Оптимізація технології лазерного зміцнення елементів пар тертя зі сталі

Дубровін, Владислав Анатолійович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7713
Title:	Оптимізація технології лазерного зміцнення елементів пар тертя зі сталі
Authors:	Лега, Андрій Юрійович Дубровін, Владислав Анатолійович
Keywords:	Технології лазерного зміцнення
Issue Date:	2025
Abstract:	АНОТАЦІЯ Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Оптимізація технології лазерного зміцнення елементів пар тертя зі сталі». Виконавець: здобувач вищої освіти групи мНТ-42 Дубровін Владислав Анатолійович. Керівник: к.і.н. доцент Лега Андрій Юрійович. Обєм роботи 100 аркушів формату А4, 49 рисунків, 11 таблиць, 56 літературних джерел. Об’єкт дослідження – процес лазерного зміцнення елементів пар тертя з корозійностійких сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т. Предмет дослідження – вплив технологічних параметрів лазерної термообробки (потужності випромінювання, швидкості переміщення променя, діаметра плями, кількості проходів тощо) на структуру, мікротвердість та експлуатаційні властивості поверхневого шару сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т. Мета роботи – підвищення зносостійкості елементів пар тертя зі сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т шляхом оптимізації технології їх лазерного зміцнення. У першому розділі проаналізовано теоретичні основи підвищення конструкційної міцності деталей машин, наведено класифікацію методів поверхневого зміцнення та розглянуто фізичні основи лазерної термообробки корозійностійких сталей. У другому розділі обґрунтовано вибір корозійностійких сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т як матеріалів елементів пар тертя, а також вибір обладнання та режимів лазерної обробки. У третьому розділі подано результати теоретичних і експериментальних досліджень впливу параметрів лазерного зміцнення на мікроструктуру, мікротвердість та експлуатаційні характеристики поверхневого шару досліджуваних сталей, сформульовано рекомендації щодо раціональних режимів обробки. У четвертому розділі розглянуто питання охорони праці та безпеки при роботі з лазерними установками.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7713
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Дубровін.pdf Restricted Access		2.8 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________ 2025 р.
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра
на тему: «Оптимізація технології лазерного зміцнення елементів пар тертя зі 
сталі» 
Виконав: здобувач 2 курсу, групи мНТ-42
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Обробка металів за 
спецтехнологіями»
Дубровін Владислав Анатолійович
Керівник: к.і.н., доцент Лега Андрій Юрійович
Рецензент: Головний інженер ДП «Семпал» 
м.Черкаси
Якушев Іван Володимирович
Черкаси 2025 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень  магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма  «  Обробка металів за спецтехнологіями  » 
ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
 Георгій КАНАШЕВИЧ
«       »       ____________2025 р.
ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра
_Дубровіну Владиславу Анатолійовичу _
(прізвище, ім’я, по батькові)
1.  Тема  роботи «Оптимізація  технології  лазерного  зміцнення  елементів  пар 
тертя зі сталі».
Керівник  роботи Лега Андрій Юрійович, к.і.н., доцент
                                            (прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
 «15» вересня 2025р. №261/03-03
2. Термін подання здобувачем роботи 11. 12. 2025 р. 
3. Вихідні дані до роботи: Технологія лазерного зміцнення елементів пар тертя 
зі  сталей  95Х18  та  12Х18Н10Т;  підбір  раціональних  режимів  обробки 
(потужність/енергія,  тривалість  і  частота  імпульсів,  швидкість,  діаметр 
плями,  перекриття);  металографічні  дослідження  та  вимірювання 
мікротвердості  зміцненого  шару;  розрахунок  температурних  полів  і 
швидкостей  нагріву/охолодження;  вимоги  охорони  праці  та  безпека  під  час 
роботи з лазерним обладнанням..
4.  Зміст  пояснювальної  записки: Досліджувані  матеріали.  Вимоги  до 
властивостей  поверхневих  шарів;  Методи  поверхневої  обробки;  Лазерне 
термозміцнення;  Матеріали  для  досліджень;  Аналіз  теплових  процесів  при 
лазерному  впливі;  Вплив  параметрів  обробки  на  структуру  і  твердість 
поверхні  сталі  95Х18; Вплив параметрів обробки на структуру і  твердість 
поверхні сталі 12Х18Н10Т; Вплив ступеня перекриття лазерних імпульсів на 
мікротвердість  поверхні  сталі  95Х18;  Охорона  праці  та  безпека  в 
надзвичайних ситуаціях 
5.  Перелік  графічного  матеріал(з  точним  зазначенням  обов’язкових 
креслеників, плакатів,  презентацій тощо  Тема, мета, задачі; Обладнання для 
лазерного зміцнення поверхні та режими обробки; Теплові поля при лазерному 
впливі;  Мікроструктура  сталі  95Х18  після  лазерної  термічної  обробки; 
Мікроструктура  та  розподіл  твердості  по  глибині  зміцненого  шару; 
Мікроструктура сталі 95х18 після лазерного термозміцнення по режиму 2.1 
і.2.2.;  Мікроструктура  сталі  12Х18Н10Т  після  лазерного  термозміцнення; 
Мікроструктури та розподіл мікротвердості зони перекриття; Охорона праці 
та безпека в НС ; Загальні висновки 
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1-3 Лега Андрій Юрійович
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович
7. Дата видачі завдання 16.09.2025 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк 
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 16.09. - 01.10.2025
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2025
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2025
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2025
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2025
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 25.11.2025
7 Оформлення графічної документації 26.11 – 04.12.2025
8 Захист роботи 19.12.-23.12.2025р.
Здобувач                                       ___________              __Владислав ДУБРОВІН__
Підпис     Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
Керівник                                       ___________           ___Андрій ЛЕГА__
Підпис     Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
АНОТАЦІЯ
Тема  кваліфікаційної  роботи  магістра:  «Оптимізація  технології  лазерного 
зміцнення елементів пар тертя зі сталі».
Виконавець:  здобувач  вищої  освіти  групи  мНТ-42  Дубровін  Владислав 
Анатолійович.
Керівник: к.і.н. доцент Лега Андрій Юрійович. 
Обєм  роботи  100  аркушів  формату  А4,  49  рисунків,  11  таблиць,  56 
літературних джерел.
Об’єкт  дослідження  –  процес  лазерного  зміцнення  елементів  пар  тертя  з 
корозійностійких сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т.
Предмет  дослідження  –  вплив  технологічних  параметрів  лазерної 
термообробки  (потужності  випромінювання,  швидкості  переміщення  променя, 
діаметра  плями,  кількості  проходів  тощо)  на  структуру,  мікротвердість  та 
експлуатаційні властивості поверхневого шару сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т.
Мета роботи – підвищення зносостійкості елементів пар тертя зі сталей 95Х18 
та 12Х18Н10Т шляхом оптимізації технології їх лазерного зміцнення.
У  першому  розділі  проаналізовано  теоретичні  основи  підвищення 
конструкційної  міцності  деталей  машин,  наведено  класифікацію  методів 
поверхневого  зміцнення  та  розглянуто  фізичні  основи  лазерної  термообробки 
корозійностійких сталей. У другому розділі обґрунтовано вибір корозійностійких 
сталей 95Х18 та  12Х18Н10Т як  матеріалів  елементів  пар тертя,  а  також вибір 
обладнання та режимів лазерної обробки. У третьому розділі подано результати 
теоретичних  і  експериментальних  досліджень  впливу  параметрів  лазерного 
зміцнення на  мікроструктуру,  мікротвердість  та  експлуатаційні  характеристики 
поверхневого  шару  досліджуваних  сталей,  сформульовано  рекомендації  щодо 
раціональних режимів обробки. У четвертому розділі розглянуто питання охорони 
праці та безпеки при роботі з лазерними установками.
ABSTRACT
Master’s  qualification  work  topic:  “Optimization  of  the  Laser  Hardening 
Technology for Steel Friction Pair Elements”.
Author: student of group mNT-42 Vladyslav Anatoliiovych Dubrovin.
Supervisor: Cand. Sc. (Tech.), Associate Professor Andrii Yuriiovych Leha.
The thesis comprises 100 A4 pages, 49 figures, 11 tables, and 56 references.
The object of the research is the process of laser hardening of friction pair elements 
made of corrosion-resistant steels 95Х18 and 12Х18Н10Т.
The subject of the research is the influence of the technological parameters of laser 
heat treatment (radiation power, beam travel speed, spot diameter, number of passes, etc.) 
on the structure, microhardness, and performance properties of the surface layer of steels 
95Х18 and 12Х18Н10Т.
The aim of the work is to increase the wear resistance of friction pair elements made 
of steels 95Х18 and 12Х18Н10Т by optimizing the technology of their laser hardening.
In the first chapter, the theoretical fundamentals of improving the structural strength 
of machine parts are analyzed, a classification of surface hardening methods is presented, 
and  the  physical  principles  of  laser  heat  treatment  of  corrosion-resistant  steels  are 
considered. In the second chapter, the choice of corrosion-resistant steels 95Х18 and 
12Х18Н10Т as materials for friction pair elements is substantiated, as well as the choice 
of equipment and laser processing modes. In the third chapter, the results of theoretical 
and  experimental  studies  of  the  influence  of  laser  hardening  parameters  on  the 
microstructure, microhardness, and performance characteristics of the surface layer of the 
investigated steels are presented, and recommendations on rational processing regimes 
are formulated. In the fourth chapter,  issues of occupational health and safety when 
working with laser units are considered.
Зміст
Вступ.................................................................................................................................8
Розділ 1 Теоретичні основи та методи підвищення конструкційної міцності деталей 
машин............................................................................................................................. 11
1.1 Досліджувані матеріали. Вимоги до властивостей поверхневих шарів........12
1.2. Методи поверхневої обробки............................................................................16
1.3 Лазерне термозміцнення.....................................................................................18
Висновок до розділу 1...................................................................................................28
Розділ 2  Матеріали і методи досліджень. Вибір обладнання і визначення вимог до 
установок для лазерної термообробки........................................................................29
2.1 Матеріали для досліджень..................................................................................30
2.2 Металографічний аналіз.....................................................................................30
2.3 Дюрометричний аналіз....................................................................................... 31
2.4. Вибір типу лазерного випромінювача..............................................................32
2.5 Установка на основі волоконного квазінеперервного ітербієвого лазера YLR- 
150/1500-QCW-AC........................................................................................................ 34
2.6 Аналіз теплових процесів при лазерному впливі.............................................36
Висновок до розділу 2...................................................................................................42
Розділ  3   Дослідження  впливу  лазерної  термообробки  на  мікроструктуру  та 
властивості сталей 95Х18 і 12Х18Н10Т......................................................................44
3.1. Вплив параметрів обробки на структуру і твердість поверхні сталі 95Х18.45
3.2.  Вплив  параметрів  обробки  на  структуру  і  твердість  поверхні  сталі 
12Х18Н10Т.....................................................................................................................59
3.3. Вплив ступеня перекриття лазерних імпульсів на мікротвердість поверхні 
сталі 95Х18.....................................................................................................................65
Висновок до роздлу 3....................................................................................................68
Розділ 4  Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях.................................70
4.1 Безпека лазерів і лазерних установок................................................................71
6
4.2 Джерела небезпечних і шкідливих виробничих факторів при використанні 
лазерів та лазерних установок......................................................................................71
4.3 Механізми дії лазерного випромінювання........................................................77
4.4 Вплив лазерного випромінювання на очі..........................................................84
4.5. Вплив лазерного випромінювання на шкіряний покрив і внутрішні органи
......................................................................................................................................... 88
4.6. Планове технічне обслуговування та перевірки.............................................90
Висновок до розділу 4...............................................................................................92
Загальний висновок...................................................................................................93
 Список використаної літератури.............................................................................95
7
Вступ
Актуальність  роботи.  В  процесі  експлуатації  обладнання  машинобудівних 
підприємств  найбільш  інтенсивним  механічним,  силовим  та  тепловим 
навантаженням піддаються поверхневі шари деталей, зокрема елементів пар тертя. 
Недостатній  опір  поверхні  зношуванню,  корозії  та  втомі  є  однією з  основних 
причин  виходу  з  ладу  деталей  і  вузлів  машин,  що  призводить  до  значних 
матеріальних втрат, простоїв обладнання та зниження надійності технічних систем. 
Тому підвищення зносостійкості  та довговічності  поверхневих шарів деталей є 
актуальним науково-технічним завданням сучасного машинобудування.
Для роботи в умовах агресивних середовищ, підвищених температур і змінних 
навантажень  все  ширше  застосовують  корозійностійкі  сталі  типу  95Х18  та 
12Х18Н10Т. Такі матеріали поєднують задовільні механічні властивості з високою 
корозійною  стійкістю,  однак  у  ряді  випадків  їх  природна  зносостійкість  є 
недостатньою,  що потребує застосування спеціальних технологій  поверхневого 
зміцнення. Одним із найбільш ефективних напрямів підвищення експлуатаційних 
властивостей  корозійностійких  сталей  є  локальна  модифікація  структури 
поверхневого шару.
Серед  сучасних  методів  поверхневого  зміцнення  важливе  місце  посідає 
лазерна  термообробка,  яка  належить  до  висококонцентрованих  енергетичних 
технологій. Висока концентрація та щільність енергії лазерного випромінювання 
дозволяють здійснювати інтенсивний локальний нагрів поверхні за надкороткий 
час з наступним самогартуванням за рахунок теплоємності основного металу. Це 
дає  можливість  отримувати  загартований  шар  з  підвищеною  твердістю  і 
зносостійкістю при мінімальних змінах геометричних розмірів деталі та незначних 
деформаціях. Додатковими перевагами лазерного зміцнення є можливість точного 
регулювання технологічних параметрів  у  широкому діапазоні,  обробка виробів 
складної форми, високий ступінь автоматизації та екологічна чистота процесу.
Разом  з  тим  ефективність  лазерного  зміцнення  істотно  залежить  від 
правильного  вибору  режимів  обробки,  які  визначають  характер  структурних 
8
перетворень  у  поверхневому  шарі,  глибину  загартованої  зони,  рівень 
мікротвердості та комплекс експлуатаційних властивостей. Для корозійностійких 
сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т ці закономірності вивчені недостатньо, що ускладнює 
впровадження  раціональних  технологічних  режимів  лазерного  зміцнення  в 
промислових  умовах.  Отже,  оптимізація  технології  лазерної  термообробки 
елементів  пар  тертя  з  указаних  сталей  є  актуальним  науково-прикладним 
завданням.
Об’єкт  дослідження  –  процес  лазерного  зміцнення  елементів  пар  тертя  з 
корозійностійких сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т.
Предмет  дослідження  –  закономірності  впливу  технологічних  параметрів 
лазерної  термообробки  (потужності  випромінювання,  швидкості  переміщення 
променя, діаметра плями, кількості проходів тощо) на структуру, мікротвердість і 
експлуатаційні властивості поверхневого шару сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т.
Мета роботи – підвищення зносостійкості елементів пар тертя зі сталей 95Х18 
та 12Х18Н10Т шляхом оптимізації технології їх лазерного зміцнення.
Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно розв’язати такі завдання:
1. Проаналізувати  теоретичні  основи  підвищення  конструкційної  міцності 
деталей  машин  і  сучасні  методи  поверхневого  зміцнення,  зокрема 
технологію лазерної термообробки корозійностійких сталей.
2. Обґрунтувати  вибір  корозійностійких  сталей  95Х18  та  12Х18Н10Т  як 
матеріалів  елементів  пар тертя  та  проаналізувати їх  фізико-механічні  й 
експлуатаційні властивості.
3. Обґрунтувати вибір обладнання та розробити раціональні режими лазерної 
термообробки зазначених сталей (потужність випромінювання, швидкість 
сканування, діаметр плями, кількість проходів тощо).
4. Виконати  металографічні  та  мікротвердометричні  дослідження  зон 
лазерного зміцнення сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т і встановити зв’язок між 
режимами обробки, структурою та мікротвердістю поверхневого шару.
9
5. Встановити вплив основних параметрів лазерної обробки на експлуатаційні 
характеристики поверхневого шару елементів пар тертя (зносостійкість, 
опір втомі тощо).
6. Розробити  практичні  рекомендації  щодо  оптимальних  технологічних 
режимів  лазерного  зміцнення  елементів  пар  тертя  зі  сталей  95Х18  та 
12Х18Н10Т.
7. Оцінити умови праці та розробити заходи з охорони праці і безпеки при 
виконанні робіт з лазерними установками.
