раздел 2.1), а также с результатами расчетов нагрева
чугуна по модели, учитывающей зависимости теплофизических параметров материала
и его отражательной способности [242] показало, что время нагрева поверхности
металла при импульсном лазерном облучении до температур начала оплавления
составляет 1,5 мс.
Передача тепла вглубь металла пропорциональна:
, (2.20)
где а = 0,15 см2/сек – температуропроводность феррита, т.е. размер глубины зоны
нагрева вглубь от поверхности за время фm = 1,5 мс будет составлять:
см.
Следует учесть, что глубина прогрева феррита вглубь образца до температур
начала б > г превращения не превышает и половины расчетной глубины за этот
промежуток времени, получаем значения д ? 60 – 75 мкм.
В пределах этого поверхностного слоя, прогретого до температур возможного б> г
превращения, где образование стабильного аустенита возможно в окрестностях
графитных включений. Подтверждением этого могут служить зоны контактного
плавления в окрестностях графитного включения в ЗТВ (рис. 2.27), где
температура не достигает температур плавления [114]. Их размеры получены за
время, в несколько раз превышающее расчетное, так как образование происходило
при нагреве и последующем охлаждении.
Оценим наибольшее значение глубины диффузионного слоя в окрестностях графитного
включения, полагая, что во всей этой области поддерживается температура б > г
перехода. Для этого воспользуемся известным выражением:
, (2.21)
где D – коэффициент диффузии углерода в б-Fe; ф – время нагрева, сек
Коэффициент диффузии углерода в железе при нормальной температуре имеет порядок
10-9 см2/сек [21], а для определения его значения при температуре вблизи
фазового перехода воспользуемся формулой Аррениуса:
D = D0•exp(-Q/RT) = 2?10-2 •exp(-84 /8,3·10-3 • 1000) = 9,7?10-7 см2/сек,
(2.22)
где Q = - 20,1 ккал/(г-атом) [84 кдж/(г-атом)];
D0 = 2?10-2 см2/сек (для диффузии углерода в б-Fe);
R = 2,0·10-3 ккал/(г-атомЧград) [8,3·10-3 кдж/(г-атом-град)] [228].
За время, равное времени нагрева до температуры начала оплавления ф = 1,5 ·10-3
сек:
? 1 - 3 мкм. (2.23)
Рис. 2.27 Граница ЗО и ЗТВ в ферритном чугуне вокруг включений графита после
импульсного (а) и непрерывного (б) лазерного излучения. х 600.
Средний размер графитных включений в ферритном чугуне составляет 40 - 50 мкм, а
среднее статистическое расстояние между ними находится в пределах 50 – 70 мкм.
Из сравнения этих размеров видно, что диффузионные зоны в окрестности графитных
включений не перекрывают расстояний между включениями за промежуток 1,5Ч10-3
сек (время нагрева до температур плавления), остается достаточно большой объем
феррита, в который диффузия углерода из графитного включения невозможна.
Следовательно, возможность б> г перехода в период лазерного нагрева ферритного
чугуна до момента оплавления ограничена, во-первых, недостатком углерода в
феррите, и во-вторых низкой скоростью диффузии углерода в твердом состоянии из
графитного включения в б - железо.
Известно, что устойчивость аустенита определяется количеством растворенного в
нем углерода и термокинетическими условиями. Образование стабильного аустенита
с низким содержанием углерода практически маловероятно. В этой связи, в
условиях лазерного нагрева до температур плавления для ферритной основы,
удаленной от графитного включения более, чем на 2 мкм, логичнее предположить б
> д превращение, т. е. минуя образование аустенита.
С образованием ванны расплава состояние и поведение ГФ качественно меняется.
Возникает движение жидкого металла под действием градиента сил поверхностного
натяжения. Оценивая расчетным методом возможность растворения графитного
включения в чугунах с шаровидным графитом при импульсном лазерном оплавлении
без учета конвективного перемешивания расплава было установлено [229], что при
коэффициенте диффузии углерода в жидком чугуне 9*10-5 см2/сек с учетом его
температурной зависимости за период 8 мс, превышающий в два раза время действия
импульса лазерного излучения, полное растворение достижимо для ГФ размерами
менее 2 мкм. Однако, время существования расплава даже на поверхности, где
температура максимальна, значительно меньше вышеуказанного – расчетного,
поскольку часть времени действия импульса излучения тратится на нагрев до
температуры ликвидус, а после прекращения действия луча за подобный период
затвердевает, так как малая нагретая область находится в большой холодной массе
и скорости нагрева и охлаждения близки по своим значениям. Из чего следует, что
указанные значения размеров полного растворения ГФ при отсутствии конвективного
перемешивания значительно завышены и графитные включения, размеры которых
превышают 2 мкм, должны были быть зафиксированы в ванне расплава.
Используя методику расчета кинетики растворения сферического включения
определяемой диффузией [230] по тем же данным, что представлены выше определили
время полного растворения графитного включения диаметром 2 мкм. Расчетное
время, необходимое для полного растворения такого графитного включения
составляет не менее 30 мс, что очевидно, является верхней границей.
Оценка возможности всплытия графитного включения посредством флотационных сил
без учета конвективного перемешивания, несмотря на большую разность в
плотностях железа и графита, показала, что время, необходимое для преодоления
даже половины глубины ванны расплава, значительно превосходит время
существования жидкой ванны.
Тем не менее, исследования показали, что большое количество включений успевают
всплыть на поверхность расплава и их можно наблюдать на поверхности дорожки
оплавления (рис. 2.4, рис. 2. 18). В связи с этим вопрос завершенности
структуроо
- Київ+380960830922