激光热处理硬化机理

激光相变硬化原理

激光相变硬化是使材料接受激光辐照而将其表面层快速加热至相变点以上，然后急剧冷却，而使工件表面强化的工艺方法。由于加热速度极快（可达10^5/s—10^6/s），加热时间极短，表面薄层以下及未被辐照的部位仍处于冷态，在激光束移开后，被加热表层的热量迅速向四周冷态金属传递，而使表层受到急冷，实现自冷淬火。对钢材来说，激光相变硬化原理属于马氏体相变强化。由于加热速度极快和加热后急冷，金属的相变强化及强化机理有其特点。

1、  在激光作用下钢的相变特点

由于激光加热以极快的速度进行，这将对钢相变的临界温度产生一定的影响，是Ac1、AC3点上升，Accm点也向高温区移动。并且，在激光快速加热时，珠光体向奥氏体转变是在一个温度范围内进行的，当加热至Fe-Fe3C相图EF线温度时，会在渗碳体和奥氏体的接触边界处发生微区熔化（局部共晶转变）。

从加热角度来看，激光加热这种快速加热相变具有以下特点:

1）加热速度快，Ac1高（800℃），因而钢件过热度打，相变在高温区可短时间完成。

2）加热区的温度梯度打，激光束停留时间短，奥氏体成分（碳及合金元素的含量很不均匀。

3）在激光快速加热条件下，奥氏体临界晶核尺寸小，形核率极高，可获得超细晶粒。

4）由于加热速度快，钢中的铁素体相在临界温度（900℃）可发生马氏体型转变的逆转变，以切变方式瞬间形成与其成分相同的奥氏体相，即遵循非扩散型转变的规律发生转变。

5）自冷淬火的冷却速度快，可达10^4/s以上，对传统工艺不易淬硬的低碳钢，也能通过激光淬火获得马氏体。

2、  相变硬化机理

激光相变硬化可大幅度提高钢的力学性能。关于激光相变硬化获得超高硬度的机理，一般认为在于其马氏体相变的特殊性与附加的其他硬化因素的综合作用。从总体上讲，激光相变硬化的本质是马氏体相变硬化，她的硬化效应约占总体的60%以上，起决定性作用。激光相变硬化中的马氏体相变的特殊性在于：这种马氏体是片状马氏体和板条状马氏体的混合组织；马氏体晶粒细化和亚结构细化；位错密度比常规加热淬火的更高；马氏体的高含碳量及固溶合金的静畸变强化。其附加强化因素主要包括位错强化、细晶强化，与常规淬火得到的残余奥氏体不同，这对总的强化效果也有一定帮助。

对于激光淬火形成的各种组成相，可作进一步的分析。主要组成相马氏体，由于激光束对金属表面的快速加热作用，使其作用区具有晶粒超细化的特征（造成马氏体组织超细化），并且碳含量分布极不均匀（造成板条马氏体和片状马氏体混合共存）和随后冷却时超快冷却（使淬透性差的钢亦容易获得马氏体组织）。而马氏体晶体所分割，有一部分以薄面包围着未溶碳化物。这些奥氏体已经被强化，因而激光相变硬化组织的力学性能得以整体提高。至于未溶碳化物，经相变硬化处理后，其颗粒明显细化，尺寸可以减小50%左右，且奥氏体中碳浓度分布极不均匀，这些因素都直接影响硬化效果。

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