vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2023-68-2-103-112vestift-795Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYВлияние режимов лазерной закалки на свойства стали 40Х13Influence of laser hardening modes on the properties of 40X13 steelМищирукО. М.MishchirukO. M.

Мищирук Ольга Михайловна – старший преподаватель кафедры начертательной геометриии инженерной графики

ул. Московская, 267, 224017, Брест, Республика Беларусь

Olga M. Mishchiruk – Senior Lecturer, Department of Descriptive Geometry and Engineering Graphics

267, Moskovskaya Str., 224017, Brest, Republic of Belarus

purtyupolia@gmail.comВеремейчикА. И.VerameichykA. I.

Веремейчик Андрей Иванович – кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник научно-исследовательской части

ул. Московская, 267, 224017, Брест, Республика Беларусь

Andrei I. Verameichyk – Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Senior Researcher of the Research Unit

267, Moskovskaya Str., 224017, Brest, Republic of Belarus

vai_mrtm@bstu.byДевойноО. Г.DevoinoO. G.

Девойно Олег Георгиевич – доктор технических наук, профессор, заведующий научно-исследовательской лабораторией плазменных и лазерных технологий

пр. Независимости, 65, 220013, Минск, Республика Беларусь

Oleg G. Devoino – Dr. Sci. (Engineering), Professor, Head of Plasma and Laser Technologies Research Laboratory

65, Nezavisimosti Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus

scvdmed@bntu.byНеродаМ. В.NerodaM. V.

Нерода Михаил Владимирович – кандидат технических наук, доцент, первый проректор

ул. Московская, 267, 224017, Брест, Республика Беларусь

Mikhail V. Neroda – Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, First Vice-Rector

267, Moskovskaya Str., 224017, Brest, Republic of Belarus

nerodaMV@mail.ruХолодарьБ. Г.KholodarB. G.

Холодарь Борис Григорьевич – кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник научно-исследовательской части

ул. Московская, 267, 224017, Брест, Республика Беларусь

Boris G. Kholodar – Cand. Sci. (Engineering), Senior, Associate Professor, Senior Researcher of the Research Unit

267, Moskovskaya Str., 224017, Brest, Republic of Belarus

hbg@list.ruБрестский государственный технический университетBrest State Technical UniversityБелорусский национальный технический университетBelarusian National Technical University202309072023682103112Copyright © Мищирук О.М., Веремейчик А.И., Девойно О.Г., Нерода М.В., Холодарь Б.Г., 20232023Мищирук О.М., Веремейчик А.И., Девойно О.Г., Нерода М.В., Холодарь Б.Г.Mishchiruk O.M., Verameichyk A.I., Devoino O.G., Neroda M.V., Kholodar B.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/795

Проведено исследование зависимости характеристик прочности и пластичности, а также микротвердости образцов из коррозионно-стойкой стали 40Х13 от режимов лазерной поверхностной закалки волоконным лазером. В зависимости от размеров пятна сканирования и скорости сканирования на противоположных плоскостях образца с габаритными размерами 20 × 200 мм наносились 3–5 дорожек. Проведены испытания образцов на статическое разрушение и исследования микротвердости материала образцов по глубине измененной структуры. Установлено, что разрушение обработанных образцов во всех случаях имело хрупкий характер с невысоким уровнем разрушающих деформаций при напряжениях ниже предела прочности исходного материала. Построенные диаграммы растяжения указывают на незначительное влияние лазерной обработки на величину модуля упругости материала. Исследования твердости материала закаленной лазером дорожки и микротвердости материала по глубине зоны измененной структуры показало их увеличение до 3–4 раз в сравнении с исходными характеристиками. Полученные результаты могут служить базой для исследования взаимосвязи между режимами нагрева лазерным лучом и свойствами материала упрочненной зоны.

