于A3c以上区域的奥氏体均匀化较好，Ac3附近奥氏体成份均匀化不够，处于Acl一A3c区域内基本上只有珠光体转变奥氏体，但奥氏体化不充分，共析钢奥氏体均匀化比较充分。④当含碳量小于0.3%时只有当晶粒度小于7级时，才能获得理想的淬火效果5mm。对于钢铁材料而言，含碳量不同，激光淬火后显微组织会有所区别。通常激光淬火得到的马氏体的显微硬度与含碳量的关系为：𝐻𝑉𝑚=1667𝐶𝑚−926𝐶𝑚2+150（1）式中，𝐻𝑉𝑚为淬火马体氏的显微硬度值，𝐶𝑚为淬火马氏体的平均含碳量。由于式中𝐶𝑚小于1，故𝐻𝑉𝑚随𝐶𝑚的增加而变大。很明显，如果含碳量增加，淬火马氏体的显微硬度值也会增加。但要注意的是激光相变硬化层的硬度不是一个恒值，而是随硬化层深度的增加而变化的。因传导和导热两个因素的影响，硬化层出现两个峰值。由于表面温度高，碳从金属内部不断迁移至表面而被气化，使表面含碳量降低而出现脱碳层，次表面碳浓度相应高些，而且过热度大，冷却速度快，组织细化，所以此处硬度高，出现第一个峰值。而与次表面相邻的过渡区，即在熔化区与基材固态相变硬化区界面的基体一侧，无论是过热度还是冷却速度都与次表层不同，温度梯度较小，导致奥氏体转变不完全，形成粗大片状马氏体，组织稍粗，出现硬度的低谷，即平行于界面的带状低硬度区域。而在靠近基体的区域，从基体扩散出来的碳使该区域碳浓度增加，而且由于靠近基体，自冷条件好，使该区冷却速度快，组织细化，因而出现第二个峰值，所以在带状低硬度区域下又出现高硬度区。7、怎样理解激光固态相变硬化的优越性？激光淬火的钢铁材料表面硬度、耐磨性和疲劳性能大幅度提高的原因是什么？答：激光固态相变硬化广泛应用于多种铸铁、碳钢、低合金高强度钢的淬火，与一般淬火方法相比，激光淬火有如下优点：1、得到的组织晶粒细化，硬度高，其耐磨性也提高，一般不回火即能应用。通常比常规淬火得到的硬度提高15%～20%，耐磨性提高2到4倍，同时硬化层的耐腐蚀性也大大提高，在不同的工艺参数下淬火硬化层深度通常为0.2～0.3mm，因此工件被激光淬火后其表面的硬度和强度都很高，但心部还可以保持原来的高韧度，使工件获得良好的综合机械性能，甚至可使普通材料经处理后达到优质材料所具有的强度和硬度，达到节约材料降低成本的目的。另外激光淬火还可以使材料表面产生压应力,有助于提高工件的疲劳强度。2、工件生产的变形小、激光加热速度快、淬火工艺周期短、生产效率高。激光束扫描材料时，其表面升温速度可达104～109℃/s，可快速把扫描区域的温度加热到相变区，激光能量由材料表面向里传递，在没有冷却介质的情况下就能使冷却速度达到104～105℃/s。同时激光表面淬火处理的区域仅限于材料表面层，这样工件整体的热变形小，适合于高精度零件的处理。3、可对复杂零件和局部位置进行淬火。激光的特点决定了其加热区域小，激光束光斑尺寸决定激光的扫描宽度，而得到的淬硬层深度根据不同条件可达几十微米到几百微米。通过调整工艺参数，激光表面淬火能较准确地控制淬硬层的深度、面积、硬度和位置，且淬硬层硬度的均匀性较好，因此激光表面淬火可对形状复杂的零件和局部位置进行处理，如盲孔、小孔、小槽或者薄壁件等，也可对同一工件的不同部位进行工艺参数不同的处理。4、适用性好。激光表面淬火时，对零件的大小、尺寸和表面状况的限制不大。5、激光淬火时加工时间短，可重复性好，加工的质量稳定。加工设备配有数控系统，使得激光淬火时操作简单和容易实现自动化生产，保证了工件激光淬火加工质量的精确和稳定。6、激光淬火依靠热量由表及里的传导来进行自冷，与传统淬火不同，无需其它冷却介质，能耗低，不污染环境。而且处理后其表面较光洁，一般情况下不需要后续的修磨工序；可以作为精加工的最后一道工序。激光淬火的机制是，以激光作为热源，当激光束扫描材料表面时，材料表面吸收激光能量后温度迅速达到极高，此时材料内部仍然处于温度相对较低状态；激光束离开材料表面后，材料表面通过热传导迅速把能量传递到材料内部，因此材料表层会以极高的冷却速度冷却，如此通过自身冷却进行淬火。由于激光淬火的快速加热和冷却特性使得试样表面获得了相变硬化层，并在次表层形成孪晶－基体界面。相变硬化区相组织主要为马氏体，碳化物，残余奥氏体，但组织分布非常不均匀，主要包括奥氏体的不均匀性，珠光体的不均匀性。由于加热速度和冷却速度极快，致使所获得的各种组成相都极为细小，且存在大量缺陷。细小的组织，高度弥散分布的碳化物和大量存在的位错，使此区域硬度得到大幅度提高，从而改善材料表面硬度及耐磨性。次表层形成的孪晶－基体界面，对抑制疲劳裂纹的萌生有一定作用，延缓了滑移在表层的形成，使得疲劳裂纹源下移至次表层。同时，激光淬火在材料表层形成压应力层，也使得裂纹源下移，萌生在次表层的冶金缺陷处，从而延长材料疲劳裂纹萌生寿命，改善材料的疲劳性能。