10
Розділ 1
Теоретичні основи та методи підвищення 
конструкційної міцності деталей машин
1.1 Досліджувані матеріали. Вимоги до властивостей поверхневих шарів
Вирішення питань підвищення надійності, економічності та ресурсу деталей і 
вузлів  машин  вимагає  застосування  матеріалів,  здатних  працювати  в  різних 
агресивних  середовищах,  в  умовах  перепаду  температур  і  тисків,  підвищених 
вібрацій, при змінних контактних, ударних, статичних навантаженнях і т.д. Багато в 
чому властивості деталей визначаються станом поверхневого шару матеріалу, з 
якого виготовлена деталь. Міцність є основним критерієм працездатності деталей 
машин. Вихід з ладу деталі може статися або внаслідок виникнення неприпустимо 
великих залишкових деформацій, або внаслідок її руйнування.
Існують два основних види виходу деталей з ладу:
- об’ємне руйнування деталі (поломка);
- поверхневе (контактне) руйнування деталі.
Процеси об’ємного руйнування протікають в результаті накопичення в об’ємі 
матеріалу дефектів його структури, що призводять до макроскопічного руйнування 
деталі.  Процеси  поверхневого  руйнування  характеризуються  накопиченням 
великої кількості осередків мікроскопічних руйнувань [10].
Поверхневий шар деталі - це шар, у якого структура, фазовий і хімічний склад 
відрізняються від основного матеріалу, з якого зроблена деталь.
У поверхневому шарі можна виділити наступні основні зони (рисунок 1.1):
1. зона адсорбованх з навколишнього середовища молекул і атомів органічних і 
неорганічних речовин. Товщина шару 1 ± 0,001 мкм;
2. зона  продуктів  хімічної  взаємодії  металу  з  навколишнім  середовищем 
(зазвичай оксидів). Товщина шару 10 ± 1 мкм;
3. гранична зона товщиною кілька міжатомних відстаней, що має іншу, ніж в 
об’ємі, кристалічну і електронну структуру;
4. зона з зміненими параметрами в порівнянні з основним металом;
5. зона  зі  структурою,  фазовим  і  хімічним  складом,  який  виникає  при 
виготовленні деталі і змінюється в процесі експлуатації.
12
Рисунок 1.1 - Схема поверхневого шару деталі
Товщина і стан зазначених шарів поверхневого шару можуть змінюватися в 
залежності від складу матеріалу, методу обробки, умов експлуатації. Оцінка цього 
стану  здійснюється  методами  хімічного,  фізичного  і  механічного  аналізу. 
Різноманіття параметрів стану поверхневого шару і методів їх оцінки не дозволяє 
виділити єдиний параметр, що визначає якість поверхневого шару [11].
Однією з основних характеристик, які суттєво впливають на експлуатаційні 
властивості деталей, є шорсткість робочих поверхонь. Вплив стану поверхні на 
опір  втоми  оцінюється  коефіцієнтами  концентрації  напружень,  пов’язаними  з 
геометричними  параметрами  мікронерівностей  [12].  При  цьому  експлуатаційні 
властивості  деталей  машин  залежать  від  комплексу  характеристик 
мікронерівностей: висоти, радіусів заокруглення впадин і виступів, кута нахилу 
профілю і кроку нерівностей. Слід зазначити, що в загальному випадку підвищення 
шорсткості поверхні призводить до зниження опору зношування і втомної міцності 
деталей [13].
У зоні контакту поверхонь, що труться виникає цілий комплекс контактних 
процесів. Ці процеси досить складні і різноманітні. У контактній зоні з’являється 
цілий ряд поверхневих явищ, таких, як адсорбція, адгезія, корозія, диспергування, 
зміцнення і знеміцнення поверхневих шарів, дифузія, ерозія, окислення та ін. Весь 
цей комплекс контактних процесів визначає характер протікання деформування і 
руйнування матеріалу, вібрації, виділення і поширення теплоти і структурно-фазові 
перетворення в поверхневих шарах. Такі явища, як хімічні реакції, адгезія і дифузія, 
викликають  зміни  вихідного  хімічного  складу  і  механічних  властивостей 
поверхонь контакту і впливають на інтенсивність зношування, а також на якість і 
13
надійність деталей [14]. Відомо, що поверхневий шар металу має високу хімічну 
активність,  в  умовах  експлуатації,  особливо  для  деталей,  що  працюють  в 
агресивних  середовищах,  він  адсорбує  атоми  елементів  навколишнього 
середовища,  покриваючись  плівкою  різних  з’єднань.  В  результаті  дифузійних 
процесів  у  поверхневому  шарі  можуть  виникати  хімічні  сполуки  основного 
матеріалу  з  проникаючими  ззовні  речовинами  [15].  Таким  чином,  основні 
характеристики  поверхневого  шару  роблять  значний  вплив  на  експлуатаційні 
властивості деталей машин.
Відомо, що втрати, пов’язані з виходом з ладу машин та іншого обладнання 
через знос, величезні [16]. Також очевидно, що використання дефіцитних, дорогих 
і складнолегованих конструкційних матеріалів в усьому об’ємі виробу економічно 
недоцільно. Тому перед дослідниками постійно ставиться завдання поліпшення 
експлуатаційних  властивостей  деталей  без  зміни  використовуваного  матеріалу. 
Особливо  це  стосується  сталей,  широко  використовуваних  в  серійному 
виробництві вузлів і деталей машин - підшипники, вали, засувки для ємностей і т.п. 
Широко досліджуваними сталями були і залишаються корозійностійкі сталі.
Корозійностійкими  сталями  є  велика  група  хромистих,  хромонікелевих  і 
хромомарганцевих сталей з вмістом хрому понад 12% [17]. Найбільш економічно 
леговані і широко застосовуються в різних галузях техніки як корозійностійкого 
матеріалу хромисті і хромонікелеві сталі. При введенні в сталь від 12 до 14% хрому 
її  електрохімічний  потенціал  стає  позитивним,  і  вона  набуває  стійкість  проти 
корозії в атмосферних умови в слабких розчинах кислот, солей і ін. Агресивних 
середовищах [17]. Найбільшу корозійну стійкість ці сталі мають тоді, коли хром 
знаходиться в твердому розчині або рівномірно розподілений у вигляді дисперсних 
виділень хромистих карбідів без істотного збідніння твердого розчину. Корозійна 
стійкість сталей сильно погіршується, коли концентрація хрому в твердому розчині 
зменшується  [17].  Корозійностійкі  хромисті  сталі  представлені  марками 
ледебуритного класу (95Х18), а корозійностійкі хромонікелеві сталі представлені 
маркою аустенітного класу (12Х18Н10Т).
14
Сталь 95Х18  відноситься до корозійностійких сталей ледебуритного класу 
після  відпалу  і  ледебуритного  класу  в  загартованому  стані.  Для  забезпечення 
стійкості проти корозії необхідно, щоб в мартенситі містилося 11-12% хрому. Інша 
частка хрому зв’язана в карбіди [18].
Призначення: ножі, кільця, кульки і ролики підшипників високої твердості для 
нафтового обладнання, втулки осі, стрижні та інші деталі, до яких пред’являються 
вимоги високої міцності і зносостійкості, що працюють при температурі до 500 °С 
або піддаються дії  помірних агресивних середовищ (морський і  річковий води, 
лужних  розчинів,  азотної  і  оцтової  кислоти  та  ін.)  [19].  По  відношенню  до 
зварювання  сталь  є  важкозварювальною.  Схильність  до  відпускної  крихкості 
низька, проявляється тільки при температурах відпуску 450-600 °С [20].
Температура початку деформації 1180 °С, кінця - 850 °С. Стандартна термічна 
обробка після гарячої деформації - відпал з перекристалізацією. Твердість після 
відпалу 212-217 НВ. Для виключення тріщин нагрів під загартування складається з 
двох стадій: підігріву до 800-850 °С, і безпосереднього нагрівання під загартування 
до 1050-1060 °С, наступною витримкою 6 хв для деталей товщиною до 3 мм, 7-10 хв 
для деталей 6  8  мм.  Режим охолодження передбачає повітря або масло.  Після 
відпуску при температурі 140-150 °С і витримці 2-3 години твердість повинна бути 
не  нижче  56  HRC.  Після  гарту,  кількість  залишкового  аустеніту  в  стані  може 
досягати  34%.  Обробка  холодом  (-70  °С,  1  година)  призводить  до  зниження 
залишкового аустеніту до 9%. Ударна в’язкість після гарту, обробки холодом і 
низького відпуску - менше 1,0 Дж/см2 [18]. Твердість після гарту з 1050 °С, обробки 
холодом і низького відпуску при температурах 100, 150 і 200 градусів має значення 
відповідно 60-61, 59-61, 57-59 од. HRC [18] [21].
Іноземні аналоги: CШA (AISI) 440B, 440C, 440FS, A756; Німеччина (DIN, 
WNr) 1.4125, X102CrMo17, X105CrMo17; Японія (JIS) SUS440C; Франція (AFNOR) 
X105CrMo17, Z100CD17; Євросоюз (EN) X102CrMo17 [23]
Сталь  12Х18Н10Т відноситься до  аустенітного  класу  корозійностійких 
сталей. Сталь даної марки знаходить широке застосування в самих різних областях. 
Сталь  12Х18Н10Т застосовують  при  виробництві  теплообмінного,  ємнісного  й 
15
іншого устаткування. З неї виготовляють конструкції, що працюють в агресивних 
середовищах (азотною кислотою та іншими окислювачами), деталі, що працюють 
під  тиском при температурі  від  -196 до + 600 ºС,  а  при наявності  агресивних 
середовищ до +350 ºС [18] [19].
Оптимальною стандартної термічною обробкою для цих сталей є гарт з 1050ºС 
- 1080 ºС в воді, після гарту механічні властивості характеризуються максимальною 
в’язкістю і пластичністю, не високою міцністю і твердістю.
Основними  легуючими  елементами  12Х18Н10Т  є  Cr-Ni.  Однофазні  сталі 
мають стійку структуру однорідного аустеніту з незначним вмістом карбідів Ti (для 
попередження  міжкристалітної  корозії.  Така  структура  виходить  після  гарту  з 
температур 1050 ºС-1080 ºС) [21].
Дана сталь добре витримує вплив корозії при температурі до 900 ºС. Сталь 
12Х18Н10Т добре піддається гарячій обробці. Однак при деформації литого металу 
можливі прояви різних дефектів. Сталь 12Х18Н10Т добре зварюється як ручним, 
так і автоматичним зварюванням [21-22].
Іноземні аналоги: (США) 321, 321H, Німеччина (DIN,WNr) X10CrNiTi18-10, 
Японія (JIS) SUS321, Франція (AFNOR) Z10CNT18-10, Китай (GB) 0Cr18Ni10Ti, 
Австрія (ONORM) X6CrNiTi18-10S, Євросоюз (EN) X6CrNiTi18-10KT [23]
1.2. Методи поверхневої обробки
Проблема  підвищення  поверхневої  міцності  деталей  і  вузлів  механізмів 
продовжує привертати увагу сучасних дослідників, особливо в зв’язку з розвитком 
і вдосконаленням різних методів зміцнення, метою яких є формування поверхневих 
шарів  з  заданими властивостями.  Перш за  все,  це  відноситься  до  деталей,  що 
працюють в умовах тертя і зносу.
Для  отримання  необхідних  властивостей  матеріалу  в  різних  галузях 
промисловості використовують як традиційні методи поверхневої обробки (хіміко-
термічна  обробка,  гарт  струмами  високої  частоти,  поверхневе  пластичне 
деформування),  так  і  методи,  в  основі  яких  лежить  вплив  на  поверхню 
16
концентрованих потоків енергії (лазерне випромінювання, електронно-променевий 
вплив)  [11].  Узагальнена  класифікація  методів  зміцнення  металевих  матеріалів 
наведена в Таблиці 1.1 [24].
Таблиця 1.1 - Узагальнена класифікація методів зміцнення металевих матеріалів
Клас зміцнюючої 
Методи Технологічні процеси
обробки
Зміцнення Загартування (звичайне, ізотермічне, з 
зміною Термічна обробка самовітпуском, ступінчасте і ін.) Відпуск 
структури всього (високий, середній, низький)
об'єму вироби Кріогенна Загартування з обробкою холодом
Азотування, цементація, нітроцементація, 
Зміцнення Дифузійне насичення 
силіціювання, сульфідування, борування, 
зміною хімічного неметалла
нітрооксидування, і ін.
складу 
Дифузійна металізація Хромування, титанування, нікелювання і ін.
поверхневого 
шару металу Дифузійне насичення Карбохромування, хромоазотування, 
комплексом елементів хромотитанування, борохромування, і ін.
Термічна обробка Загартування струмами високої частоти, лазерне 
Зміцнення поверхні загартовування, плазмове загартовування
зміною Механічна обробка Накатка, розкочування, дробоструменева обробка, 
структури пластичною чеканка, вібраційна обробка, обробка вибухом, 
поверхневого деформацією термомеханічна обробка та ін.
шару Термомеханічна поєднання методів пластичного деформування і 
обробка термічної обробки
Газополум'яна наплавка, електродугове 
Наплавлення 
Зміцнення наплавлення, плазмова наплавка, наплавка 
легованим металом
нанесенням лазерним променем, наплавка пучком іонів
покриттів на Газотермічне напилення, плазмове напилення 
поверхні Напилення порошкових матеріалів, детонаційне напилення, 
електродугове напилення, лазерне напилення і ін.
Оксидирование,  фосфатирование, никелирование, 
Хімічне осадження осаждение из газовой фазы, нанесение смазочного 
материала
Хромування, нікелювання, борування, цинкування, 
Електрохімічне 
міднення, залізнення, осадження електролітичних 
осадження
сплавів на основі заліза, хрому та ін.
Електроіскрове  легування,  електроакустичне 
Електрофізичні методи нанесення покриттів, лазерне легування, легування 
пучком іонів і ін.
Термічне  випаровування  тугоплавких  сполук, 
Осадження твердих 
катодно-іонне  бомбардування,  електронно-
покриттів з парової 
променеве  випаровування,  електрохімічне 
фази
випаровування
Зміцнення 
зміною 
енергетичного Електромагнітна обробка, обробка в імпульсному 
Обробка в магнітному
запасу магнітному полі
поверхневого 
шару
17
1.3 Лазерне термозміцнення
Технологічна  і  економічна  складова  завдання  сучасної  промисловості  - 
підвищення твердості і зносостійкості поверхні деталей накладають певні вимоги 
до  методів  її  рішення.  Застосування  в  промисловості  і  численні  публікації  в 
літературі  [26-31]  свідчать  про  високий  інтерес  підприємств  і  дослідників  до 
сучасного і, по-своєму, унікальному методу обробки деталей з метою збільшення 
міцності поверхні - методом лазерної термічної обробки. Лазерне термозміцнення 
забезпечує відсутність деформації деталей і здійснюється при малому часу впливу 
[32].  Тепловий  вплив  при  лазерному  термозміцнення  регулюється  в  широких 
межах за рахунок зміни параметрів лазерного випромінювання і режимів обробки. 
Поверхневий характер лазерного гарту на відміну від загартування з об’ємним 
нагріванням призводить до формування на поверхні сталевих виробів стискаючих 
залишкових напружень, які знижують чутливість до концентраторів на поверхні. 
Саме можливість експлуатації виробів без наступного відпуску, в порівнянні зі 
звичайним загартуванням, є одним з основних переваг лазерного гарту [25].
Лазерна  термообробка  матеріалів  заснована  на  можливості  лазерного 
випромінювання створювати на малій ділянці поверхні високі щільності теплового 
потоку, необхідні для інтенсивного нагріву або розплавлення практично будь-якого 
матеріалу. Процес лазерного термозміцнення відбувається за рахунок фазових і 
структурних  змін  сплаву  в  тонкому  поверхневому  шарі  (0,1-1  мм).  Важливо 
відзначити,  що  при  лазерному  термозміцнення  поверхонь  не  існує  проблеми 
адгезії, яка характерна для методів напилення і гальванічних покриттів. Лазерне 
термозміцнення  пов’язано  з  загартуванням  сталі,  а  також  з  додатковим 
подрібненням зерен [33] і підвищенням концентрації вуглецю в зоні термічного 
впливу [34]. Численні дослідження показали, що твердість загартованої зони після 
лазерної  термообробки  часто  значно  перевершує  величину  твердості  після 
зміцнення  традиційними  методами.  Так,  в  роботі  [35]  авторами  наводяться 
результати  досліджень,  в  яких  вдалося  збільшити  мікротвердість  поверхні 
18
маловуглецевої сталі за допомогою лазерного гарту до 12-15 ГПа, в той час як 
традиційні методи зміцнення забезпечили мікротвердість поверхні лише в 3 ГПа.