We have studied the dependence of the characteristics, strength and plasticity, as well as the microhardness of specimens made of corrosion-resistant steel 40X13 on the modes of laser surface hardening by a fiber laser. Depending on the size of the scanning spot and the scanning speed, 3–5 tracks were applied on opposite planes of the sample with overall dimensions of 20 × 200 mm. Samples were tested for static fracture and the microhardness of the material of the samples was studied in terms of the depth of the changed structure. It was found that the fracture of the treated samples in all cases was of a brittle nature with a low level of destructive deformations at stresses below the tensile strength of the original material. The plotted tension diagrams indicate an insignificant effect of laser processing on the value of the elastic modulus of the material. Studies of the hardness of the material of the laser-hardened track and the microhardness of the material along the depth of the zone of the changed structure showed their increase up to 3–4 times compared with the initial characteristics. The results obtained can serve as a basis for studying the relationship between the modes of heating by a laser beam and the properties of the material of the hardened zone.

лазерная поверхностная закалкамикроструктурахарактеристики пластичностимикротвердостьпрочностные характеристикилегированная сталь 40Х13laser surface hardeningfiber laserplasticity characteristicsmicrohardnessstrength characteristicsalloy steel 40X13ReferencesDenesh Babu, P. Laser surface hardening: A review / P. Denesh Babu, K. R. Balasubramanian, G. Buvanashekaran // Int. J. Sci. Eng. – 2011. – Vol. 5, № 2/3. – P. 131–151. http://doi.org/10.1504/IJSURFSE.2011.041398Denesh Babu P., Balasubramanian K. R., Buvanashekaran G. Laser surface hardening: A review. International Journal of Science and Engineering, 2011, vol. 5, no. 2/3 pp. 131–151. http://doi.org/10.1504/IJSURFSE.2011.041398Исследование механических и пластических свойств стали марки 10кп с покрытиями, сформированными методом ионно-плазменного азотирования / М. В. Нерода [и др.] // Вест. Брест. гос. техн. ун-та. – 2019. – № 4: Машиностроение. – С. 2–4.Neroda M. V., Onys’ko S. R., Martinovskaya O. V., Dragan A. V., Mishchiruk O. M. Investigation of mechanical and plastic properties of steel grade 10kp with coatings formed by ion-plasma nitriding. Vestnik Brestskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Vestnik of Brest State Technical University, 2019, no. 4: Mechanical Engineering, pp. 2–4 (in Russian).Андрияхин, В. М. Расчет поверхностной закалки железоуглеродистых сплавов с помощью технологических СО2-лазеров непрерывного действия / В. М. Андрияхин, В. С. Майоров, В. П. Якунин // Поверхность: Физика, химия, механика. – 1983. – № 6. – С. 140–147.Andriyahin V. M., Maiorov V. S., Yakunin V. P. Calculation of surface hardening of iron-carbon alloys using technological CO2 lasers of continuous action. Poverhnost’: Fizika, himiya, mekhanika [Surface: Physics, Chemistry, Mechanics], 1983, no. 6, pp. 140–147 (in Russian).Веремейчик, А. И. Плазменные технологии как одни из основных технологий повышения эксплуатационных свойств металлоизделий / А. И. Веремейчик, М. И. Сазонов, В. М. Хвисевич // Механика. Научные исследования и учебно-методические разработки: междунар. сб. науч. тр. / Белорус. гос. ун-т транспорта. – Гомель, 2008. – Вып. 2. – С. 6–12.Veremeichik A. I., Sazonov M. I., Hvisevich V. M. Plasma technologies as one of the main technologies for improving the performance properties of metal products. Mekhanika. Nauchnye issledovaniya i uchebno-metodicheskie razrabotki: mezhdunarodnyi sbornik nauchnykh trudov [Mechanics. Scientific Research and Educational and Methodological Developments: International Collection of Scientific Papers]. Gomel, Belarusian State University of Transport, 2008, iss. 2, pp. 6–12 (in Russian).Использование лазерных технологий упрочнения в сельскохозяйственном машиностроении / В. С. Голубев [и др.] // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сб. науч. тр.: в 3 кн. / Гос. науч. учреждение «Физ.