1. 所有临界点（Ac1、Ac3、Acm）比一般加热条
件下大幅提高，特别是常用的亚共析钢，共析 钢和过共析钢（T10钢以下）激光表面改性条 件：功率密度104~105 W/cm2；加热速度：103 K/s~105 K/s（随扫描速度变化），临界点可上 移：200~400℃，加热速度达：105~106 K/s时 含0.2~0.9 wt% C的碳钢，完全奥氏体化的临界 点均达到1130℃以上。
第七章
激光表面改性技术
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金属表面 激光强化处理
不熔化
熔化
汽化
相变硬化 合金化
熔敷 冲击硬化
非晶化
晶粒细化
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7.1 激光相变硬化原理
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热交换过程）－被加热表面与近表层存在极高的温度 梯度－极高的冷却速度。
激光加工是一个与常规热加工过程差别很大的、典型 的非平衡状态。
例：铜: 激光功率密度 106 W/cm2时： 3 × 105 ℃/cm。
Gr15轴承钢: 激光功率密度107 W/cm2时：3×106 ℃/cm。
激光辐照提供了一般热源所远不能相比的远离平衡态
理解激光固态相变硬化，关键是3个要点——
激光快速加热和快速冷却相变过程的动力学特点，微观组织
中晶体缺陷和晶格畸变与传统工艺冷速下有显著不同，最终
室温组织中，溶质（C及其它合金元素）的固溶度远高于一
般淬火条件下的固溶度。
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激光快速加热和快速冷却相变 过程的动力学特点
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微观组织中晶体缺陷和晶格畸变与传统 工艺冷速下有显著不同
激光淬硬时钢的微观组织中晶体缺陷和晶格 畸变远高于普通淬火时，从而也显著提高表层 硬度。 例如45钢，一般淬火，位错密度108条/cm2。
激光淬火，位错密度1010~1012条/cm2。 位错密度提高2~4个数量级，抵抗塑性变形能 力加强，即反映为硬度提高。
理内孔、沟槽等复杂形状部位； 便于在生产线上进行自动化控制； 硬化层深0.1～1mm，工件要黑化处理； 表面硬化，硬化面积小，深度浅，设备一次性投资大。
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高功率密度+表层对激光能量的良好吸收－－极高的 加热（熔化）温度和极高的加热速度；
金属本体自导热冷却（最优的导热率；与常用方法本 质区别）－不存在被加热金属与外界冷却介质之间的
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室温固溶度显著提高
快冷造成过饱和固溶体，意义重大： 首先使晶格畸变提高，即硬度提高。 其次，合金元素的过饱和固溶提高，为某些合金 钢激光淬硬后，利用二次硬化元素的沉淀（弥散） 强化机制，适当回火，使细小合金碳化物析出， 会在非常有利于降低表层应力水平的同时，改善 其综合强韧性，而硬度和耐磨性都大幅提高。 其意义尤其体现在激光快速熔凝（包括合金化和 熔覆条件下）中。
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激光快速加热和快速冷却相变 过程的动力学特点
5. 钢的原始组织越不均匀，在快速连续加热时，临 界点温度上升越高。例如，退火态（平衡态）、 正火态和调质态的同一碳钢，激光快速加热后的 淬硬组织差别很大。 以上动力学条件决定了激光固态相变时获得的组织 显著细，同时均匀度差，硬度显著提高 .
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激光相变硬化的优点
功率密度高、加热快、冷却快、淬火组织细、硬度高 （提高15～20％）；
输入热量少、变形量极小、基本不破坏表面光洁度； 经本体热传导冷却、无需冷却介质、冷却特性良好； 硬化层与基体形成最佳的冶金结合，处理层存在耐疲
劳的压应力； 选择性局部表面淬火，硬化层深度、范围可控，可处
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激光快速加热和快速冷却相变 过程的动力学特点
4. 快速加热时形成的奥氏体成分不均匀性显著加大 （来不及均匀化），因而即使在低碳钢中，激光 淬火组织也可能存在高碳马氏体（原珠光体区域 中的原渗碳体位置附近），同时也存在着远低于 平均含碳量的典型低碳（板条）马氏体；
的热力学与动力学条件必然带来被加工金属表面微观
组织的许多特变化。
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7.2 激光固态相变硬化
的过程和机制
固态相变硬化实际上是指冷却过程能发生具有无扩散相变 （切变）特征即马氏本相变的合金材料的一种热处理过程。
代表性材料是钢和铸铁（王遵明：“铸铁实际上是含有大量 石墨相的高硅钢” 。 ）电子探针近年测定表明：铸件金属基 体中固溶了主要部分的Si，铁素体含<0.1 wt%以下的C，而珠 光体含0.50~0.60 wt% C，与Fe-C-Si三元相图不同含Si量的截面 相对应，铸铁金属基体实际上是亚共析成分。
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激光快速加热和快速冷却相变 过程的动力学特点
2. 相变是在一个温度范围内完成的，加热速度越高，相 变温度范围越大，与此同时，相变时间却缩短。加热 速度103 K/s，共析钢珠光体奥氏体开始转变温度为 800℃，终了温度930℃（间隔130℃），理论上共析 钢珠光体奥氏体在Ac1温度恒温下完成. 3. 超快速加热使奥氏体形核率大大增加，奥氏体形成时 间极短，晶粒来不及长大，因此奥氏体显著细化（必 然带来随后快冷的淬火组织极为细化）.
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加热速度增强后钢的奥氏体形成 温度曲线
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超快加热下的非平衡Fe-Fe3C 相图
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加热速度对奥氏体碳含量的影响
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加热速度对奥氏体碳含量不均匀度 的影响
基本知识回顾：Fe-Fe3C 相图
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Fe-Fe3C 相图典型组织
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Fe-Fe3C 相图典型组织
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Fe-Fe3C 相图典型组织
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基本知识回顾：钢的加热与冷却