При  лазерному  термозміцненні  зазвичай  використовується  двох-  і 
трьохстадійні  термічні  цикли.  Порівняльний аналіз  цих циклів за результатами 
проведення поверхневого гарту інструментальних сталей Р18 і ШХ15 показаний в 
роботі  [36].  Відзначено,  що  двохстадійний  термічний  цикл  реалізується  при 
загартуванню лазерами як імпульсної, так і безперервної дії. В імпульсному впливі 
час нагрівання визначається тривалістю лазерного імпульсу τ0, при безперервному - 
часом проходження лазерного променя над заданою точкою поверхні d/v, де d - 
діаметр  променя,  v  -  швидкість  його  руху.  Час  охолодження  визначається 
швидкістю відводу тепла вглиб матеріалу деталі. Трьохстадійний термічний цикл 
реалізується за допомогою лазерів безперервного або імпульсно-періодичної дії. 
При обробці безперервним лазером скануючий промінь поступально рухається над 
оброблюваною поверхнею. За час лазерного впливу температура зростає, протягом 
"темного проміжку" - падає, так що в цілому температура коливається біля деякого 
середнього значення Т, яке більше температури аустенізації ТА. Трьохстадійний 
термічний цикл, що має стадію витримки при Т> ТА, перспективний для технології 
зміцнення  тому  в  ньому  відбувається  більш  повне  фазове  і  структурне 
перетворення і збільшення глибини загартованого шару [37]. У низьколегованих 
сталях  (з  вмістом  вуглецю  до  0,5%)  термічний  цикл,  створюваний 
розфокусованним лазерним променем круглої форми, на оптимальних режимах 
забезпечує  умови  загартування  без  утворення  дефектів  у  вигляді  тріщин.  У 
високолегованих сталях складного складу з великим вмістом вуглецю тривалість 
лазерного  нагріву  явно  недостатня  для  завершення  фазових  перетворень,  які 
визначаються часом дифузійних процесів. Лазерна термообробка високолегованих 
сталей  в  деяких  випадках  призводить  до  утворення  гартівних  структур 
низьковуглецевого мартенситу або до появи поряд з мартенситом великої частки 
аустенітної  фази.  А такий склад,  як  відомо,  не  забезпечує необхідні  механічні 
властивості і зносостійкість поверхонь тертя [37].
19
В роботі  [37]  автори  розробили пристрій  і  випробували спосіб  впливу  на 
поверхню  матеріалу  лазерним  випромінюванням  з  регульованою  щільністю 
потужності.  Даний спосіб дозволив отримати багатостадійні термічні цикли: а) 
швидке нагрівання до максимальної температури Тмах; витримка; охолодження; б) 
швидке  нагрівання  до  ТПЛ =  500  600  °С;  охолодження до  300-400  °С;  швидке 
нагрівання до Тмах (вище початку фазових перетворень або плавлення); витримка; 
охолодження; в) швидке нагрівання до температури плавлення покриття; витримка; 
охолодження до температур 150-200 °С,  нагрівання до температур 500-600 °С; 
охолодження; г) швидке нагрівання до температур 500-600 °С; охолодження до 
300-400 °С;  швидке нагрівання до температури плавлення покриття;  витримка; 
охолодження  до  температур  150-200  °С;  нагрів  до  температур  500-600  °С; 
охолодження. При варіанті (а) було сформована лазерна пляма з формою, близькою 
до прямокутної.  Її  розміри  залежать  від  потужності  випромінювання,  діаметра 
лазерного променя на поверхні деталі, швидкості обробки. При такому формуванні 
плями з’являється можливість вирівнювати щільність потужності і регулювати час 
впливу по ширині зміцнюючих зони [37].
Таким чином, для кожної марки сталі є свій найбільш сприятливий з точки 
зору  отримання  певних  заданих  властивостей  термічний  цикл,  а  варіативність 
режимів лазерної обробки дозволяє підібрати найбільш оптимальні характеристики 
процесу.
Глибина  зміцненого  шару  є  однією  з  основних  характеристик  лазерної 
термообробки.  Математичне  моделювання  та  обчислення  товщини  зміцненого 
шару в даний час проводиться по ізотермі гарту [38] [39]. Головним недоліком 
даного методу є відсутність розгляду кінетики процесу, яка залежить від матеріалу 
і  швидкостей  зміни  температури.  Для  узгодження  експериментальних  даних  з 
теоретичними  даними  вводиться  поняття  зсуву  початку  і  кінця  фазових 
перетворень.  У роботах [40]  [41]  відзначається,  що чим вище швидкість зміни 
температури, тим більший цей зсув в бік високих температур. У дослідженні [41] 
було проведено аналіз експериментальних залежностей глибини зміцненого шару 
від  щільності  енергії  лазерного  випромінювання  для  декількох  типів  сталей. 
20
Зіставляючи  результати  експерименту  і  теоретичні  дані  для  різних  режимів 
обробки, автори отримали формулу для оцінки глибини зміцненого шару:
(1.1)
(1.2)
де  a- коефіцієнт  температуропровідності,  теплопровідності,  R-  коефіцієнт 
відображення, Т - температура гарту
В  роботі  [42]  наводяться  результати  дослідження  можливості  збільшення 
глибини  зміцненого  шару.  Авторами  встановлено,  що  при  лазерній  обробці 
глибина зміцненого шару істотно залежить від  вихідної  структури зразка.  Так, 
зміцнений шар найбільшої глибини отриманий в зразках сталі ШХ15 з вихідною 
структурою троостит, а найменший - при початковій випаленій структурі. Автори 
пояснюють отримані результати тим, що вихідні структури мають істотно різну 
теплопровідність.  Теплопровідність  шару  з  дрібнозернистої  трооститною 
структурою,  де  величина  внутрішньої  міжфазної  поверхні  велика,  буде 
найменшою. Відпалений шар, що складає суміш фериту і великих карбідів, має 
найбільшу теплопровідність. Таким чином, для зразка з трооститною структурою 
енергія  лазерного  випромінювання  прогріває  до  гартівних  температур  більш 
товстий  шар  матеріалу  (через  те,  що  мала  теплопровідність  структури  не  дає 
охолонути до більш низьких температур за час опромінення), а при опроміненні 
зразка  з  відпаленою структурою енергія  випромінювання розсіюється  вглиб за 
рахунок  збільшеної  теплопровідності,  і  до  гартівних  температур  нагрівається 
тільки тонкий поверхневий шар [42]. В роботі [43] авторами досліджується ступінь 
зміцнення  евтектоїдних  і  доевтектоїдних  сталей.  Відзначається,  що  найбільшу 
товщину  і  твердість  мають  зміцнені  зони  евтектоїдних  сталей,  а  найменшу 
доевтектоїдних.  Це  пояснюється  відмінністю  температур  гарту  сталей,  які 
найбільш  високі  у  доевтектоїдних  і  ледебуритних  сталей.  В  процесі  лазерної 
обробки  таких  сталей  до  гартівних  температур  нагрівається  тільки  тонкий 
21
поверхневий  шар,  внаслідок  чого  мартенситні  перетворення  відбуваються  в 
обмеженому об’ємі. У евтектоїдних сталей температури гарту нижче.
Для  оцінки  теплових  процесів  при  лазерній  обробці  використовують 
теплофізичні моделі,  засновані на диференціальних рівняннях теплопровідності 
[31] [60]. Процес поширення теплоти від миттєвого зосередженого джерела Q в 
початковий момент часу t = 0 описується рівнянням [32]:
(1.3)
де  Т  -  температура  в  даній  точці  з  координатами  х,  у,  z;  t-час,  що 
відраховується з моменту введення теплоти; R = х2 + у2 + z2 - квадрат відстані від 
джерела теплоти Q До даної точки тіла;
   коефіцієнт температуропровідносі; Т0 - початкова температура 
перед лазерною обробкою.
З (1.3) випливає, що температура поверхні в зоні лазерного впливу в будь-який 
момент часу t прямо пропорційна кількості введеної теплоти.
Рівняння  квазістаціонарного  стану  процесу  поширення  теплоти  точкового 
джерела  постійної  інтенсивності  q,  що  рухається  з  постійною  швидкістю  V 
(Рисунок 1.1) по поверхні, має вигляд [32]:
(1.4)
где R -  расстояние рассматриваемой точки от начала О подвижной системы 
координат, связанной с движущимся источником нагрева; Х- абсцисса точки А в 
подвижной системе координат.
22
Рисунок 1.2 - Схема розташування координатних осей для точки А в процесі 
лазерної обробки..
Рівняння (1.3) і (1.4) дозволяють досить точно розрахувати температурні поля 
на  поверхні  металу,  що  формуються  тепловим  потоком  від  лазерного 
випромінювання. При цьому можуть бути знайдені максимальні температури в зоні 
обробки і температури структурних перетворень, а також визначені геометричні 
характеристики  зон  термічного  впливу,  розташованих  в  поверхневому  шарі 
обробленої сталі. Оскільки промінь є всього лише джерелом тепла, то ефект при 
лазерній обробці досягається в результаті поглинання лазерного випромінювання 
поверхнею металу.
Експериментальні дані [32] свідчать про те, що поглинання відбувається в 
шарі товщиною (5-50)·10-3 мкм, а подальше поширення тепла в глиб матеріалу 
здійснюється  за  рахунок  теплопровідності.  На  поглинальну  здатність  металу 
впливають характер розподілу щільності потужності в фокальній плямі і кутова 
розбіжність лазерного променя, яка може бути знайдена за формулою [32]:
(1.5)
де d- діаметр променя; X – довжина хвилі аипромінювання
Мінімальний  діаметр  сфокусованого  випромінювання  визначається 
залежністю [31]:
(1.6)
де f- фокусна відстань оптичної системи
Щільність потужності в будь-якому перетині визначається за формулою [31]:
23
(1.7)
де  qmax = АефЕm - максимальна щільність потоку на осі випромінювання; k - 
коефіцієнт, що характеризує форму кривої нормального розподілу; r - радіальна 
відстань  даної  точки  від  центру;  Аеф -ефективний  коефіцієнт  поверхневого 
поглинання випромінювання
Іншим важливим геометричним параметром при лазерній обробці є ширина 
зони  протікання  структурних  та  фазових  перетворень.  Для  визначення  цієї 
величини  використовується  номограма,  отримана  в  роботі  із  теплових  полів 
(Рисунок 1.3) [43]:
Рисунок 1.3 - Номограма для  ширини зони нагріву при рухомому по 
поверхні джерелі теплоти
Використовуючи  значення  параметрів  обробки  q,  V,  а  також  властивості 
конструкційної сталі  Аm і  а,  обчислюється значення  Ti4πλТα/qV.  Після цього по 
номограмі знаходиться значення Vi/2α, і таким чином встановлюється ширина зони 
нагріву 2l (рисунок 1.4) до заданої температури Ti.
При розгляді теплових процесів необхідно враховувати також той факт, що 
частина енергії, що падає на поверхню, відбивається. Експериментальна залежність 
питомої відбивної здатності R для сталей від щільності енергії W представлена на 
рисунку 1.4 [32].
24
Рисунок 1.4 - Залежність питомої відбивної здатності від щільності енергії: 1 
область термообробки
При  лазерному  термозміцненню  необхідно  забезпечити  умови,  при  яких 
максимальна  температура  оброблюваної  ділянки  поверхні  повинна  бути  вище 
точки  структурних  перетворень  АС3 і  в  той  же  час  бути  нижче  температури 
плавлення. Таким чином, швидкість охолодження під час лазерного гарту суттєво 
перевищує  критичну  і  тому  в  загартованому  шарі  утвориться  однорідна 
мартенситна структура. Крім того, зона термічного впливу має шарувату будову, 
відповідно розподілу теплових полів в зоні обробки.
Таким  чином,  основна  перевага  лазерного  зміцнення  -  збереження 
пластичності  матриці,  з  можливістю широкого  варіювання  режимів  обробки  з 
метою отримання зміцнених зон різної ширини і глибини, на певній відстані один 
від  одного  і  можливість  отримання  поверхні  з  заданими  унікальними 
властивостями.  Механічні  характеристики  сплавів  після  лазерного  гарту 
знаходяться у великій залежності від режимів обробки. Крім того, на механічні 
характеристики великий вплив робить цілий ряд інших факторів: хімічний склад 
сплаву,  величина  і  знак  залишкових  напружень,  геометрія  поверхні,  наявність 
дефектів в поверхневому шарі, особливості мікроструктури [32].
Найбільш важливим показником процесу  термозміцнення  є  зносостійкість 
поверхні. Процес зношування залежить як від фізико-механічних властивостей, що 
труться,  так і  від  температури експлуатації,  швидкості,  характеру тертя і  т.  Д. 
Вивченню впливу лазерного термозміцнення на зносостійкість присвячено досить 
багато робіт [44-48], які можна умовно розділити на дві групи . До першої групи 
25
належать  роботи,  в  яких  розглядається  вплив  різних  режимів  лазерного 
термозміцнення на зносостійкість матеріалів при певному виді зношування. До 
другої групи робіт відносяться дослідження взаємозв’язку структури, отриманої 
лазерною обробкою, і трибологічних характеристик.
Окремо необхідно відзначити можливість лазерної обробки матеріалів з метою 
отримання нано- та мікроструктурованих поверхні. За рахунок розвитку лазерної 
промисловості і появи потужних лазерів, що генерують ультракороткі імпульси 
випромінювання, з’явилася можливість створення в тонкому поверхневому шарі 
матеріалу дрібнодисперсного кристалічної (аморфної) структури. Через надвисокі 
швидкості охолодження (109 К/с і більше) розмір кристаллітів, що утворюються 
при охолодженні може бути порівняний з міжатомною відстанню. Якщо швидкість 
охолодження  перевищує  швидкість  кристалізації,  то  може  бути  утворений 
аморфний шар. Для кожного матеріалу існує критична швидкість охолодження, 
при якій можливе утворення аморфної структури. Для отримання такої аморфної 
поверхні необхідно вибирати режим лазерний обробки, при якому щільність енергії 
імпульсу нижче порога абляції, але вище порога плавлення, що забезпечує процеси 
надшвидкого нагріву, плавлення і рекристалізації поверхні металу. [49]. Процеси 
створення дрібнодисперсної кристалічної або аморфної поверхневої структури під 
впливом лазерних імпульсів, тривалістю від наносекунд до мілісекунд отримали в 
літературі назву «лазерне склування», або «лазерна аморфізація» [50]. Розробка 
подібної  технології  в  світі  почалася більше 30 років тому. Численні публікації 
свідчать про високий інтерес вчених до даної області. Так, в роботі [51] показано 
отримання на поверхні титанового сплаву при використанні Ti-сапфірового лазера 
(тривалість  імпульсу 65 фс,  довжина хвилі  випромінювання 800 нм,  щільність 
потужності 1.0 мДж) різних структур (зерен, пор) розміром близько 20-100 нм. 
Причому  морфологія  одержуваних  на  поверхні  металу  при  впливі  лазерного 
імпульсу наноструктур залежить не тільки від величини лазерної інтенсивності, але 
і  від  числа  імпульсів  опромінення.  Багаторазове  опромінення  призводить  до 
можливості отримання наноструктур від 20 до 500 нм. В роботі [52] досліджується 
механізм  отримання  тонкого  аморфного  шару  на  поверхні  чистого  Al. 
26
Експерименти проводилися при опроміненні поверхні матеріалу випромінюванням 
рубінового  лазера  з  інтенсивністю  108  Вт/см2 і  тривалості  імпульсу  15  нс. 
Зазначалося,  що тому швидкість охолодження вийшла вище розрахункової  для 
утворення аморфного шару (~ 1010 К/с),  то  товщина такого шару визначається 
швидкістю просування фронту розплаву (~ 10 м с). Аналогічний режим обробки 
описується в роботі [53], за допомогою імпульсного CO2 лазера c інтенсивністю 
випромінювання 5·108 Вт/см2 і тривалістю імпульсу 120 нс вели обробку 11 сплавів 
заліза з  добавками B, Si,  P і  C з метою отримання аморфного стану поверхні. 
Зазначалося, що при режимі коли фактична швидкість охолодження (~ 109 К/с) 
перевищує критичну величину швидкості аморфізації (для заліза ~ 5·106 К/с) в 
поверхневому шарі матеріалу утворювалася аморфна структура товщиною 5-10 
мкм в залежності від легуючого елемента. У разі, коли швидкості охолодження 
були  нижче  критичної  утворення  аморфних  шарів  не  спостерігалося.  В  [54] 
описувався  процес  формування  змішаної  надмілкокристалічної  структури  в  Ni 
сплаві (аморфні і кристалічні ділянки спостерігалися одночасно) при здійсненні 
режиму охолодження, близького до критичного (105 К/с). Був реалізований режим 
так званої лазерної аморфізації. У всіх експериментах зазначалося, що критичні 
швидкості охолодження для отримання аморфної фази залежать від складу сплаву і 
чистоти металу. Фундаментальні процеси кристалізації металу з розплаву в умовах 
надвисоких швидкостей охолодження в даний час розглянуті не в достатній мірі. 