-техн. ин-т НАН Беларуси»; редкол.: А. В. Белый (гл. ред.) [и др.]. – Минск, 2018. – Кн. 2: Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки. – С. 58–65.Golubev V. S., Mikhlyuk A. I., Romanchuk I. A., Protskevich L. I. The use of laser technology for hardening of interchangeable parts working bodies of agricultural machinery. Sovremennye metody i tekhnologii sozdaniya i obrabotki materialov: sbornik nauchnykh trudov. Kniga 2: Tekhnologii i oborudovanie mekhanicheskoi i fiziko-tekhnicheskoj obrabotki [Modern Methods and Technologies of Creation and Processing of Materials: a Collection of Scientific Papers. Book 2: Technologies and Equipment of Mechanical and Physical-Technical Processing]. Minsk, Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus, 2018, pp. 58–65 (in Russian).Девойно, О. Г. Обеспечение ресурсных параметров ответственных элементов механических трансмиссий с использованием поверхностных слоев, формируемых лазерными технологиями [Электронный ресурс] / О. Г. Девойно, И. В. Швец // Теоретическая и прикладная механика: междунар. науч.-техн. сб. / Белорус. нац. техн. ун-т; редкол.: А. В. Чигарев (пред.) [и др.]. – Минск: БНТУ, 2019. – Вып. 34. – С. 266–270. – Режим доступа: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/52290/OBESPECHENIE_RESURSNYH_PARAMETROV_OTVETSTVENNYH_EHLEMENTOV_MEKHANICHESKIH_TRANSMISSIJ.pdf?sequence=1. – Дата доступа: 21.10.2022.Devoino O. G., Shvec I. V. Provision of resource parameters of critical elements of mechanical transmissions using surface layers formed by laser technologies. Teoreticheskaya i prikladnaya mekhanika: mezhdunarodnyi nauchno-tekhnicheskii sbornik [Theoretical and Applied Mechanics: International Scientific and Technical Collection]. Minsk, Belarusian National Technical University, 2019, iss. 34, pp. 266–270. Available at: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/52290/OBESPECHENIE_RESURSNYH_PARAMETROV_OTVETSTVENNYH_EHLEMENTOV_MEKHANICHESKIH_TRANSMISSIJ.pdf?sequence=1 (accessed 21 October 2022) (in Russian).Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В. Я. Панченко. – М.: Физматлит, 2009. – 664 с.Panchenko V. Ya., Golubev V. S., Vasil’tsov V. V., Galushkin M. G., Dubrov V. D., Evseev A. V., Zharinov A. N., et al. Panchenko V. Ya., ed. Laser Technologies of Materials Processing: Modern Problems of Fundamental Research and Applied Developments. Moscow, Fizmatlit Publ., 2009. 664 p. (in Russian).Experimental and Numerical Study of AISI 4130 Steel Surface Hardening by Pulsed Nd:YAG Laser / G. Casalino [et al.] // Materials. – 2019. – Vol. 12, № 19. – Art. ID 3136. https://doi.org/10.3390/ma12193136Casalino G., Moradi M., Moghadam M. K., Khorram A., Perulli P. Experimental and Numerical Study of AISI 4130 Steel Surface Hardening by Pulsed Nd:YAG Laser. Materials, 2019, vol. 12, no. 19, art. ID 3136. https://doi.org/10.3390/ma12193136The study of the influence of laser hardening conditions on the change in properties of steels / A. F. I. Idan [et al.] // East. Eur. J. Enterp. Technol. – 2016. – Vol. 2, iss. 5. – P. 69–73. http://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.65455Idan A. F. I., Akimov O., Golovko L., Goncharuk O. The study of the influence of laser hardening conditions on the change in properties of steels. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2016, vol. 2, iss. 5, pp. 69–73. http://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.65455Gusev, V. Multiple-factor model of hardness of steel 40H13 after laser processing / V. Gusev, V. Morozov, D. Gavrilov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 896, iss. 1. – Art. ID 012119. http://doi.org/10.1088/1757-899X/896/1/012119Gusev V., Morozov V., Gavrilov D. Multiple-factor model of hardness of steel 40H13 after laser processing. