ZASTOSOWANIE NAŚWIETLANIA LASEROWEGO DO BLOKADY PROPAGACJI PĘKNIĘĆ ZMĘCZENIOWYCH

Transkrypt

1 Sylwester KŁYSZ *, **, Anna BIEŃ **, Janusz LISIECKI *, Paweł SZABRACKI ** * Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Warszawa ** Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Olsztyn ZASTOSOWANIE NAŚWIETLANIA LASEROWEGO DO BLOKADY PROPAGACJI PĘKNIĘĆ ZMĘCZENIOWYCH W pracy przedstawiono wyniki próby wykorzystania efektu utwardzenia warstwy wierzchniej próbek stalowych przy pomocy wiązki laserowej do zablokowania rozwoju pęknięć zmęczeniowych. Wiązka laserowa wywołująca utwardzenie na poziomie HV 0,1 w strefie czoła propagującego pęknięcia może spowodować kilkudziesięciokrotne zmniejszenie prędkości jego rozwoju.

2 1. NAŚWIETLANIE LASEROWE Na podstawie prowadzonych badań w zakresie laserowej modyfikacji warstwy wierzchniej części maszyn, a w szczególności testu jednego strzału, dokonano próby przeniesienia wybranych parametrów obróbki laserowej powodujących uzyskanie wysokich twardości w mikroobszarze - na wykonanie ścieżki laserowej powodującej zablokowanie rozprzestrzeniania się pęknięć zmęczeniowych. Z grupy doświadczeń przeprowadzonych w eksperymencie polegającym na badaniu oddziaływania wiązki laserowej w trybie pracy impulsowej, na materiał w czasie jednego strzału wybrano parametry obróbki wiązka impulsową, pozwalające na uzyskanie utwardzonego mikroobszaru do maksymalnej twardości rzędu HV 0,1. Parametry obróbki laserowej, jak i wyniki pomiarów mikrotwardości przedstawiono na rys. 1. Mikrotwardosc HV s l T = 0.9 s od leg losc od pow ierzchni pró bki g ( m) Rys. 1. Rozkład mikrotwardości w warstwie wierzchniej próbki ze stali C80U, po jednym strzale impulsową wiązką laserową. P L l s = kw = 5 mm = 350 m = 00 m

3 Struktura rdzenia próbki - perlit 500µm 50µm a) b) Rys.. Mikrostruktura próbki po obróbce laserowej: c) Obszar rdzenia o strukturze perlitycznej Obszar po naświetlaniu wiązką laserową 50µm a) fragment obszaru naświetlonego, jasne pole-nie trawiąca się nitalem struktura drobnoziarnista zasięg oddziaływania energii wiązki, b) warstwa przejściowa, widoczny perlit i drobnoziarnista struktura strefy naświetlonej mikroskop optyczny, c) mikroskop skaningowy (trawiono:1g kw. Pikrynowego, 3 ml HNO 3, 100ml C H 5 OH).

4 Czas oddziaływania impulsowej wiązki laserowej lasera molekularnego CO na powierzchnię próbki szlifowanej i pokrytej grafitem koloidalnym wynosił t = 0,9 sekundy, przy średniej mocy wiązki laserowej P = 1050 W. Odległość powierzchni próbki od ogniska soczewki skupiającej wiązkę laserową L = 5 mm, promień plamki laserowej r = 1,1 mm, a wynikowa gęstość mocy 64, W/mm. Współczynnik czasowo-energetyczny (P/L) t wynosił 37,8 [W/mm s]. Analiza metalograficzna, na mikroskopie optycznym i skaningowym, przekroju próbki w osi strzału, wykazała różnice w mikrostrukturze obszaru objętego oddziaływaniem wiązki laserowej i mikrostrukturze rdzenia próbki (rys.). Przedstawiona mikrostruktura charakteryzuje się jednolitością, brakiem porów i nieciągłości w obszarze o zmienionej strukturze, brakiem warstwy przejściowej w rdzeń materiału.. BADANIA ZMĘCZENIOWE Po przeliczeniu czasu oddziaływania wiązki na mikroobszar na prędkość przesuwu wiązki, nanoszono na próbki typu Compact Tension (W = 40 mm, B = 7 mm) ze stali 30HGSNA ścieżki laserowe o tych samych parametrach. Szczegóły nakładania i rozkładu ścieżek objęto zastrzeżeniem patentowym. Układ ścieżek na próbce przedstawia (rys.3). Próbki poddano badaniom zmęczeniowym do określenia prędkości rozwoju pęknięć w warunkach obciążeń stałoamplitudowych. Rys. 3. Obraz próbki CT po obróbce laserowej

5 Wynik badań rozwoju pęknięć przedstawiono na rys. 4 porównawczo zobrazowano wykres a-n dla próbki bez obróbki laserowej i z ww. obróbką. Próbka bez obróbki wiązką laserową pękła po niespełna cykli, podczas gdy w próbce po takiej obróbce (z czterema ścieżkami jak na rys.3, naniesionymi po obu stronach próbki) propagacja pęknięcia praktycznie nie nastąpiła przez ponad cykli. W obu przypadkach poziom obciążeń był identyczny. Nastąpiła pełna blokada rozwoju pęknięcia w badanej próbce. Mechanizm tego zjawiska, ocena warunków jego występowania, analiza mikrostrukturalna złomów przebadanych próbek i inne aspekty związane z tym efektem będą przedmiotem dalszych badań. Rys. 4. Przebieg krzywych a-n rozwoju pęknięć zmęczeniowych dla próbki bez i po obróbce laserowej powierzchni 3. WNIOSKI W pracy przedstawiono możliwości i warunki wykonywania obróbki promieniem lasera powierzchni materiału, w wyniku której uzyskuje się strukturę o wysokiej twardości. Zastosowanie takiej obróbki w stosunku do powierzchni stalowych próbek zmęczeniowych pozwala na zablokowanie rozwoju pęknięć zmęczeniowych.