МЕТАЛЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ РЕЛАКСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗОНАХ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СПЛАВЫ
Authors: Г.И. Бровер , Е.Е. Щербакова 
Published: November 2024

Приведены результаты металлофизических исследований особенностей строения сталей и сплавов после термодеформационного воздействия лазерного излучения. Показано, что локальность лазерной обработки в совокупности с высокой скоростью нагрева и охлаждения, отсутствием выдержки при температуре нагрева, высокими градиентами температур по глубине облучаемого слоя приводят к появлению термострикционных напряжений, достигающих значений ≈320 МПа и играющих важную роль в упрочнении поверхности сталей и сплавов. Обнаружено и подтверждено, что под действием напряжений в микрообъемах облучаемого материала появляется локальная пластическая деформация, сопровождаемая перемещением дислокаций вдоль плоскостей скольжения. Предлагаются схемы формирования при скоростной лазерной обработке линий или полос скольжения, полос сброса, рельефных границ зерен и т.д. Показано, что при лазерной обработке увеличивается плотность дефектов кристаллического строения исследуемых однофазных сталей и сплавов до (2–4)×1011 см–2. Это способствует повышению свойств (в том числе твердости и напряжений сдвига) поверхностных слоев облученных материалов. Металлофизическими исследованиями зафиксированы структурные эффекты релаксации термострикционных напряжений в зонах лазерной обработки сталей и сплавов. На примере практически однофазных «модельных» сплавов (меди, никеля, коррозионностойких аустенитных сталей, технического железа) показано, что частичная релаксация напряжений происходит путем протекания в поверхностных слоях сплавов процессов динамической полигонизации и рекристаллизации с формированием мелких фрагментированных зерен размером 0,5–2,0 мкм. Это уменьшает опасность трещинообразования при экстремальном тепловом воздействии лазерного излучения. Установлено, что степень упрочнения и конечная структура стали обусловлены суперпозицией уровня напряжений, возникающих в зонах лазерной обработки, и и процессов релаксации энергии лазерного излучения в результате локальной пластической деформации, динамической полигонизации и рекристаллизации.

The results of metallophysical research of the structural features of steels and alloys after thermal deformation exposure of laser radiation are presented. It is shown that the locality of laser processing in combination with high heating and cooling rates, holding time lack at heating temperature and high temperature gradients along the depth of the irradiated layer lead to the thermostrictive stresses appearance, reaching values of about 320 MPa and playing an important role in strengthening the surface of steels and alloys. It has been discovered and confirmed that, under the influence of stress, local plastic deformation appears in microvolumes of the irradiated material, accompanied by the dislocations movement along slip planes. Schemes are proposed for the formation of slip lines or bands, fault bands, relief grain boundaries, etc. during high-speed laser processing. IIt has been shown that there is an increase in the defects density in the crystal structure of laser-irradiated materials. This helps to increase the mechanical properties (including hardness and shear stress) of the irradiated materials surface layers. Metallophysical studies have documented the structural effects of thermostrictive stresses relaxation in laser processing zones of steels and alloys. Using the example of almost single-phase “model” alloys (copper, nickel, corrosion resistant steels and technical iron) it is shown that partial stress relaxation occurs through the processes of dynamic polygonization and recrystallization in the surface layers of the alloys with the small fragmented grains formation with a size of 0,5–2,0 μm. This reduces the cracking risk due to extreme thermal effects of laser radiation. It has been established that the hardening degree and the final structure of the steel are determined by the superposition of the stresses level arising in the laser processing zones and the relaxation processes of laser radiation energy due to local plastic deformation, dynamic polygonization and recrystallization