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, vol. 896, iss. 1, art. ID 012119. http://doi.org/10.1088/1757-899X/896/1/012119Kapustynskyi, O. Laser Treatment for Strengthening of Thin Sheet Steel / O. Kapustynskyi, N. Visniakov // Adv. Mater. Sci. Eng. – 2020. – Article ID 5963012. https://doi.org/10.1155/2020/5963012Kapustynskyi O., Visniakov N. Laser Treatment for Strengthening of Thin Sheet Steel. Advances in Materials Science and Engineering, 2020, art. ID 5963012. https://doi.org/10.1155/2020/5963012Ерицян, С. Л. Разработка методики оценки свойств сталей после лазерной поверхностной закалки: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.03.07 / С. Л. Ерицян. – М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. – 18 с.Ericyan S. L. Development of a Methodology for Assessing the Properties of Steels after Laser Surface Hardening. Moscow, Bauman Moscow State Technical University, 1999. 18 p. (in Russian).Мищирук, О. М. Особенности лазерного упрочнения сталей / О. М. Мищирук, М. В. Нерода, А. И. Веремейчик // Новые технологии и материалы, автоматизация производства: сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 55-летию Брест. гос. техн. ун-та, Брест, 29–30 сент. 2021 г. / Брест. гос. техн. ун-т. – Брест: Изд-во БрГТУ, 2021. – С. 121–124.Mishchiruk O. M., Neroda M. V., Veremeichik A. I. Features of laser hardening of steels. Novye tekhnologii i materialy, avtomatizaciya proizvodstva: sbornik statei Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, posvyashchennoi 55-letiyu Brestskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, Brest, 29–30 sentyabrya 2021 g. [New Technologies and Materials, Production Automation: Collection of Articles of the International Scientific and Technical Conference dedicated to the 55th Anniversary of the Brest State Technical University, Brest, September 29–30, 2021]. Brest, Brest State Technical University Publ., 2021, pp. 121–124 (in Russian).Девойно, О. Г. Моделирование поверхностной закалки с использованием сканирующего оптоволоконного лазера / О. Г. Девойно, В. В. Жарский, А. П. Пилипчук // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2018. – Т. 63, № 4. – С. 435–443. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2018-63-4-435-443Devoino O. G., Zarski V. V., Pilipchuk A. P. Simulation of surface hardening using a fiber-optic laser scanning. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2018, vol. 63, no. 4, pp. 435–443 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8358-2018-63-4-435-443Веремей, П. В. Компьютерное моделирование процесса лазерной закалки оптоволоконным лазером / П. В. Веремей, О. Г. Девойно, И. П. Филонов // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: сб. докл. 8-го Междунар. симп., Минск, 10–12 апр. 2013 г.: в 2 ч. / гл. ред. П. А. Витязь. – Минск: Беларус. навука, 2013. – Ч. 2. – С. 51–56.Veremei P. V., Devoino O. G., Filonov I. P. Computer simulation of the laser hardening process by fiber-optic laser. Poroshkovaya metallurgiya: inzheneriya poverhnosti, novye poroshkovye kompozicionnye materialy. Svarka: sbornik dokladov 8-go Mezhdunarodnogo simpoziuma, Minsk, 10–12 aprelya 2013 g. Chast’ 2 [Powder Metallurgy: Surface Engineering, New Powder Composite Materials. Welding: Collection of Reports of the 8th International Symposium, Minsk, April 10–12, 2013. Part 2]. Minsk, Belaruskaya navuka Publ., 2013, pp. 51–56 (in Russian).Effect of Laser Surface Hardening on the Microstructure, Hardness, Wear Resistance and Softening of a Low Carbon Steel / Peilei Zhang [et al.] // Lasers in Engineering. – 2014. – Vol. 28, iss. 3. – P. 135–149.Peilei Zhang, Hua Yan, Peiquan Xu, Yu Z.-S., Li C.-G., Lu Q.-H. Effect of Laser Surface Hardening on the Microstructure, Hardness, Wear Resistance and Softening of a Low Carbon Steel. Lasers in Engineering, 2014, vol. 28, iss. 3, pp. 135–149.Laser Hardening Parameters Influencing Component Lifetime and Residual Stresses / S. Němeček [et al.] // Mater. Sci. Forum. – 2014. – Vol. 782. – P. 306–310. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.782.306Němeček S., Míšek M., Černý I., Sís J., Ganev N., Kolařík K. Laser Hardening Parameters Influencing Component Lifetime and Residual Stresses. Materials Science Forum, 2014, vol. 782, pp. 306–310. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.782.306

The authors declare that there are no conflicts of interest present.