Для  оптимізації  режимів  лазерної  аморфізації  поверхні  необхідно  знати  час  і 
швидкість нагріву і охолодження, об’єм рідкої і кристалічної фаз, термодинамічні 
характеристики матеріалу [49].
Лазерна  термічна  обробка  є  ефективним методом поверхневого  зміцнення 
широкого  класу  сталей.  Для  забезпечення  необхідних  сучасній  промисловості 
високих  триботехнічних  властивостей,  лазерна  технологія,  з  її  можливістю 
локального впливу і впливу по певній траєкторії, виглядає найбільш сучасною та 
перспективною  технологією  підвищення  міцності  поверхонь  деталей  різних 
механізмів.
27
Висновок до розділу 1
1. У  першому  розділі  розглянуто  теоретичні  основи  підвищення 
конструкційної  міцності  деталей  машин  шляхом  цілеспрямованої 
модифікації поверхневого шару. Показано, що надійність і довговічність 
елементів  пар  тертя  значною  мірою  визначаються  структурою  та 
властивостями  приповерхневої  зони,  яка  зазнає  комплексної  дії 
механічних, теплових та корозійних факторів.
2. Обґрунтовано  вибір  корозійностійких  сталей  95Х18  та  12Х18Н10Т  як 
матеріалів  для  елементів  пар  тертя,  що  працюють  в  агресивних 
середовищах  і  за  змінних  навантажень.  Показано,  що,  незважаючи  на 
високий рівень корозійної стійкості та задовільні механічні властивості, 
природна зносостійкість цих сталей у ряді випадків є недостатньою, що 
потребує застосування методів поверхневого зміцнення.
3. Проаналізовано  основні  групи  методів  поверхневої  обробки  металевих 
матеріалів  і  показано,  що  серед  них  особливе  місце  займає  лазерне 
термозміцнення, яке забезпечує локальну зміну структури поверхневого 
шару  за  рахунок  дії  висококонцентрованого  потоку  енергії.  Розглянуто 
фізичні основи процесу лазерної термообробки, чинники, що визначають 
ширину та глибину зони нагріву, а також принципові вимоги до вибору 
технологічних режимів.
4. Сформульовані  в  розділі  положення  слугують  теоретичною  базою  для 
розроблення та оптимізації технології лазерного зміцнення елементів пар 
тертя  зі  сталей  95Х18  та  12Х18Н10Т,  що  розглядається  у  подальших 
розділах роботи.
28
Розділ 2 
Матеріали і методи досліджень. Вибір 
обладнання і визначення вимог до установок для 
лазерної термообробки
2.1 Матеріали для досліджень
Для дослідження процесів лазерної термообробки були обрані корозійностійка 
хромиста сталь ледебуритного класу - 95X18 і хромонікелева сталь аустенітного 
класу - 12Х18Н10Т.
Хімічний склад зазначених сталей представлений у Таблиці 2.1 [19][21].
Таблиця 2.1 - Хімічний склад зразків досліджуваних сталей [ГОСТ 5632-7]
Вміст елементів, %
Марка 
Ti Ni Mn Si S P
сталі С Сг
Не Не менше
більше 0,02
95X18 0,90-1,00 17,0-19,0 0,2 0,6 0,8 0,8 0,030
5
0,02
12Х18Н10Т до 0,12 17,0-19,0 0,8 10,0 2,0 0,8 0,035
0
Зразки  з  досліджених  сталей  піддавали  попередній  термічній  обробці  по 
режимах, зазначеним в Таблиці 2.2.
Таблиця 2.2 - Традиційна термічна обробка зразків досліджуваних сталей [19]
[21]
Марка 
Режим обробки Твердість
сталі
95Х18 Неповний відпал при 730-790 °С; HB 269
Відпал при 780 °С Гартування з 1050 °С, охолодження в 
12Х18Н10Т HB 175
воді, відпуск при 200 °С
2.2 Металографічний аналіз
Виготовлення  металографічних  мікрошліфів  здійснювали  за  стандартною 
методикою [55]. Різка зразків здійснювалася на відрізному верстати Discotom-60/-
65 компанії Struers з безперервною подачею охолоджувальної рідини (Рисунок 2.1, 
а). Мікрошліф отримували в автоматизованому пресі CitoPress компанії Struers по 
заздалегідь запрограмованим режимам (Рисунок 2.1, б). Шліфування здійснювали 
на обертовому колі шліфувально-полірувального верстата Tegramin-30 компанії 
Struers (Рисунок 2.1, в).
30
а)                        б)                            в)
Рисунок 2.1 - Обладнання для підготовки зразків до металографічного аналізу: 
(а)  -  відрізна  машина  Discotom-60  /  -65,  (б)  -  автоматизований  прес  для 
запресовування зразків в смолу Struers CitoPress, (в) - шліфувально-полірувальний 
верстат Tegramin-30 компании Struers
Після шліфування і полірування зразки піддавалися процедурі травлення для 
виявлення мікроструктури поверхні. Мікроструктура сталі 95Х18 виявлялася за 
допомогою травителя [56]: пікринова кислота - 5 г; вода - 100 мл (для виявлення 
межі зміцненого шару), потім застосовувався травник для виявлення меж зерен): 
HNO3 - 3 мл, HCl- 5 мл, спирт - 100 мл. Травник для виявлення мікроструктури 
12Х18Н10Т [55]: суміш HNO3 і HCl в співвідношенні 1: 3 ( «Царська горілка»). 
Травлені шліфи досліджувалися під мікроскопом для виявлення мікроструктури.
Вивчення мікроструктур зон лазерного зміцнення проводилося за допомогою 
металографічного  мікроскопа  при  збільшенні  до  х500.  Металографічні 
дослідження мікроструктур зон лазерного зміцнення проводилося за допомогою 
металографічного мікроскопа ММР-2Р при збільшенні до х500.
2.3 Дюрометричний аналіз
Розподіл мікротвердості поверхні по глибині зміцненого шару проводили за 
стандартною методикою згідно ГОСТ 9450-76 [57].
Стандарт встановлює метод вимірювання мікротвердості виробів і зразків з 
металів,  сплавів,  мінералів,  скла,  пластику,  напівпровідників,  кераміки,  тонких 
листів, фольги і т.д. вдавленням алмазних наконечників - індентора.
31
При вимірюванні мікротвердості використовувалася алмазна піраміда з кутом 
при вершині 136º (метод Віккерса). Мікротвердість (НУ) при цьому визначається за 
формулою:
(2.1)
де Р - навантаження, Н;
d – діагональ відбитка, мм
Випробування проводили на мікротвердомірі ПМТ-3. Величина навантаження 
становила 50 г і 100 г () на шліфах в напрямку, перпендикулярному поверхні з 
кроком 25 мкм.
Мікротвердість,  визначену  за  Вікерсом,  позначають  НV  із  зазначенням 
навантаження в кГс і тривалістю її застосування.
2.4. Вибір типу лазерного випромінювача
Процес лазерного термозміцнення застосовується для отримання підвищених 
фізико-механічних  властивостей  поверхонь  деталей  за  рахунок  утворення 
дрібнодисперсних  приповерхневих  структур.  Дана  методика  давно  і  успішно 
застосовується  в  багатьох  галузях  промисловості  протягом  багатьох  років. 
Спочатку для даної операції використовувалися потужні СО2-лазери, що володіють 
високою  потужністю  випромінювання,  широким  плямою  нагріву  і  відносною 
доступністю. Однак даний тип лазерів володіє невисоким ККД (близько 10%) і 
довжиною хвилі  випромінювання 10,6  мкм,  що забезпечує  низький коефіцієнт 
поглинання випромінювання металами. У зв’язку з цим для технологічних завдань 
доводилося застосовувати додаткові методи збільшення коефіцієнта поглинання 
(нанесення спеціальних поглинаючих покриттів), що помітно ускладнює процес 
обробки. Окремо необхідно зазначити, що випромінювання даного типу лазера 
неможливо передавати по волокну і для обробки деталей складної форми необхідно 
розробляти  спеціальні  пристосування,  для  деяких  деталей  обробка  таким 
випромінюванням  стає  практично  неможливою.  Інший  поширений  тип 
випромінювача - твердотільний лазер Nd: YAG, що володіє довжиною хвилі 1,06 
32
мкм  і  можливістю  передачі  випромінювання  по  волокну  і  використання 
роботизованих пристроїв для обробки деталей складної форми. Однак повний ККД 
такого лазера зазвичай становить 2-5%, але, незважаючи на це такі лазери досі 
актуальні завдяки відносній доступності, поширеності та простоти експлуатації. 
Новий  тип  лазерного  випромінювача  -  волоконний  лазер  приходить  на  зміну 
твердотілим лазерам, особливо в останні роки, завдяки ефективній довжині хвилі 
1,07 мкм, можливості передачі випромінювання по волокну і ККД близько 25%, 
загальна енергетична ефективність процесу лазерної термообробки таким типом 
лазера буде вищою в 20 разів у порівнянні з твердотільними і газовими лазерами. 
Основний недолік такого випромінювача - висока вартість і невисоку поширеність 
та випробування, а також низька надійність оптичних головок для термообробки на 
даному типі  випромінювання (за  рахунок можливо зворотного  відображення в 
волокно) [58].
Для порівняння ефективності кожного типу лазерного випромінювача були 
проведені  дослідження  по  термозміцнення  зразків  зі  сталі  45  (без  оплавлення 
поверхні). при випромінюванні СО2- лазером застосовували поглинаючі покриття 
на основі оксидів металів, для твердотільних і волоконних лазерів застосування 
поглинаючих  покриттів  не  потрібно  [58].  Встановлено  високу  ефективність 
поглинання випромінювання волоконного і твердотільного лазерів металом. Так, 
обробка  сталі  45  СО2-лазером потужністю випромінювання  1  кВт  і  швидкості 
обробки 0,01 м / с призвело до утворення зони термічного впливу глибиною 0,6 мм, 
в той час як волоконний і твердотільний лазери на тих же режимах забезпечили 
глибину зони термічного впливу порядку 1,27 мм, невелике збільшення її ширини. 
Настільки  глибоке  проникнення  випромінювання  твердотільних  і  волоконних 
лазерів в метал без зменшення мікротвердості зони лазерного впливу пояснюється 
більшою  здатністю  до  проникнення  в  тонкі  поверхневі  шари  металу 
випромінювання  довжиною  хвилі  порядку  1,06-1,07  мкм  [59],  необхідно 
відзначити, що вплив твердотільних і  волоконних лазерів призводять також до 
утворення  більш  дисперсної  дрібної  структури  в  металі  в  порівнянні  з 
випромінювання  СО2-лазера.  Таким  чином,  загальна  ефективність  обробки 
волоконним лазером з довжиною хвилі випромінювання 1,07 мкм і твердотілим 
33
лазером  з  довжиною  хвилі  1,06  мкм  буде  вищою  ефективності  обробки 
випромінюванням СО2- лазера, що витрачається потужність випромінювання СО2-
лазера  на отримання практично рівноцінних за  об’ємом зон загартування буде 
вищою  практично  в  два  рази.  А  зручність  роботи,  високий  ККД,  відсутність 
операцій  підготовки  поверхонь  (нанесення  поглинаючих  покриттів)  і  здатність 
передачі  випромінювання  по  волокну  в  зону  обробки  робить  процес 
термозміцнення доступним і продуктивним.
2.5 Установка на основі волоконного квазінеперервного ітербієвого 
лазера YLR- 150/1500-QCW-AC.
Загальний  вигляд  лазерного  випромінювача  показаний  на  рисунку  2.2. 
Технічні характеристики лазерної установки YLR-150/1500-QCW-AC представлені 
в таблиці 2.3.
Лазерний  випромінювач  в  обох  режимах  управління  (локальному  і 
віддаленому) має два основні режими роботи - безперервний (CW) і імпульсний 
(QCW). В імпульсному режимі лазер генерує послідовність імпульсів.
Рисунок 2.2- Загальний вигляд лазерного випромінювача YLR-150/1500-
QCW-AC
Таблиця  2.3.  Технічні  характеристики  лазерної  установки  YLR-150/1500-
QCW-AC
Режим роботи Імпульсний / безперервний
Пікова потужність 1500 Вт
Енергія імпульсу До 15 Дж
Ширина імпульсу 0,2-10 мс
Середня потужність в імпульсному режимі До 150 Вт
Потужність в безперервному режимі До 250Вт
Довжина хвилі 1070 нм
Якість пучка ВРР 2,5 мм*мрад
Вихідна волокно 50 мкм 100 мкм 200 мкм
34
Призначення функціональних елементів лазерного модуля представлено на 
рисунку 2.3.
Рисунок 2.3 - Опис і призначення елементів керуючої панелі лазерного 
випромінювача YLR-150/1500QCW-AC
1 - 3-х позиційний ключ для управління режимами лазерного випромінювача 
(віддалений режим (з ПК), вимикання лазера; локальне управління через сенсорний 
дисплей);
2 - кнопка аварійного вимкнення;
3 - індикатор і активатор роботи лазерного модуля;
4 - сенсорний дисплей для локальної установки параметрів випромінювання;
5 - індикатор початку випромінювання;
6 - знімна панель для обслуговування внутрішніх елементів випромінювача.
Тривалість імпульсу і частота проходження імпульсів може бути налаштована 
через:
- відправку відповідних команд за допомогою інтерфейсу RS-232;
- використання  підменю  параметрів  імпульсного  випромінювання  на 
сенсорному екрані.
Основна  відмінність  між  QCW  режимом  і  режимом  CW  в  тому,  що  в 
імпульсних  режимах  максимальна  пікова  потужність  значно  вище,  ніж  в 
безперервному, але необхідно зазначити, що тривалість максимального імпульсу 
обмежена певними значеннями (Рисунок 2.4), в режимі CW немає ніяких обмежень 
на максимальну тривалість імпульсу.
35
Рисунок 2.4 - Залежність значення пікової потужності від тривалості імпульсу 
для імпульсного режиму роботи установки YLR-150/1500-QCW-AC
Рисунок  2.5  -  Спектр  вихідного  випромінювання.  f=10  Гц,  τ=10  мс, 
максимальна вихідна потужність (1500 Вт)
2.6 Аналіз теплових процесів при лазерному впливі
Для аналітичного аналізу теплових полів при лазерному термозміцнення взяли 
такі припущення:
1.  Теплофізичні  коефіцієнти  матеріалів  не  залежать  від  температури. 
Постійними  приймалися  такі  параметри:  λТ-  коефіцієнт  теплопровідності;  с - 
36
коефіцієнт  об’ємної  теплоємності;  Аэф -  ефективний  коефіцієнт  поверхневого 
поглинання.
2.  Розрахункові  тіла  розглядалися  у  вигляді  необмежених  або 
напівобмежених.  Дане  припущення  справедливо  для  випадків  локального 
лазерного  термозміцнення,  коли  зона  нагріву  у  багато  разів  менше  розмірів 
оброблюваних деталей.
3.  Джерела  нагріву  представлялися  в  розрахунках у  вигляді  зосереджених 
джерел  з  рівномірно  розподіленою щільністю потужності  в  плямі  нагріву  і  за 
нормальним законом розподілу.
4.  Введено  допущення  про  несуттєву  роль  параметрів,  які  не  включені  в 
теплові моделі, реалізовані аналітичними методами. Зокрема, до уваги береться 
прихована теплота фазових перетворень та ін. Таким чином, розглянуті рівняння і 
формули носять наближений характер.
Для  розрахункового  визначення  робочих  параметрів  процесу,  таких  як 
розподіл температури по глибині, швидкості нагріву і охолодження, розрахункова 
глибина загартованого шару, потрібно вирішити рівняння теплопровідності.
Основні параметри обладнання і характеристики досліджуваного матеріалу 
представлені в таблиці 2.4.
Таблиця 2.4 - Основні параметри обладнання і характеристики досліджуваного 
матеріалу
Параметри лазерної обробки Характеристики зразка
Матеріал: сталь 95Х18
Розміри: 0,01х0,03х0,03 м
Діаметр  сфокусованого  променя  d  = 
Температура плавлення: T  = 1500 ºC
400 мкм (rр = 20·10-5м). P
Температура поліморфного 
Частота проходження імпульсів: 25 Гц 
перетворення: Tz = 810 0C
Тривалість імпульсу: 10 мс
Густина: р = 7,75·103 кг/м3
Середня потужність імпульсу: 90 Вт
Питома теплоємність: с = 483Дж/кг·К
Енергія імпульсу: 0,9 Дж
Коефіцієнт  теплопровідності:  λ=24 
Швидкість  сканування:  V=5  мм/с 
Вт/м·К 
(Vl=0,005 м/с)
Коефіцієнт  поверхневого  поглинання 
лазерного випромінювання: Аеф = 0,5
37
Через розрахунок і порівняння ряду параметрів обробки визначимо фізичну 
модель процесу.
