Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 19 |

При лазерной обработке реализуются в той или иной степени все указанные механизмы упрочнения. Вклад в упрочнение вносится полиморфными и фазовыми превращениями, которые в условиях быстрого нагрева и охлаждения материала имеют определенные особенности и обладают особыми свойствами.

2.2 Остаточные напряжения в металлах после лазерной обработки Лазерная обработка приводит к специфическому распределению остаточных напряжений в материале. Причинами этого являются большие скорости нагрева и охлаждения, огромные градиенты температуры, вызванные локализацией нагрева. Остаточными напряжениями называют напряжения, существующие в замкнутой системе при отсутствии внешних моментов и сил. Величина и распределение их таковы, что совокупность всех результирующих сил и моментов, вызванных этими напряжениями, равна нулю, и система находится в состоянии механического равновесия. В зависимости от объема, в котором напряжения уравновешиваются, они называются зональными (макроскопическими) или микроскопическими. Условно можно выделить три причины происхождения напряжений:

-деформационные (напряжения, возникновение которых связано с внешними силами, действующими на систему);

-термические (появляющиеся вследствие температурных градиентов);

-структурные (в результате объемных изменений, сопровождающих фазовые превращения).

Напряжения, возникающие в материале при лазерном облучении, в основном связаны с градиентами объемных изменений, причиной которых являются температурные или фазовые изменения. Рассмотрим существующие представления о возникновении напряжений при лазерных обработках. При быстром нагреве поверхности металла наружные слои, расширяясь, испытывают сжимающие напряжения со стороны более холодных внутренних слоев. Если эти напряжения не превосходят предела текучести при температуре нагрева, то при охлаждении металла они нивелируются. Однако, вероятнее всего, что при высокой температуре протекает релаксация напряжений, так как предел текучести сильно снижается. При охлаждении слоев металла, в которых развилась пластическая деформация и прошла релаксация напряжений, происходит их упругое сжатие в большей степени, чем внутренних нагретых слоев, в которых релаксация напряжений не совершалась. В результате этого в поверхностных слоях получаются остаточные напряжения растяжения, а в подповерхностных - сжатия.

Распределение напряжений в материале после лазерной обработки отличается от распределения, которое получается после охлаждения объемно нагретого материала. На всех стадиях лазерной обработки наиболее нагреты поверхностные слои, при охлаждении после объемного нагрева внутренние слои могут иметь более высокую температуру, чем наружные, что вызовет отличающееся распределение остаточных напряжений. При охлаждении после объемного нагрева отвод тепла происходит через поверхность и в полученном распределении остаточных напряжений напряжения на поверхности - сжимающие, в подповерхностных слоях - растягивающие.

Тот факт, что на поверхности однофазного материала после лазерного нагрева получаются растягивающие напряжения, должен приводить к снижению сопротивляемости трещинообразования и, в частности, к ухудшению усталостных свойств.

В материале, испытывающем фазовые превращения, распределения остаточных напряжений могут значительно отличаться от тех, которые получаются в материале без фазовых превращений. Образование мартенсита (фазы с меньшей плотностью) в поверхностных слоях материала при резком охлаждении приводит к появлению остаточных сжимающих напряжений на поверхности, что должно повышать сопротивление образованию трещины.

Для приближенного расчета остаточных напряжений на поверхности изделий может быть использована формула = Е (1-Р1/Р2), где: - остаточные напряжения;

Е - модуль упругости исходного материала;

P1, P2 - плотности исходного и конечного состояния материала.

Видно, что для получения сжимающих остаточных напряжения необходимо, чтобы фазовое превращение протекало с уменьшением плотности и что чем больше различие плотностей, тем больше и остаточные напряжения в материале.

2.3 Практика использования лазерного излучения для упрочнения металлов Лазерное упрочнение производится как на импульсных, так и непрерывных лазерных технологических системах на разной плотности мощности (103 - 104 Вт/см2) и относительно большой длительности воздействия (порядка единиц миллисекунд). Оно является сравнительно простой операцией, имеющей ряд преимуществ перед традиционными методами термообработки. К ним относятся: отсутствие потребности в закалочной среде, высокая скорость операции, возможность локального упрочнения и упрочнения поверхностей деталей в труднодоступных местах, регулирование глубины упрочнения, сведение к минимуму деформации обрабатываемых деталей, совмещение двух или нескольких различных режимов термообработки на одной детали, возможность закалки детали в собранном узле и т.д.

