THE INITIAL STRUCTURE INFLUENCE ON EFFICIENCY OF THE STEEL’S LASER PROCESSING
Authors: Бровер Г.И. , Щербакова Е.Е. 
Published: June 2024

Экспериментально установлено, что к скоростной лазерной закалке наиболее подготовлена исходная мартенситная структура с заложенными в ней при предварительной объемной термообработке содержанием углерода, а также количеством и дисперсностью карбидов, выделившихся в процессе отпуска. При выборе режима объемной термообработки необходимо учитывать, что α→γ-превращение в процессе лазерного нагрева происходит по сдвиговому механизму с наследственной передачей аустениту от исходного мартенсита атомов углерода и легирующих элементов, а также дефектов кристаллического строения. Структурной особенностью высокотемпературного аустенита лазерной закалки является его фрагментированное строение с субзернами размером 200–300 нм. Это объясняется динамической полигонизацией аустенита, протекающей вследствие наложения на фазовый наклеп при α→γ-переходе динамических термострикционных эффектов в зонах лазерной обработки. После скоростного охлаждения в облученных зонах присутствуют наследственно мелкоигольчатый мартенсит с высоким уровнем прочностных свойств, некоторое количество текстурированного остаточного аустенита и карбидная фаза. Установлено, что упрочнение облученной стали, происходящее в условиях термодеформационного воздействия лазерного излучения, связано, в том числе, с формированием на границах композиции «карбид – стальная матрица» наноразмерных зон, обладающих дисперсностью строения и повышенной твердостью (10–12 ГПа). По результатам металлофизических и дюрометрических исследований установлено, что максимальная твердость лазерно-закаленных сталей достигается, если дисперсные карбиды занимают более 40% облученной области и имеют размеры 0,5–1,5 мкм. Показано, что обоснованный выбор исходной структуры стали и режима лазерной обработки позволяют получать на рабочих поверхностях изделий структурное состояние поверхностных слоев, обладающее высокими и прогнозируемыми эксплуатационными свойствами.

It has been experimentally established that the initial martensitic structure with the carbon content embedded in it during preliminary bulk heat treatment, as well as the amount and dispersion of carbides precipitated during tempering, is most prepared for high-speed laser hardening. When choosing a bulk heat treatment mode, it must be taken into account that the α→γ transformation during laser heating occurs according to a shear mechanism with the hereditary transfer of carbon atoms and alloying elements to austenite from the initial martensite, as well as the crystal structure defects. A structural feature of high-temperature laser-hardened austenite is its fragmented structure with subgrains 200–300 nm in size. This is due to the dynamic austenite polygonization, which occurs due to the superimposition of dynamic thermostrictive effects in the laser processing zones on the phase hardening during the α→γ transition. After rapid cooling, the irradiated zones contain hereditarily fine acicular martensite with a high level of strength properties, a certain amount of textured retained austenite, and a carbide phase. It has been established that the hardening of irradiated steel, which occurs under the conditions of thermal deformation by laser radiation, is caused, among other things, by the formation of nanosized zones at the «carbide – steel matrix» composition boundaries, which have a dispersed structure and increased hardness (10–12 GPa). Based on the results of metal-physical and durometric studies, it was found that the maximum hardness of laser-hardened steels is achieved if dispersed carbides make up more than 40% of the irradiated area and have a size of 0.5–1.5 μm. It is shown that a reasonable choice of the initial steel structure and the laser processing mode make it possible to obtain a structural state of surface layers on the working surfaces of products, which has high and predictable operational properties.