Визначимо температуропровідність матеріалу [61]:
(2.2)
а = 6.412·10-6 м2/с
Визначимо щільність потужності лазерного впліву [61]:
(2.3)
q = 7.162·108 Вт/м2
Визначимо час лазерного впліву [61]:
(2.4)
ti = 8·10-2 с
Визначимо глибину зони термічного впливу, на яку пошириться тепло за час 
лазерного впливу [61]:
(2.5)
ht = 7.162·10-4 м
Визначимо швидкість поширення теплового фронту за час лазерного впливу:
(2.6)
vt = 8.952·10-3 м/с
Проведемо вибір розрахункової моделі:
νt > Vl - рухоме джерело
ht≈ rp - розподілене джерело
ht < H - модель напівнескінченної теплової задачі
Таким чином, розрахункову модель будемо будувати для напівнескінченного 
тіла  з  рухомим  розподіленим  гаусовим  джерелом  нагрівання  (циліндрична 
симетрія).
Введемо число розбиття по Z, R і t:
38
Визначимо рівняння для розрахунку температурного поля для обраної моделі 
на стадії нагріву [61]:
(2.7)
Визначимо  рівняння  для  розрахунку  швидкості  охолодження, 
продиференціювавши функцію (2.7) [61]:
(2.8)
При часу tw=tL рівняння (2.8) набуде вигляду [61]:
(2.9)
За отриманими залежностями побудуємо необхідні графіки та діаграми. На 
рисунку 2.6 представлено розподіл температури по Z і R на стадії нагріву
39
Рисунок 2.6 - Розподіл температури по R і Z на стадії нагріву
Розподіл швидкості нагріву по R і Z представлено на малюнку 2.7.
Рисунок 2.7 - Розподіл швидкості нагріву по R і Z
Розподіл температури на стадії охолодження TR (z, r) виражається формулою 
[61]:
(2.10)
Розподіл температури на стадії охолодження TR (z, r) по Z і R представлено на 
Рисунку 2.8
40
Рисунок 2.8 - Розподіл температури по R і Z на стадії охолодження
Швидкість поширення тепла на стадії охолодження розрахована за формулою 
[61]:
(2.11)
Розподіл швидкості охолодження VR (z,r) представлено на рисунку 2.9.
Рисунок 2.9-Розподіл швидкості охолодження VR(z,r)
Аналіз  отриманих  результатів  дозволив  визначити,  що  зона  гартівних 
температур>1100 0C розташовується від поверхні матеріалу на відстані ~ 40 мкм. 
Швидкість охолодження в момент відразу після затвердіння VC0(0)=1,83·106 ºС/с.
41
Висновок до розділу 2
1. Розроблені  та  обґрунтовані  методи  досліджень  у  поєднанні  з 
металографічним аналізом і вимірюванням мікротвердості забезпечують 
можливість комплексної оцінки структури та якості поверхневого шару, 
отриманого в результаті лазерної термообробки.
2. Показано, що вибір джерела лазерного випромінювання для термообробки 
деталей є одним з ключових завдань технолога, оскільки тип лазера, його 
хвильова довжина, режим роботи та схема подачі випромінювання істотно 
впливають  на  стабільність  процесу  і  техніко-економічні  показники 
технології.
3. Встановлено,  що  одним  із  основних  параметрів,  які  визначають 
ефективність лазерного зміцнення, є щільність енергії на поверхні деталі, 
яка,  у  свою чергу,  залежить  від  потужності  випромінювання,  діаметра 
плями,  швидкості  переміщення  променя  та  оптичних  властивостей 
матеріалу,  що  безпосередньо  впливають  на  поглинання  лазерного 
випромінювання.
4. Обґрунтовано,  що  оптимальним  типом  джерела  випромінювання  для 
лазерної  термообробки досліджуваних сталей є волоконний лазер,  який 
поєднує  високу  якість  променя,  зручність  транспортування 
випромінювання по волокну, можливість обробки деталей складної форми 
та високу енергоефективність.
5. Показано, що застосування випромінювання твердотільних і волоконних 
лазерів  у  ближньому  інфрачервоному  діапазоні  є  більш  доцільним 
порівняно  з  використанням  СО₂-лазерів завдяки кращому поглинанню 
енергії поверхнею металу та зменшенню втрат,  що сприяє підвищенню 
ККД процесу.
6. Підтверджено,  що  математичне  моделювання  теплових  процесів  при 
лазерній  обробці  є  ефективним  інструментом  для  прогнозування 
температурних  полів,  оцінки  глибини  зони  загартування  та  вибору 
раціональних режимів, які забезпечують формування необхідної структури 
42
і властивостей поверхневого шару відповідно до заданих експлуатаційних 
вимог.
43
Розділ 3 
Дослідження впливу лазерної термообробки на 
мікроструктуру та властивості сталей 95Х18 і 
12Х18Н10Т
3.1. Вплив параметрів обробки на структуру і твердість поверхні сталі 
95Х18
З метою дослідження можливості термозміцнення даної сталі були проведені 
дві серії експериментів:
1  серія  експериментів: за  допомогою  твердотільного  лазера  LRS-150  з 
довжиною хвилі Л = 1,06 мкм проводилася термообробка зразків зі сталі 95Х18 
після попередньої термообробки (неповний відпал при 730-790 °С (витримка 2-6 
год.)) З твердістю вихідної поверхні 28 HRC.
Попередній вибір режимів обробки здійснювали, взявши за основу критерії - 
відсутність  тріщин  при  візуальному  контролі  поверхні  обробленого  зразка  в 
оптичному мікроскопі (х50) і максимальну мікротвердість поверхні.
Режими обробки представлені в Таблиці 3.1
Таблиця 3.1 - Режими лазерної обробки 1 серії експериментів
Швидкість 
Енергія Тривалість Частота Діаметр 
Режи переміщення 
імпульсу, імпульсу, імпульсу, плями, 
м випромінювання, 
E, Дж τ, мс f, Гц d, мм
V, мм/с
1.1 22 10 12 1 1,2
1.2 1,5 10 12 1 1,2
1.3 16 10 12 3 0,4
2 серія експериментів: за допомогою волоконного квазінеперервного лазера 
YLR- 150/1500-QCW-AC з довжиною хвилі λ=1,07 мкм проводилася термообробка 
зразків зі сталі 95Х18 після попередньої термообробки (неповний відпал при 730-
790 ° С (витримка 2-6 год.)) з твердістю вихідної поверхні 28 HRC.
Попередній вибір режимів обробки здійснювали, взявши за основу критерії - 
відсутність  тріщин  при  візуальному  контролі  поверхні  обробленого  зразка  в 
оптичному мікроскопі (х50) і максимальній мікротвердість поверхні.
Режими обробки представлені в Таблиці 3.2
45
Таблиця 3.2 - Режими лазерної обробки 2 серії експирементів
Швидкість 
Енергія Тривалість Частота Діаметр 
переміщення 
Режим імпульсу, імпульсу, імпульсу, плями, 
випромінювання, 
E, Дж τ, мс f, Гц d, мм
V, мм/с
2.1 0,9 10 25 0,4 0,5
2.2 2,25 10 10 0,4 0,5
При обробці зразків з досліджуваної сталі на імпульсному лазері в діапазоні 
енергії 10-30 Дж, з тривалістю імпульсу (4 - 6)·10-3 с і розташуванні поверхні зразків 
у фокусі оптичної системи спостерігається оплавлення поверхні. Зона лазерного 
впливу (ЗЛВ) складається із зони плавлення (ЗП) і зони термічного впливу (ЗТВ) 
(Рисунок 3.1). При менших енергіях (<10 Дж) випромінювання ЗЛВ складається з 
ЗТВ і меншої за розмірами ЗП (Рисунок 3.2). Для отримання ЗЛВ з мінімальної ЗП 
при енергії випромінювання більше 10 Дж необхідно збільшити відстань від фока 
ьной площині вихідний лінзи установки до поверхні зразка.
Рисунок 3.1 - Мікроструктура сталі 95X18 після ЛТО Е= 30 Дж τ=10мс, f=12 
Гц (х50)
Рисунок 3.2 - Мікроструктура сталі 95X18 після ЛТО Е= 1,5 Дж, ∆F=0, 
т=10мс, f=12 Гц (х1000)
46
Зона плавлення має структуру з характерним розташуванням дендритів, що 
кристалізуються  в  напрямку  максимального  відведення  тепла.  Причому, 
спостерігається відсутність осей другого порядку (Рисунок 3.3, 3.4).
Рисунок 3.3 – Мікроструктура зони плавлення сталі 95X18. Е = 30 Дж, 
τ=10мс, f=12 Гц ∆F=0 (х500)
Рисунок 3.4 - Мікроструктура зони плавлення сталі 95X18. Е = 22 Дж, ∆F=0, 
т=10мс, f=12 Гц (х1000)
Гілки  більш  високих  порядків  утворюються,  коли  навколо  зростаючих 
дендритних гілок виникає градієнт концентрації домішкових атомів. В результаті 
цього  між  дендритними  гілками  створюється  дифузійне  переохолодження,  що 
приводить  до  утворення  бічних  гілок.  Зі  збільшенням швидкості  охолодження 
зменшаться відстань між гілками дендритів, відбувається перекриття дифузійних 
47
шарів  і  ліквідація  дифузійного  переохолодження.  В  результаті  чого  утворення 
бічних гілок стає неможливим.
Зона термічного впливу (ЗТВ) сталі 95X18 складається з мартенситу гарту 
(Рисунок 3.5) і залишкового аустеніту з включеннями карбідів.
Рисунок 3.5 - Мікроструктура ЗТВ сталі 95X18 Е = 22 Дж, ΔF=0, τ= 6мс, 
f=10 Гц (х500)
Аналіз мікротвердості поверхні оброблених зразків здійснювали за методикою 
п. 2.3. Мікроструктура і графік розподілу мікротвердості для режиму 1.1 по глибині 
зміцненого шару представлений на рисунку 3.6.
Рисунок  3.6 -  Мікроструктура і графік розподілу мікротвердості по глибині 
зміцненого шару. режим 1.1. Е = 22 Дж, τ=10мс, f=12 Гц, d=1 мм, V=1,2мм/с (х100)
48
Мікроструктура зони плавлення сталі  95Х18 для  режиму обробки 1.1  при 
різних збільшеннях показана на рисунках 3.7 и 3.8
Рисунок 3.7 Мікроструктура зони плавлення. Режим 1.1. Е = 22 Дж, τ=10мс,  
f=12 Гц, d=1 мм, V=1,2 мм/с (х500)
Рисунок 3.8 - Мікроструктура зони плавлення. Режим 1.1. Е = 22 Дж, 
τ=10мс, f=12 Гц, d=1 мм, V=1,2 мм/с (х500)
Мікроструктура  перехідної  зони  сталі  95Х18  при  різних  збільшеннях  для 
режиму обробки 1.1 показана на рисунку 3.9 и 3.10
49
Рисунок 3.9 - Мікроструктура перехідної зони сталі 95X18, режим обробки 
1.1. Е = 22 Дж, τ=10мс, f=12 Гц, d=1 мм, V=1,2 мм/с (х100)
Рисунок 3.10 - Мікроструктура перехідної зони сталі 95X18, режим обробки 
1.1. Е = 22 Дж, τ=10мс, f=12 Гц, d=1 мм, V=1,2мм/с (х500)
Мікроструктура і графік розподілу мікротвердості для режиму 1.2 по глибині 
зміцненого шару представлений на рисунку 3.11.
50
Рисунок 3.11 - Мікроструктура і графік розподілу мікротвердості по глибині 
зміцненого шару. Режим 1.2.  Е = 1,5 Дж, τ=10мс,  f=12  Гц,  d=1  мм,  V=1,2мм/с 
(х100)
Мікроструктура і графік розподілу мікротвердості для режиму 1.3 по глибині 
зміцненого шару представлений на рисунку 3.12.
Рисунок 3.12 - Мікроструктура і графік розподілу мікротвердості по глибині 
зміцненого шару.Режим 1.3. Е = 16Дж, τ =10мс, f=12 Гц, d=3 мм, V=0,4мм/с (х100)
51
Мікроструктура зразка зі сталі 95Х18 при обробці по режиму 1.3 показана на 
малюнку 3.13, 3.14, 3.15
Рисунок 3.13 - Мікроструктура зразка зі сталі 95Х18, обробленого по режиму 
1.3. Е = 16 Дж, τ =10мс, f=12 Гц, d=3 мм, V=0,4 мм/с (х100)
Рисунок 3.14 - Мікроструктура зразка зі сталі 95Х18, обробленого за 
режимом 1.3. Е = 16 Дж, τ =10мс, f=12 Гц, d=3 мм, V=0,4 мм/с (х500)
Мікроструктура перехідної зони зразка зі сталі 95Х18 для режиму обробки 1.3 
показана на малюнку 3.15
52
Рисунок 3.15 - Мікроструктура перехідної зони зразка зі сталі 95Х18, 
обробленого за режимом 1.3. Е = 16 Дж, τ =10мс, f=12 Гц, d=3 мм, V=0,4 мм/с 
(х500)
На рисунку 3.16 представлений графік залежності мікротвердості від глибини 
зміцненого шару для режимів обробки 1.1,1.2, 1.3 сталі 95Х18
Рисунок 3.16 - Графік залежності мікротвердості і глибини зміцненого шару 
сталі 95Х18 для режимів лазерної обробки 1.1, 1.2, 1.3
Аналіз  залежності  геометричних  розмірів  зон  зміцнення  від  енергії 
випромінювання для режимів 1.1, 1.2, 1.3 показаний на малюнку 3.17.
53
Рисунок 3.17 - Графік залежності геометричних розмірів зон зміцнення від 
енергії випромінювання для сталі 95Х18 (для режимов 1.1, 1.2, 1.3)
Мікроструктура сталі 95Х18 після лазерного термозміцнення по режиму 2.1 
представлена на Рисунках 3.18, 3.19, 3.20.
Рисунок 3.18 - Мікроструктура зони плавлення сталі 95X18, режим 2.1. 
Е=0,9 Дж,
54
Рисунок 3.19 - Мікроструктура зони плавлення сталі 95X18, режим 2.1. Е = 0,9 
Дж, τ =10мс, f=25 Гц, d=0,4 мм, V=5мм/с (х50)
Рисунок 3.20 - Мікроструктура і значення мікротвердості в точці зразка зі 
сталі 95X18, режим 2.1. Е = 0,9Дж, τ =10мс, f=25Гц, d=0,4мм, V=5мм/с (х500)
Графік розподілу мікротвердості по глибині зміцненої зони для режиму 2.1 
представлений на рисунку 3.21, а, для режиму 2.2 на рисунку 3.22, б.
55
Рисунок 3.21 - Графік залежності розподілу мікротвердості сталі 95Х18 по 
глибині зміцненого шару для режиму (а) 2.1 Е = 0,9 Дж, т=10мс, f=25 Гц, d=0,4 
мм,V=5мм/с, (б) Е = 2,25 Дж, τ =10мс, f=10 Гц, d=0,4 мм, V=5мм/с
Мікроструктура сталі 95Х18 після лазерного термозміцнення по режиму 2.2 
представлена на рисунках 3.22, 3.23, 3.24.
Рисунок 3.22 - Мікроструктура зони лазерного впливу сталі 95X18, режим 2.2. 
Е=2,25 Дж, τ=10мс, f=10 Гц, d=0,4 мм, V=5мм/с (х100)
56
Рисунок 3.23 - Мікроструктура і значення мікротвердості в точці зразка зі сталі 
95X18, режим 2.2. Е = 2,25 Дж, τ =10мс, f=10 Гц, d=0,4 мм, V=5 мм/с (х500)
Рисунок  3.24 -  Мікроструктура і  значення мікротвердості в точці зразка із 
95X18, режим 2.2. Е = 2,25 Дж, τ =10мс, f=10 Гц, d=0,4 мм, V=5мм/с (х500).
В результаті обробки зразків лазером, що працює в режимі 1.1, утворилася 
зона  оплавлення,  яка  займає  значну  частину  ЗЛВ.  У  цій  зоні  значення 
мікротвердості  дорівнює значенню мікротвердості в серцевині.  При обробці по 
57
режиму  1.1  в  зоні  плавлення  присутні  порожнини,  що  утворилися  за  рахунок 
деформації  розплавленої  області.  Найбільше  значення  мікротвердості 
спостерігається на межі зони плавлення і зони термічного впливу.