К недостаткам лазерного упрочнения можно отнести небольшую глубину упрочнения, нанесение поглощающих покрытий, необходимых в ряде случаев для уменьшения отражательной способности обрабатываемых поверхностей, неэффективность для нагрева больших объемов материала, затруднительность обработки больших площадей.

В большинстве случаев импульсная лазерная закалка применяется для дополнительного поверхностного термоупрочнения режущего и штампового инструментов. Как правило, лазерной закалке подвергаются инструменты, предварительно термообработанные по традиционной технологии и прошедшие последующую финишную операцию. При правильном подборе режимов лазерной обработки, заметного изменения шероховатости поверхности не наблюдается. В результате достигается увеличение стойкости металлорежущих инструментов от 1,5 до 5 раз в зависимости от их типа, марки материала и условий работы.

При необходимости импульсную поверхностную термообработку можно производить и с оплавлением поверхности, что дает увеличение глубины обработки, но требует последующей финишной обработки.

азерная закалка установками с непрерывным излучением обычно производится СО2 - лазерами, а иногда применяют твердотельные лазеры на алюмо-иттриевом гранате. Например, применение СО2 лазеров для поверхностного упрочнения чугунных деталей позволяет повысить их износостойкость до 5 - 10 раз. Поверхностное упрочнение чугунных деталей с оплавлением поверхностного слоя до 50 мкм увеличивает их долговечность, не ухудшая качества деталей. Этот метод упрочнения нашел применение в автомобилестроении и других отраслях машиностроения.

2.4 Поверхностное лазерное легирование металлических деталей Повысить эксплуатационные характеристики рабочих поверхностей деталей машин можно и за счет поверхностного лазерного легирования. Лазерное поверхностное легирование производится следующим образом:

- на легируемую рабочую поверхность детали в необходимой пропорции наносят легирующие элементы в виде порошка и связывающей основы.

- воздействуя лазерным лучом на эту поверхность детали, тонкий ее слой быстро расплавляют, диффундируя в нее легирующие элементы.

- затем происходит весьма быстрое остывание этой поверхности, что обеспечивает однородный по структуре слой основного металла, который содержит легирующие элементы.

Такая поверхностная обработка позволяет изготавливать детали из более дешевой углеродистой стали, чем те же детали, изготовленные целиком из дорогостоящих легированных сталей. Есть сведения о том, что эксперименты, проведенные по поверхностному лазерному легированию дешевых углеродистых сталей углеродом, хромом и другими элементами дают возможность увеличить твердость поверхности с 10 до 65 (по Роквеллу) и улучшить коррозионную стойкость и износостойкость обработанной поверхности.

Для осуществления описываемого процесса необходимо не только нагревание, но и расплавление обрабатываемой поверхности. Поэтому для его реализации требуются большие энергозатраты (в 2-4 раза большая интенсивность лазерного излучения, чем при закалке).

2.5 Лазерное остекловывание Процесс лазерного остекловывания происходит при быстром плавлении тонкого поверхностного слоя с последующим быстрым охлаждением за счет теплопроводности металла. Процесс реализовывается посредством быстроходного сканирования обрабатываемой поверхности лазерным лучом с плотностью мощности 105 - 107 Вт/см2 и временем воздействия 10-4 - 10-7 с.

Здесь большое значение имеет скорость остывания металла. При указанных режимах обработки поверхности в металлах не успевает произойти кристаллизация. Поэтому расплавленный слой при быстром охлаждении превращается в однородную (аморфную) стеклообразную массу - металлическое стекло. Этот слой обладает высокой твердостью и коррозионной стойкостью, а также стойкостью к истиранию.

3 Неметаллические материалы К ним относятся пластические, композиционные, резиновые, стеклянные, лакокрасочные материалы, клеи, древесина, керамика, полимеры, минералы. Основной составляющей частью неметаллов являются полимеры - соединения, состоящие из макромолекул, похожих на вытянутые цепочки, отдельные звенья которых представляют собой атомные группировки - мономеры.

Полимеры делят на природные (натуральный каучук, асбест, целлюлоза) и синтетические (полиэтилен, полистирол, полиамиды).

Низкомолекулярные синтетические полимеры (этилен, стирол и др.) получают 3 способами:

1) полимеризация;

2) поликонденсация;

3) химические превращения.

Характерной особенностью полимеров является тепловое, световое, озоновое и атмосферное старение. Процесс самопроизвольного изменения приводит к саморазмягчению и наоборот.

3.1 Минералы К минералам относятся природные или синтетические вещества, образованные соединением неметаллов с металлами или их окислами, связанными в кристаллической решетке.

Среди минералов, получивших наибольшее распространение в производстве материалов, выделяют кремний, алмаз, корунд и фианит.

I Кремний и его соединения используются для производства стекла, электро- и гидроизоляционных конструкционных материалов, транзисторов и других деталей для радиотехники.

II Алмаз - одна из разновидностей кристаллических полимерных модификаций углерода. Кристаллы бесцветные или с легкой окраской, имеют октаэдрическую форму и образуют кубические сингонии (лсин - равный, гониус - угол, пер.с греч.).

Существует три разновидности алмазов:

1) Баллас - состоит из мелких лучистых агрегатов, применяется в ювелирном производстве;

2) Карбонадо - тонкозернистые пористые агрегаты серого или черного цвета.

Используются для производства режущего инструмента различного назначения. В медицинской промышленности служит для изготовления лезвий режущего инструмента для микрохирургии, в том числе и для офтальмологии;

3) Борт - пористые кристаллы, непригодные для огранки. Применяется для производства абразивных материалов.

В настоящее время в промышленности преимущественно используются синтетические алмазы.

III Корунд - минерал подкласса пористых оксидов Al2O3. При наличии примесей от 30 % до 40 % магнетита, гематита, шпинели применяется как абразивный материал. Прозрачные разновидности: рубин (Al2O3 Cr3+), сапфир Fe3+ Al2O3 используются в радиотехнике (полупроводники), квантовой оп Ti4+ тике (кристаллические лазеры). Сапфир, кроме этого, является материалом для изготовления режущего инструмента, применяемого в микрохирургии.

Кроме природных разновидностей корунда широкое распространение получил синтетический корунд без добавок - лейкосапфир. Это бесцветный прозрачный материал с высокими оптическими свойствами, из которого изготавливаются оптические линзы, в том числе интраокулярные линзы для офтальмологии.

IV Фианит - искусственный минерал, получаемый посредством синтеза монокристаллов на основе циркония и гафния. Области применения: ювелирное и медицинское производство (режущие инструменты для микрохирургии).

3.2 Стекло. Классификация и область применения Стекло - один из наиболее старых и наиболее распространенных материалов среди тех, что использует человек. Его стали производить еще в VII веке до н. э., а теперь годовой оборот стекольной промышленности одних только США составляет 20 млрд. долл. Однако, несмотря на многочисленные применения стекла, одно его свойство всегда создавало сложности: стекло слишком легко растрескивается. Этот недостаток все чаще оказывается помехой для конструкторов. Новые технические средства, для которых требуются волоконнооптические кабели, керамические сердечники или новейшие оптические и электронные узлы, крайне нуждаются в разновидностях стекла и керамики, особо устойчивых к растрескиванию. Например, трансатлантический волоконнооптический кабель должен служить достаточно долго, чтобы его использование не было убыточным.

Стекло - твердый, аморфный, хрупкий материал, прозрачный, устойчив к химическим и термическим воздействиям.

Свойства стекла определяются состоянием образующих его компонентов и технологией его изготовления. Различают неорганическое и органическое стекло. Неорганическое стекло вырабатывается на основе двуокиси кремния, и получило название силикатное стекло. Различают следующие виды силикатного стекла:

1) оксидное стекло подразделяется на: фосфатное, алюминиевое, алюмофосфатное, боратное и т.д. Включение в состав стекла окисла цинка, циркония, титана и др. повышает его химическую устойчивость и термостойкость. Окислы свинца повышают оптические свойства стекла. В зависимости от составляющих компонентов, стекло может быть прозрачным, непрозрачным, цветным или бесцветным, пропускающим или поглощающим ультрафиолетовые (УФ) и инфракрасные (ИК) лучи, а также ионизирующие излучения;

2) стекловолокно - химическое, неорганическое волокно, применяется в электротехнической, авиа- и судостроительной, электронной, медицинской, хими ческой и др. отраслях промышленности. По способу производства, длине и внешнему виду стекловолокно разделяют на штапельное и непрерывное.

Штапельное стекловолокно получают путем разделения струи расплавленного стекла паром, воздухом или горячими газами. Используется как изоляционный материал - вата, рулонный материал, маты, плиты и др. Непрерывное стекловолокно получают протягиванием стекломассы на стеклопрядильных агрегатах. В дальнейшем процессе производства из полученного стекловолокна изготавливают ткани, ленты, сетки и др.

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 19 |    Книги по разным темам