При  зниженні  енергії  випромінювання  зі  збереженням  діаметра  променя 
(режим 1.2), спостерігається зниження ефекту зміцнення і, відповідно, величини 
мікротвердості  в  порівнянні  з  режимом  1.1.  Також  зменшується  розмір  зони 
лазерного впливу.
При обробці по режиму 1.3 в зоні лазерного впливу спостерігаються широка 
зона плавлення і вузька зона термічного впливу. Зона плавлення має структуру з 
характерним  розташуванням  дендритів,  що  кристалізуються  в  напрямку 
максимального  відведення  тепла.  Структура  складається  з  великої  кількості 
залишкового аустеніту і мартенситу. Максимальне значення мікротвердості також 
отримано на межі зони плавлення і термічного впливу.
При  обробці  по  режиму  2.1,  зафіксовано  підвищення  мікротвердості  на 
поверхні обробленого зразка (рисунок 3.21, а) за рахунок більшого роздрібнення 
карбідної  фази,  появи мартенситу відпуску і  зменшення кількості  залишкового 
аустеніту  через  високу  частоту  проходження  імпульсів  і  високого  коефіцієнта 
перекриття. Зона термічного впливу є структурою з дрібнодисперсною карбідною 
фазою, великою кількістю мартенситу і меншою кількістю залишкового аустеніту.
Обробка по режиму 2.2 характеризується більшою енергією випромінювання і 
меншою частотою проходження імпульсів в порівнянні з обробкою по режиму 2.1. 
Зона  плавлення  також  має  структуру  з  яскраво  вираженим  розташуванням 
дендритів,  що  кристалізуються  в  напрямку  максимального  відведення  тепла 
(рисунок 3.23). Найбільше значення мікротвердості спостерігається на межі зони 
плавлення  і  зони  термічного  впливу  (рисунок  3.21,  б).  У  ЗТВ спостерігається 
розчинення  великих  карбідів  евтектичного  походження  і  поява  мартенситу 
відпуску, і зменшення кількості залишкового аустеніту.
Таким чином, найбільш оптимальним режимом лазерної термообробки сталі 
95Х18  для  серії  експериментів  1  є  режим  1.3,  для  серії  експериментів  2 
58
оптимальним режимом є режим 2.2 за рахунок меншої глибини зони оплавлення і 
більш високої мікротвердості.
3.2. Вплив параметрів обробки на структуру і твердість поверхні сталі 
12Х18Н10Т
Режими обробки випромінюванням лазера сталі 12Х18Н10Т представлені в 
Таблиці 3.3.
Таблиця 3.3 - Режими лазерної обробки сталі 12Х18Н10Т
Швидкість 
Енергія Тривалість Частота Діаметр 
переміщення 
Режим імпульсу, імпульсу, імпульсу, плями, Особливість
випромінювання, 
E, Дж τ, мс f, Гц d, мм
V, мм/с
3.1 32 6 10 1 1,8
3.2 25 6 10 3 1,8
3.3 19 6 10 1 1,8
3.4 6 10 25 0,4 10 Контрольний
Поверхня 
вкрита 
чорною 
3.5 6 10 25 0,4 10 фарбою і 
шаром 
прозорого 
гелю (h=1 мм)
Поверхня 
вкрита 
чорною 
фарбою і 
3.6 6 10 25 0,4 10
шаром 
прозорого 
гелю (h=0,1 
мм)
Мікроструктура і розподіл мікротвердості поверхні по глибині зміцненої зони 
зразка зі сталі 12Х18Н10Т, обробленого за режимом 3.1 представлено на рисунку 
3.25, а, по режиму 3.2, представлено на рисунку 3.25, б, по режиму 3.3 - на рисунку 
3.25, в.
59
                           а)                                            б)                                          в)
Рисунок 3.25 - Мікроструктура і розподіл мікротвердості поверхні по глибині 
зміцненої зони зразка зі сталі 12Х18Н10Т, обробленого за режимом (а) 3.1 Е = 32 
Дж, т=6мс, f=10 Гц, d=1 мм, V=1,8мм/с (б) 3.2 Е = 25 Дж, τ =6мс, f=10 Гц, d=3 
мм, V=1,8 мм/с, (в) 3.3 Е = 19 Дж, т=6мс, f=10 Гц, d=3 мм, V=1,8 мм/с
Аналіз мікроструктури зразків зі сталі 12Х18Н10Т показав, що при обробці 
випромінюванням  лазера  не  спостерігається  значного  збільшення  діаметра  і 
глибини зони зміцнення, при цьому глибина ЗТВ не змінюється зі зміною енергії 
випромінювання (рисунок 3.26)
Рисунок  3.26 -  Графік залежності геометричних розмірів зон зміцнення від 
енергії випромінювання для зразків зі сталі 12Х18Н10Т при режимах обробки 3.1, 
3.2, 3.3.
60
В  результаті  лазерної  термообробки  сталі  12Х18Н10Т  не  вдалося  значно 
підняти величину твердості поверхні. Незначне підвищення може бути викликано 
збільшенням  питомої  поверхні  меж,  за  рахунок  протікання  деформаційних 
процесів,  в  результаті  яких  з’являються  додаткові  перешкоди  на  шляху  руху 
дислокацій.  При  цьому  максимальне  значення  твердості  досягається  не  на 
максимальній потужності.  Аналіз  результатів  дослідження мікротвердості  сталі 
12Х18Н10Т після лазерної термообробки показує незначне зміцнення поверхні, що 
відповідає літературним даним.
З метою розробки методу зміцнення, заснованого на пластичної деформації 
поверхні,  внаслідок  впливу ударної  хвилі,  збудженої  випромінюванням лазера, 
були проведені додаткові досліди 3.4, 3.5 і 3.6. У зразках для дослідів 3.5 і 3.6 
зміцнюючих поверхню була покрита чорною фарбою з нанесеним шаром гелевого 
складу  на  водній  основі  товщиною  1  мм  і  0,1  мм  відповідно.  Зразок  3.4 
-Контрольний, без обробки фарбою і без нанесення гелю. Режими лазерного впливу 
для даної серії експериментів - однакові (таблиця 3.3).
Для  режиму  обробки  3.4  графік  розподілу  мікротвердості  по  глибині 
зміцнюваного шару показаний на рисунку 3.27.
Рисунок  3.27  -  Графік  розподілу  мікротвердості  поверхні  по  глибині 
зміцнюючих зони зразка зі сталі 12Х18Н10Т, обробленого за режимом 3.4 Е = 6 
Дж, τ =10мс, /=25Гц, d=0,4 мм, V=10мм/с
61
Мікроструктура і значення мікротвердості у поверхні для зразка, обробленого 
за режимом 3.4, показана на рисунку 3.28.
Рисунок  3.28  -  Значення  мікротвердості  у  поверхні  для  зразка  зі  сталі 
12Х18Н10Т, обробленого по режиму 3.4  Е = 6 Дж, τ =10мс, /=25Гц,  d=0,4  мм, 
V=10 мм/с (х500)
Для зразка, обробленого за режимом 3.5, з нанесенням шару чорної фарби і 
шару  прозорого  гелю  товщиною  1  мм  на  поверхню,  графік  розподілу 
мікротвердості показаний на рисунку 3.29, а, для зразка, обробленого за режимом 
3.6 графік розподілу мікротвердості показаний на рисунку 3.29, б.
Рисунок 3.29 - Графік розподілу мікротвердості поверхні по глибині 
зміцнюючих зони зразка зі сталі 12Х18Н10Т, обробленого за режимом (а) 3.5 Е=6 
Дж, τ =10мс, ]=25Гц, d=0,4 мм, V=10мм/с, чорна фарба, гель товщиною 1 мм, (б)  
3.6 Е = 6 Дж, τ =10мс, /=25Гц, d=0,4 мм, V = 10 мм / с, чорна фарба, гель 
товщиною 0,1 мм
62
Мікроструктура і значення мікротвердості у поверхні для зразка, обробленого 
за режимом 3.5, показана на рисунку 3.30.
Рисунок  3.30  -  Значення  мікротвердості  біля поверхні  для  зразка  зі  сталі 
12Х18Н10Т, обробленого за режимом 3.4 Е = 6 Дж, τ =10мс, /=25Гц, d=0,4 мм, 
V=10 мм/с, чорна фарба, гель товщиною 1 мм (х500)
Зміна мікротвердості для зразка, обробленого за режимом 3.6, показано на 
малюнку 5.31.
Рисунок  3.31 -  Зміна мікротвердості поверхні по глибині зміцнюючих зони 
зразка зі сталі 12Х18Н10Т, обробленого за режимом 3.6 Е = 6 Дж, τ =10мс, /=25Гц, 
d=0,4 мм, V=10 мм/с, чорна фарба, гель товщиною 0,1 мм (х100)
63
Мікроструктура  і  значення  мікротвердості  біля  поверхні  для  зразка, 
обробленого за режимом 3.6, показана на рисунку 3.32.
Рисунок  3.32  -  Значення  мікротвердості  біля  поверхні  для  зразка  зі  сталі 
12Х18Н10Т, обробленого за режимом 3.6 Е = 6 Дж, τ = 10мс, / = 25Гц, d = 0,4 мм, V 
= 10мм / с, чорна фарба, гель товщиною 0,1 мм (х500)
Аналіз  отриманих  результатів  показує  значне  зміцнення  поверхні  сталі 
12Х18Н10Т  за  рахунок  збудженої  лазером  ударної  хвилі.  Максимальна 
мікротвердість поверхні 365 HV0,10 досягається при мінімальній товщині гелевого 
шару (0,1 мм).
Зміцнення при цьому методі в порівнянні з методом термічного зміцнення на 
тих же режимах лазерного випромінювання становить понад 15%, що для деяких 
технологічних  завдань  є  істотною  перевагою.  Таким  чином,  значне  зміцнення 
поверхні  сталі  12Х18Н10Т  за  рахунок  деформації  може  бути  реалізовано  за 
допомогою  технології  лазерного  ударного  зміцнення,  яка  включає  в  себе 
спеціальну підготовку поверхні для збудження ударної хвилі вглиб матеріалу за 
рахунок швидкого і потужного впливу імпульсу випромінювання.
64
3.3. Вплив ступеня перекриття лазерних імпульсів на мікротвердість 
поверхні сталі 95Х18
Процес лазерної імпульсної обробки поверхні полягає в послідовному впливі 
на  матеріал  точковим  випромінюванням  лазера.  Швидкість  переміщення 
випромінювання,  частота  проходження  імпульсів  і  форма  деталі  -  основні 
параметри,  що  характеризують  ступінь  перекриття  лазерного  випромінювання. 
Дана  характеристика  впливає  на  мікротвердість  одержуваної  поверхні  і 
зносостійкість деталі. Для вибору оптимального ступеня перекриття з точки зору 
підвищення  зносостійкості  був  проведений  ряд  експериментів.  Мікротвердість 
зразків зі сталі 95Х18 досліджували на поперечних шліфах на відстані 13,5 мкм від 
поверхні і по глибині зони перекриття.
При обробці з параметрами лазерного впливу, що забезпечують мінімальні 
значення  перекриття,  спостерігаються  незміцнені  ділянки  зі  значеннями 
мікротвердості,  практично  не  відрізняються  від  мікротвердості  необробленого 
матеріалу.
Оптимальне значення перекриття точок лазерного впливу отримали при 0,5 dл 
(від діаметра точки лазерного впливу). При збільшенні перекриття на зміцненій 
поверхні  деталі  не  спостерігається  зміни  мікротвердості.  Мікроструктури зони 
перекриття при різному збільшенні представлені на рисунках 3.33, а-д.
65
 
а) (х500)
    б) (х500)                             в) (х500)                      г) (х500)              д) (х1000)
Рисунок 3.33 -  Мікроструктури зони перекриття  (при 0,5  dn)  при різному 
збільшенні (а-д)
Графік  розподілу  мікротвердості  по  довжині  треку  лазерного  впливу  на 
постійній глибині представлений на рисунку 3.34, по глибині зони перекриття на 
рисунку 3.35.
Рисунок 3.34 - Графік розподілу мікротвердості сталі 95Х18 на глибині 13,5 
мкм по довжині зміцненого шару, режим 2.2 Е = 2,25 Дж, τ=10мс, f=10 Гц, d=0,4 
мм, V=5 мм/с
66
Рисунок 3.35 - Розподіл мікротвердості зони перекриття сталі 95X18 по 
глибині зони перекриття, режим 2.2. Е = 2,25 Дж, τ =10мс, f=10 Гц, d=0,4 мм, 
V=5 мм/с
67
Висновок до роздлу 3
1. Установлено,  що  лазерна  термообробка  корозійностійких  хромистих 
сталей імпульсним лазерним випромінюванням забезпечує формування в 
поверхневому шарі дрібнодисперсної загартованої структури з рівномірно 
розподіленими  карбідами,  що  супроводжується  істотним  підвищенням 
мікротвердості (до значень близько 750 HV і вище залежно від режиму 
обробки).
2. Показано  високу  ефективність  лазерної  термообробки  сталі  95Х18,  яка 
проявляється  у  значному  зростанні  мікротвердості  та  формуванні 
сприятливого  напруженого  стану  поверхневого  шару  (переважно 
стискуючі  залишкові  напруження),  що  підвищує  опір  втомному 
руйнуванню  та  зносостійкість  до  рівня  900–910  HV  у  оптимальних 
режимах.
3. Визначено, що оптимальне перекриття суміжних слідів лазерного впливу 
для  сталі  95Х18  забезпечує  рівномірний  розподіл  мікротвердості  по 
довжині треку при збереженні допустимих значень глибини зони зміцнення 
та мінімальних геометричних деформацій, що є критичним для деталей з 
підвищеними вимогами до точності.
4. Установлено,  що  для  сталі  12Х18Н10Т  після  лазерної  термообробки 
характерне підвищення мікротвердості поверхневого шару, яке пов’язане з 
інтенсивними деформаційними процесами в зоні плавлення та наступним 
швидким охолодженням, однак величина зміцнення суттєво залежить від 
режимів обробки та умов тепловідводу.
5. Виявлено  вплив  режимів  лазерної  термообробки  на  геометричні 
характеристики  і  форму  зразків:  зі  збільшенням  щільності  енергії  та 
глибини проплавлення зростає ймовірність появи залишкових деформацій. 
Показано, що найбільші зміни геометрії спостерігаються у сталі 95Х18, тоді 
як сталь 12Х18Н10Т демонструє меншу схильність до деформування за 
аналогічних режимів.
68
6. Обґрунтовано, що для сталі 12Х18Н10Т доцільно розглядати використання 
режимів  лазерного  ударного  (шокового)  зміцнення,  які  дозволяють 
підвищити  мікротвердість  і  втомну  міцність  при  мінімальному 
проплавленні, однак детальне дослідження оптимальних параметрів таких 
режимів  потребує  подальших  експериментальних  та  теоретичних 
досліджень.
69
Розділ 4 
Охорона праці та безпека в надзвичайних 
ситуаціях
4.1 Безпека лазерів і лазерних установок
У відповідності  із  ДСТУ EN 60825-1:2019  — «Безпека  лазерних  виробів. 
Частина 1. Класифікація обладнання та вимоги» одним із найсуттєвіших ризиків, 
пов’язаних із лазерним випромінюванням, є його здатність проникати крізь шкіру 
та очі людини. Потужний лазер здатний обпекти сітківку ока людини, пошкодити 
рогівку, обпекти шкіру та навіть спричинити пожежу в приміщенні. 
Регулярний  вплив  лазерів  може  спричинити  катаракту  та  пошкодження 
сітківки. Крім того, довжина хвилі ультрафіолетового випромінювання 290-320 нм 
може призвести до онкологічних захворювань після хронічного впливу. 
Наприклад, інфрачервоне випромінювання, що випромінюється волоконними 
лазерами, може бути небезпечним для очей і його неможливо виявити, навіть якщо 
воно  завдає  активної  шкоди.  Відсутність  захисного  спорядження,  неправильно 
спрямований лазер та несправність обладнання можуть призвести до незворотних 
пошкоджень.
Обробка лазером часто поєднує дві тверді речовини шляхом їх розрідження, 
що призводить до утворення дим та пил у повітрі. У разі вдихання ці токсичні пари 
можуть  призвести  до  незворотного  пошкодження  дихальних  шляхів  та  кісток. 
Вивільнення  вуглецевих  частинок  також  пов'язане  з  пошкодженням  ДНК. 
Використання захисних засобів маски та вентиляції неохідно.
 Носіння  тканого  одягу,  бажано  з  вовни  або  бавовни,  ефективно  блокує 
ультрафіолетове  випромінювання.  Сорочки  з  високим  коміром  або  ґудзиками, 
довгі рукави та широкі штани захищають шкіру. Міцний тканинний головний убір, 
такий  як  товстий  вовняний  капюшон,  захищає  шкіру  голови  від  впливу 
ультрафіолету.  Для додаткового захисту використовуються вогнетривкі фартухи, 
зварювальні каски та захисні окуляри із захистом від ультрафіолету.
4.2 Джерела небезпечних і шкідливих виробничих факторів при 
використанні лазерів та лазерних установок
При  експлуатації  ЛУ  персонал  може  піддаватися  впливу  комплексу 
небезпечних і  шкідливих факторів,  кількість  і  інтенсивність  яких залежать від 
71
просторово-енергетичних  характеристик  ЛВ,  лазерних  технологій  (ЛТ),  умов 
експлуатації  і  конструктивних  особливостей  ЛР.  Характерно,  що  практично 
кожному  типу  ЛР  і  ЛУ,  кожному  технологічному  процесу  відповідає  певний 
комплекс  небезпечних і  шкідливих виробничих факторів.  Деякі  ЛТ вимагають 
подачі  в  робочу  зону  технологічного  середовища  (наприклад,  при  зварюванні 
подають інертні гази) чи введення додаткової енергії (механічної, електромагнітної 
і  т.д.).  Прикладами комбінованих методів можуть служити газолазерне різання, 
лазерно-електрична обробка отворів і т. д. Тому необхідно в кожнім конкретному 
випадку розглядати окремо особливості роботи кожного типу ЛР і ЛУ стосовно до 
умов їхньої експлуатації.
Небезпечні і шкідливі виробничі фактори розділяють на основні і супутні. До 
основних небезпечних і шкідливих факторів відносяться власне монохроматичне, 
когерентне ЛВ і паразитне випромінювання (відбите і розсіяне), а до супутніх – 
фактори, що виникають у робочій зоні (на лазерних ділянках) при експлуатації ЛР і 
інших установок.
Розглянемо механізм утворення супутніх небезпечних і шкідливих факторів.
Монохроматичність,  когерентність  і  мала  розбіжність  лазерного  променя 
дозволяють сфокусувати його на надзвичайно малій площі, що прагне до точки, 
діаметр якої відповідає порядку довжини хвилі, що дає можливість одержати на 
поверхні оброблюваного матеріалу енергію при густинах потужності до 1017 Вт/см2. 
Однак  час  існування  зазначеної  потужності  у  фокусі  імпульсного  лазерного 
променя мізерно малий: 10-3 – 10-9 с. Проте в подібних умовах дія даного променя на 
різні матеріали приводить до їхнього руйнування і випару (метали випаровуються 
при  щільності  потужності  випромінювання  порядку  1010 Вт/см2).  Пари,  що 
утворилися, розширюються зі швидкістю, порівнянною зі швидкістю звуку (v=103 
м/с), що приводить до механічного ефекту – тілу надається імпульс віддачі. 
При  проходженні  через  середовище ЛВ з  діелектричною ε  і  магнітною μ 
проникністю утвориться інтенсивне електричне поле, напруженість якого (В/м) для 
плоскої хвилі визначається за формулою
E=√2W √μ /ε .
72
При фокусуванні ЛВ у газі в режимі модульованої добротності виникає так 
званий лавинний пробій:  у  фокусі  лінзи утвориться згусток високоіонізованної 
високотемпературної  плазми,  що  є  джерелом  м’якого  рентгенівського 
випромінювання з довжиною хвилі порядку 1,0 нм.
При нагріванні речовини ЛР до температури 107 - 108 К можливе збудження 
ядерних реакцій. При нагріванні дейтрієвої плазми утвориться нейтронне і жорстке 
рентгенівське випромінювання.
Турбулентність атмосфери викликає блукання променя, його розсіювання і 
сцинтиляцію. При проходженні променя через ділянки з різною температурою, за 
рахунок зміни показника заломлення, він відхиляється від початкового напрямку. 
При великому діаметрі променя різні його ділянки потрапляють у різні турбулентні 
області  і  промінь  починає  розділятися  і  розходитися.  Блукання  і  розбіжність 
променя зменшуються при збільшенні його діаметра або при великих відстанях від 
джерела, де, в основному, спостерігається ефект сцинтиляції, тобто перерозподіл 
енергії усередині променя. Було виявлено, що на відстані 1 км від джерела рівень 
опромінення перевищував рівень на осі променя поблизу джерела в 4-5 разів, в 
інших ділянках перетину рівні опромінення були нижче. Таким чином, небезпека 
ЛВ, імовірно, найбільша в таких «гарячих» точках.
З  наведеного  вище  можна  зробити  висновок,  що  при  використанні  ЛР  у 
залежності  від  класу  їхньої  небезпеки,  застосовуваної  технології  й  умов 
експлуатації  можуть  існувати  групи  фізичних,  хімічних  і  психофізіологічних 
небезпечних і шкідливих виробничих факторів.
Висока напруга є на зарядних пристроях, що живлять батарею конденсаторів 
великої ємності.  Після розряду конденсаторів на лампи (спалахи) вони можуть 
зберігати залишкову напругу високого потенціалу, є напруга також у ланцюгах 
управління.  Напруги  дотиків  і  струми,  що  протікають  через  тіло  людини  при 
нормальному (неаварійному) і аварійному режимах роботи лазерних установок, не 
повинні перевищувати допустимих значень, зазначених у ГОСТ 12.1.038 – 82.
У результаті радіолізу повітря утворюються озон, оксиди азоту й інших газів, 
що  викликають  загазованість  повітря  робочої  зони.  Розряди  імпульсних  ламп 
73
накачування  супроводжуються  утворенням  озону,  концентрація  якого  швидко 
зменшується по припиненню розряду ламп у зв’язку з його розпадом. Озон і оксиди 
азоту  утворяться  також  у  результаті  іонізації  повітря  іонізуючими 
випромінюваннями  утвореними  при  експлуатації  високовольтних  джерел 
живлення  ЛР.  У  результаті  випару  матеріалу  мішені  при  зварюванні,  паянні, 
свердлінні й інших технологічних процесах утворяться оксид вуглецю, шкідливі 
газові  домішки  і  пари  летучих  органічних  сполук,  використовуваних  у 
технологічних процесах (нітробензол, нітротолуол, чотирьох-хлористий вуглець і 
т.д.). У результаті термоокислювального розкладання матеріалу мішені і реакції в 
ЛР  утворюється  ціаністий  водень.  Гранично  припустимі  концентрації  (ГДК) 
зазначених газів і парів наведені в ГОСТ 12.1.005 – 88.
Оксиди  елементів,  що  входять  до  складу  матеріалу,  що  руйнується  чи 
випаровується  під  впливом лазерного  випромінювання (оксиди свинцю,  олова, 
вісмуту, алюмінію і т.д.), виділяються в повітря і створюють аерозоль дезинтеграцї 
і  конденсації,  вміст  якого  в  повітрі  робочої  зони  не  повинен  перевищувати 
встановлених ГДК згідно ГОСТ 12.1.005 – 88.
Змінюється іонний склад повітря. Як правило, збільшується вміст негативних 
іонів  у  безпосередній  близькості  (20-40  см)  від  імпульсних  ламп.  Джерелом 
іонізації повітря є сфокусоване ЛВ, ультрафіолетове й іонізуюче випромінювання. 
Припустимий вміст легких іонів у повітрі виробничих і суспільних приміщень з 
кондиціонуванням повітря наведений в табл. 4.1. 
Таблиця 4.1 Нормативні величини іонізації повітря виробничих і суспільних 
приміщень
Число іонів в 1 см3
Рівень  +  - П
п п
Мінімально необхідний 400 600 – 0,2
Оптимальний 1000-3000 3000-5000 Від – 0,67 до 0
Максимально допустимий 50 000 50 000 Від – 0,05 до + 0,05
Зауваження: У таблиці прийняті наступні позначення: п + – легкі позитивні 
іони; п - – легкі негативні іони; П – показник полярності 
74
П = (п + - п -)/( п + + п -)
- 1< П < + 1, при рівності позитивних і негативних іонів П = 0.
Джерелом  іонізуючих  випромінювань  можуть  бути:  джерела  живлення 
(вакуумні  випрямні  кенотрони  і  тиратрони,  генераторні  лампи);  активне 
середовище  (радіонукліди:  тритій,  радіоактивні  матеріали  й  ін.);  пристрої 
накачування ЛР (пучками електронів, протонів, зарядженими осколками ядерних 
реакцій  і  рентгенівським  випромінюванням);  досліджуване  середовище  (при 
взаємодії  потужного  ЛВ  з  досліджуваним  середовищем  може  виникати 
рентгенівське випромінювання, а також нейтрони, якщо середовище, являє собою 
термоядерне паливо: дейтерій, суміш тритію з дейтерієм); комбіновані установки 
(на  яких  використовується  незалежно  один  від  одного  ЛВ  й  іонізуюче 
випромінювання  від  стороннього  джерела)  і  випромінювання  рентгенівських  і 
гамма-ЛР.
Під  час  роботи  імпульсних  ламп  і  газорозрядних  трубок  генеруються 
ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання, а при роботі імпульсних ламп 
накачування  —  випромінювання  видимого  діапазону  високої  інтенсивності. 
Найбільш небезпечними є випадки самовільного розряду розекранованих ламп, 
тому що при цьому персонал не встигає вжити заходів обережності. Джерелами 
інфрачервоного випромінювання є самі ЛУ, нагріті матеріали і т. д. Припустима 
густина потоку інфрачервоного й ультрафіолетового випромінювань не повинні 
перевершувати допустимі значення наведені у табл. 4.2.
Таблиця 4.2 Допустимі густини потоку інфрачервоного та ультрафіолетового 
випромінювання
Довжина хвилі, нм Допустима густина потоку енергії, Вт/м2
Інфрачервоне випромінювання
760 – 1500 100
1500 – 3000 120
3000 – 4500 150
4500 – 10 000 120
Ультрафіолетове випромінювання
400 – 320 10
320 – 280 0,05
280 - 200 0,001
75
Зауваження:  1.  Допустима  інтегральна  густина  потоку  інфрачервоного 
випромінювання  не  повинна  перевищувати  70  Вт/м2 при  користуванні 
повсякденним одягом і 140 Вт/м2 при наявності спеціальних засобів захисту. 2. При 
ультрафіолетовому випромінюванні обов’язковий захист органів зору та шкіри. 
При роботі імпульсних ЛР виникають звукові, ультразвукові та інфразвукові 
коливання високої інтенсивності, а при роботі механічних затворів і ротаційних 
насосів – шум.
Шкідливим  фактором  є  також  електромагнітне  випромінювання  (поле), 
використовуване для накачування.
У рідинних ЛР використовуються, як правило, агресивні і  токсичні рідини 
(наприклад,  оксихлорид  фосфату),  що  вимагає  застосування  спеціальних 
запобіжних заходів  при виконанні  операції  заливання,  заміни і  зливу,  а  також 
заходів для виключення можливості виходу рідини назовні через несправність чи 
ушкодження систем трубопроводів.
Якщо для  охолодження ЛР використовується  рідина,  що містить  токсичні 
речовини,  повітря  приміщення  може  забруднюватися  газами  чи  парами,  що 
виділяються  з  недостатньо  щільних з’єднань  у  системі  судин і  трубопроводів. 
Використання  для  охолодження  рідкого  азоту  чи  гелію  може  призвести  до 
утворення  рідкого  кисню,  що  збільшує  ймовірність  виникнення 
вибухонебезпечних ситуацій.
Усі перераховані небезпечні і шкідливі фактори розподіляють за походженням 
на  дві  основні  групи.  До першої  групи відносяться  фактори,  виникнення яких 
зв’язане з власною роботою ЛР, до другої групи – фактори, походження яких є 
результатом взаємодії ЛВ з оброблюваними матеріалами чи з різними елементами, 
необхідними для виконання маніпуляцій з лазерним променем, табл. 4.3
4.3 Механізми дії лазерного випромінювання
Механізм біологічної дії ЛВ на оператора складний і різноманітний і залежить 
від  енергетичної  експозиції  в  імпульсі  чи  енергетичної  освітленості,  довжини 
хвилі,  тривалості  імпульсу,  частоти  повторення  імпульсів,  тривалості  впливу, 
76
площі ділянки, що опромінюється, від біологічних і фізико-хімічних особливостей 
опромінюваних тканин і органів.
Під впливом ЛВ в організмі  виникають первинні  біологічні  ефекти,  тобто 
органічні  зміни  в  опромінюваних  тканинах,  і  вторинні  ефекти  –  неспецифічні 
зміни, що виникають в організмі у відповідь на опромінення.
Лазерне випромінювання здійснює на людину наступні впливи:
термічне (теплове) – при фокусуванні ЛВ виділяється значна кількість тепла в 
невеликому об'ємі зa короткий проміжок часу;
енергетичне  –  великий  градієнт  електричного  поля,  обумовлено  високою 
щільністю потужності; може викликати поляризацію молекул, електрострикцію, 
резонансні й інші ефекти;
утворення у межах клітини мікрохвильового електромагнітного поля;
фотохімічне;
механічне  проявляється  у  виникненні  коливань  типу  ультразвукових  в 
опромінюваному організмі;
розщеплення білків;
генетичний розпад молекул РНК та ДНК кислот і поступове відмирання клітин 
зі зміненим генетичним кодом;
гуморальна функція, зв’язана з отруєнням трупною отрутою (вплив продуктів 
розкладання). 
Найбільш вивченим у даний час є термічний вплив лазерних випромінювань.
Установлено вибірне поглинання лазерної енергії клітинами, що містять певну 
речовину.  В  основі  біологічної  дії  будь-якого  випромінювання  лежить  ступінь 
поглинання енергії біологічними структурами, що визначається величиною кванта 
(E=hν ).  Таке  випромінювання  добре  поглинається  в  організмі  пігментними 
утвореннями, цитохромами клітин, молекулами гемоглобіну й ін.
Ще більша кількість біологічних елементів тканин організму людини і тварин 
поглинають  інфрачервоне  випромінювання.  При  цьому  інфрачервоне 
випромінювання  ближньої  області  поглинається  тими  ж  біологічними 
структурами,  що  і  випромінювання  видимого  спектра.  Інфрачервоне 
77
випромінювання дальньої області взаємодіє, головним чином, із тканинами, що 
містять воду.
Таблиця 4.3  Класифікація небезпечних і шкідливих факторів ЛР і ЛУ за їх 
походженням
Небезпечні і шкідливі фактори Джерела (причини) виникнення
Перша група
Пряме лазерне випромінювання Лазер
Імпульсні світлові спалахи Випромінювання імпульсних ламп накачування
Ультрафіолетове й Випромінювання імпульсних ламп накачування; кварцові 
інфрачервоне випромінювання газорозрядні трубки і кювети
Іонізація повітря при розрядці імпульсних ламп 
Озон і оксиди азоту
накачування
Шум Робота допоміжних елементів лазерної установки
Рентгенівське випромінювання: Лазер з робочою напругою, кВ:
м'яке 10—60
середньої жорсткості 60—120
жорстке Понад 120
Електромагнітні поля ВЧ- і ЗВЧ-накачка
радіочастот
Агресивні і токсичні рідини Активне середовище, охолоджуючі рідини
Накачування ЛР пучками електронів, протонів, 
Іонізуюче  випромінювання зарядженими осколками ядер-них реакцій і рентгенівським 
випромі-нюванням; рентгенівські і гама -ЛР
Друга група
Дифузно і дзеркально відбите Взаємодія лазерного променя з різними елементами по 
лазерне випромінювання ходу променя
Розсіяне лазерне Взаємодія лазерного променя з частками повітряного 
випромінювання середовища
Імпульсні світлові спалахи Випромінювання плазменного смолоскипа
Звукові імпульси в результаті «удару» лазерного променя 
Імпульсний шум
по оброблюваному матеріалу
Забруднення повітряного Продукти деструкції, отримувані при обробці матеріалів 
середовища аерозолями лазерним променем
Електричні поля високої Взаємодія особливо потужного ЛВ з речовиною, що 
інтенсивності обробляється
Іонізуюче випромінювання Активне середовище
Комбіновані Стороннє джерело
Теплова  дія  ультрафіолетових  випромінювань  при  високих  рівнях  енергії 
може бути досить вираженою. Ці випромінювання можуть викликати еритему і 
пігментацію, хемолюмінесценцію біологічних структур. Вони мають генетичну і 
канцерогенну дію.
78
Термічна  дія  ЛВ  має  свою  специфіку.  Так,  при  впливі  випромінювання 
імпульсного  ЛР  в  опромінених  тканинах  відбувається  швидке  нагрівання  тих 
структур, що добре поглинають цю енергію. Причому, якщо це випромінювання 
відповідає режиму вільної генерації, то за час імпульсу (який триває в межах 1 мс) 
тепло  встигає  впливати  на  досить  великий  об’єм  тканин  і  викликати  їхнє 
ушкодження, що має характер термічного опіку.
При  дії  випромінювання  з  укороченим  імпульсом  (випромінювання  ЛР  у 
режимі модульованої добротності з тривалістю імпульсу τ = 10–7 – 10-12 с) тепло 
практично не встигає поширитися в навколишні тканини і рідину. У результаті 
цього адсорбувавши енергію структури миттєво нагріваються до дуже високих 
температур.  Таке  миттєве  нагрівання  викликає  подобу  вибуху  опромінених 
тканинних елементів,  зокрема,  пігментних утворень,  наприклад,  меланіну.  При 
впливі на очне дно це випромінювання приводить до важких ушкоджень (розриви, 
розшарування сітківки, кровотечі).
Під  впливом  дії  ЛВ  відбувається  порушення  життєдіяльності  як  окремих 
органів,  так і  організму в цілому. При дії  на клітини, тканини й органи в них 
виникають гістохімічні та біологічні зміни, а також патофізиологічні ефекти. У дії 
випромінювання на складні біологічні структури розрізняють три стадії: фізичну, 
фізико-хімічну і хімічну.
На  першій  стадії  (фізичній)  відбуваються  елементарні  взаємодії 
випромінювання з речовиною, при цьому речовина нагрівається, спостерігаються 
фазові  переходи  в  матеріалі  клітини,  кавітація  у  фізіологічних  рідинах, 
перетворення енергії  випромінювання в енергію механічних коливань, іонізація 
атомів і молекул, збудження і переведення електронів з валентних рівнів у зону 
провідності, рекомбінація збуджених атомів і ін.
При впливі неперервного ЛВ переважає в основному тепловий механізм дії, 
наслідком якого є коагуляція (згортання) білка, a при великих потужностях – випар 
біотканин.  При потужності  випромінювання в  імпульсі  понад 107 Вт  і  високій 
ступені  фокусування  лазерного  променя  можливе  виникнення  іонізуючих 
випромінювань.
79
В  міру  зменшення  інтенсивності  випромінювання  тепловий  механізм 
ушкодження тканини, що опромінюється, починає поступатися місцем квантовим 
ефектам, що проявляються при поглинанні випромінювання і переносі енергії у 
всіх структурах, що входять до складу біологічної тканини.
На другій стадії (фізико-хімічній) з іонів і збуджених молекул утворюються 
вільні радикали (Н2О2, HO2 і ін.), що володіють високою здатністю до хімічних 
реакцій.
На третій стадії (хімічній) вільні радикали реагують з молекулами речовин, що 
входять до складу тканини, і при цьому виникають ті молекулярні ушкодження, які 
і  визначають  загальну  картину  впливу  лазерного  випромінювання  на 
опромінювану тканину і організм у цілому.
Енергія квантів ультрафіолетового випромінювання в діапазоні довжин хвиль 
0,380-0,006 мкм змінюється в межах 3,26-123 еВ відповідно. Кванти з енергією 12-
15 еВ здатні викликати іонізацію води й атомів кисню, водню, азоту, вуглецю. 
Виходячи з того, що вода і перераховані атоми становлять основу живої тканини, 
випромінювання з енергією 12 еВ розглядають як нижню межу для біологічних 
систем,  а  при  енергії  більш  12  еВ  можливе  ураження  тканини,  викликане 
розкладанням молекулярного кисню з наступним утворенням озону.
Первинною  ланкою  біологічного  ефекту  УФ-випромінювання  є  чисто 
фізичний  процес  поглинання  його  молекулами  біологічних  структур.  Далі, 
внаслідок  реакції  взаємодії  розвиваються  фізико-хімічні  процеси  збудження, 
іонізації і дисоціації, що приведуть до тих чи інших кінцевих біологічних ефектів, і 
головним у механізмі дії є фотохімічний ефект. При цьому напрямок фотохімічних 
реакцій залежить від інтенсивності і  дози опромінення. Малі дози стимулюють 
процеси біосинтезу тканинних колоїдів, сприяють росту і діленню клітин. Великі – 
гнітять  ріст  і  ділення  клітин,  викликаючи  фотоліз,  що  руйнує  клітини.  Зі 
зменшенням  довжини  хвилі  вражаюча  дія  УФ-випромінювання  зростає,  але 
одночасно зменшується його проникаюча здатність, а це, у свою чергу, приводить 
до того, що ушкодження обмежується поверхневими шарами тканин.
80
При впливі потужного імпульсу випромінювання на організм в опромінених 
тканинах виникає ударна хвиля безпосередньо від «удару» самого імпульсу. 
Тиск,  що  надається  лазерним  променем  на  опромінюваний  об’єкт 
визначається за формулою:
p=W(l+ρ)/с,
де  с  –  швидкість  світла  у  вакуумі;  W –  інтенсивність  випромінювання  в 
площині об’єкта; ρ – коефіцієнт відбивання даного випромінювання від поверхні 
опромінюваного об’єкта. При W = 3∙109 Вт/см2 і ρ = 0,5 р ≈ 1,5∙105 Па.
Механічна дія ЛВ. Поява ударної хвилі обумовлена виникненням градієнтів 
тиску усередині опромінюваної системи за рахунок об’ємного розширення (як зі 
зміною фазового стану, так і без нього), викликаного короткочасним локальним 
нагріванням тканини, а також імпульсом віддачі при випарі біотканин з поверхні. 
Теплове  розширення  може  виникнути  на  поверхні  або  у  внутрішній  зоні 
опромінюваної  тканини,  механічні  навантаження  при  цьому  характеризуються 
величинами порядку десятків Паскалей.
Висока  інтенсивність  потоку  ЛВ  супроводжується  ударною  хвилею  такої 
сили,  при  якій  ушкоджуються  і  внутрішні  органи.  Наприклад,  опромінення 
поверхонь грудної клітки, черевної стінки, голови викликає ушкодження печінки, 
кишечнику й інших органів черевної порожнини, а також внутрішньоклітинні і 
внутрімозкові крововиливи.
Механічний  ефект  випромінювань  лазерів,  що  працюють  в  імпульсному 
режимі, містить у собі не тільки дію ударної хвилі, але й інші механічні явища. 
Важливим ефектом є  реактивна  дія  на  тканину,  що виникає  внаслідок  викиду 
речовини з поверхні об’єкта, що опромінюється.
При  опроміненні  шкірних  покривів  імпульсними  ЛВ  з  щільністю  потоку 
енергії  40  Дж/см2 і  більше  над  поверхнею  шкіри  виникає  короткочасне 
(вулканоподібне) здуття, а потім і викид дрібних часток у вигляді «султана». При 
впливі  на  очі  чи  шкіру  імпульс  випромінювання  суб’єктивно  відчувається  як 
короткий точковий удар.
81
Тому що біологічні тканини дуже неоднорідні за своєю анатомо-фізіологічною 
структурою, у зоні опромінення термічний і механічний впливи супроводжуються 
вторинними  ефектами:  гідродинамічним  стиском  і  розрідженням  середовища, 
появою негативного тиску у певних ділянках середовища й іншими, котрі можуть 
приводити  до  більш  виражених  патоло-гічних  змін  у  зоні  опромінення  і 
збільшувати площу ушкодження.
Зі збільшенням енергії в імпульсі випромінювання ударна хвиля може досягти 
таких значень, при яких струс розподіляється в більш глибоко залягаючі тканини 
організму, а частина енергії проникає через шкірні покриви, підшкірну клітковину, 
кісткову тканину і досягає внутрішніх органів [З, 4].
Електрострикція – деформація молекул в електричному полі ЛВ, пропорційна 
квадрату напруженості електричного поля Е і проявляється як зміна густини
ΔV/V = AE2,
де ΔV/V – відносна об’ємна деформація; А – постійна електрострикції;
А = β∙ρ∙(∂ε ⁄ ∂ρ) ⁄ 2π;
β – стискаємість; ρ – густина; ε – діелектрична проникність середовища.
Ушкодження внутрішніх органів виникають у результаті не тільки механічної 
дії  випромінювання,  але  й  як  наслідок  безпосереднього  впливу  енергії  ЛВ  на 
тканини  внутрішніх  органів.  При  експлуатації  потужних  ЛР  збільшується 
небезпека ушкодження внутрішніх органів і головного мозку при впливі прямого 
ЛВ чи дзеркально відбитого.
До  числа  специфічних  ефектів  біологічної  дії  ЛВ  відносяться  зміни 
генетичних,  ферментативних  і  інших  властивостей  тканин,  а  також  деяких 
властивостей крові,  зрушення біохімічних показників.  В основі специфічної дії 
випромінювань  лежать  складні  процеси,  спричинені  вибірним  поглинанням 
електромагнітної  енергії  тканинами,  а  також  електричними  і  фотохімічними 
ефектами.
Високий градієнт електричного поля, обумовлений великою щільністю енергії 
ЛВ,  може  викликати  поляризацію  молекул,  резонансні  й  інші  явища.  При 
потужностях  ЛВ,  що  доходять  до  сотень  мегаватів,  можливі  процеси  іонізації 
82
біомолекул, генерація гармонік, багатофотонні процеси й ін. Так, наприклад, при 
впливі  рубінового  випромінювання  (λ  =  0,69  мкм)  можна  отримати  ефект, 
аналогічний  ефекту  випромінювання  УФ-лазера.  Ця  можливість  заснована  на 
процесі поглинання, коли внаслідок високої енергетичної щільності енергії ЛВ два 
окремих фотони беруть участь у єдиному процесі поглинання. Ефект двофотонного 
поглинання може виявлятися у вигляді органічних змін патологічного характеру й 
у вигляді функціональних зорових реакцій.
У механізмі дії ЛР, що працюють у режимі неперервного випромінювання, 
ведуче місце займає термічна чи специфічна дія, а механічні ефекти (ударні хвилі й 
ін.)  не  мають істотного значення.  Значення механічних ефектів  зростає в  міру 
укорочення  імпульсу  і  підвищення  потужності  випромінювання  (імпульсно-
модульований режим).
Під  впливом  енергії  ЛВ  невеликої  інтенсивності  виникають  різні 
функціональні зміни, при цьому найбільш «реактивними» є зоровий аналізатор, 
центральна нервова, ендокринна і серцево-судинна системи. Характер і виразність 
функціональних  змін  залежить  від  параметрів  ЛВ  (довжина  хвилі,  експозиція, 
тривалість і частота повторення імпульсу, чи рівень інтенсивності випромінювання 
і  частота  впливу),  а  також від  реактивності  організму,  характеру  і  локалізації 
впливу (пряме чи дифузійно відбите випромінювання, опромінюються очі чи інші 
частини організму). Функціональні зрушення більш виражені при комбінованій дії 
на  організм  ЛВ  і  інших  факторів  (шум,  мікроклімат,  освітленість,  кисневе 
голодування,  підвищена  стомлюваність,  вітамінне  голодування  й  ін.). 
Випромінювання ЛР великої потужності викликає гормональні зрушення.
4.4 Вплив лазерного випромінювання на очі
Найбільш  чутливими  до  впливу  ЛВ  є  очі.  Око  людини  розрізняє 
випромінювання у видимій області спектра 0,4-0,76 мкм. Однак середовище ока 
здатне пропускати випромінювання в більш широких межах спектра – 0,4-1,4 мкм.
83
Рисунок 4.1 - Залежність пропускної здатності Тλ середовища ока (а) і поглинаючої 
здатності Кλ тканин дна ока (б) від довжини випромінювання
Найкраща пропускна здатність ока знаходиться в області 0,5-0,9 мкм (рис. 9.1, 
а). Отже, у залежності від довжини хвилі випромінювання відбуваються зміни в 
тканинах очного дна або в передньому відділі ока. Таким чином, ефект впливу, 
лазерного випромінювання на орган зору в значній мірі залежить від спектрального 
діапазону випромінювання. 
Ушкодження сітчастої оболонки виникає переважно при впливі ЛВ видимого і 
ближнього інфрачервоного діапазонів спектра, що проходять через око майже без 
втрат  і  фокусуються  на  сітківці.  У  результаті  цього  на  сітківці  створюється 
локальна щільність енергії, у 105 раз більша у порівнянні з щільністю енергії на 
роговиці. Тому влучення ЛВ зазначених довжин хвиль небезпечно для зору, воно 
викликає опіки і розриви, приводить до ушкодження сітківки і судинної оболонки 
ока і є причиною сліпоти.
Щільність енергії (потужність) на сітківці ока зростає при збільшенні діаметра 
зіниці, тому імовірність ушкодження ока, адаптованого до темряви, більша, ніж 
імовірність ушкодження в умовах яскравого освітлення.
Для  випромінювань  з  довжинами хвиль  менше 0,4  мкм і  більше  1,4  мкм 
оптичні середовища ока є непрозорими, і тому фокусуюча дія відсутня.
Спектральний  інтервал  УФ  з  погляду  характеру  біологічних  ефектів 
поділяється на три області: ультрафіолет А – UV – A (0,315-0,4 мкм), В – UV – В 
(0,28-0,315 мкм) і С – UV – С (0,1-0,28 мкм). Випромінювання з довжиною хвилі λ < 
84
0,2 мкм поглинається киснем повітря з утворенням озону і тому істотної біологічної 
ролі не грає.
Вплив  УФ  на  орган  зору  в  основному  приводить  до  враження  роговиці 
(кератит). Найбільшою фотокератичною дією володіє випромінювання з довжиною 
хвилі 0,288 мкм.
Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі λ ≤ 0,32 мкм практично 
цілком  поглинається  у  роговій  оболонці  та  кон’юнктиві  і  викликає  їхнє 
ушкодження  –  різного  ступеня  враженості  кон’юнктивіт  і  фотокератит,  які 
супроводжуються  світлобоязню,  блефароспазмом,  сльозотечею  і  болючими 
відчуттями. У важких випадках може виникнути виразка рогової оболонки, аж до її 
перфорації.  Випромінювання  у  цій  області  спектра  характеризується 
кумулятивною дією, причому реакція організму, відома як відчуття «піску в очах», 
виявляється не відразу, а опісля від 30 хв до 1 доби.
Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі λ ≤ 0,38 мкм приводить 
також до ушкодження переднього відділу ока. Механізм ушкодження обумовлений 
як тепловим, так і специфічною фотобіохімічною дією цього випромінювання, яке 
викликає  абіотичні  ушкодження.  При  високій  інтенсивності  опромінення 
з’являються пухирі, іноді невеликі крововиливи. Після гострої реакції поверхневі 
шари епідерми відриваються,  а в глибоких шарах з’являється пігментація.  При 
важких  ушкодженнях  утворюються  тромби  в  судинах  шкіри,  що  викликає 
дегенерацію  і  некроз  епітелію.  Ультрафіолетове  випромінювання  області  А 
відповідає невидимому інтервалу спектра, і його патологічний ефект виражається в 
утворенні катаракти.
У  видимому  діапазоні  випромінювання  проходить  без  особливих  реакцій 
через оптичні середовища ока і впливає головним чином на світлочутливі клітки 
сітківки,  викликаючи  чи  тимчасове  осліплення,  чи  опік  з  наступними 
рубцюваннями, що приводить до втрати зору в даній області зорового простору. 
Випромінювання цього діапазону можуть викликати дефект тканини, злипаюче 
запалення, ущільнення тканини і механічне руйнування тканини з викидом крові.
85
Інфрачервоне випромінювання (ІФ) підрозділяється на наступні три області: 
діапазон IR – А (0,78-1,4 мкм), IR – B (1,4-3 мкм) і IR – С      (3 мкм - 1 мм).
Установлено,  що  при  λ  ≥  1,4  мкм  практично  всі  попадаючі  на  око 
випромінювання поглинають роговиця ока і волога передньої камери, а при λ ≥ 1,9 
мкм випромінювання поглинає тільки роговиця.  Інфрачервоне випромінювання 
помірної інтенсивності приводить до нагрівання біологічних структур, для яких 
можливе настання режиму теплової рівноваги.
Випромінювання в діапазоні IR – А поглинається райдужною оболон-кою, 
кришталиком і  склоподібним тілом.  Багата  пігментом райдужна обо-лонка  ока 
нагрівається, і за рахунок теплопровідності виникає коагуляція білка кришталика. 
Ураження очей при цьому відбувається через тривалий проміжок часу. Нагрівання 
райдужної оболонки викликає дратівне відчуття і мигальний рефлекс. При великих 
густинах  енергії  осліплення  необоротне  внаслідок  температурного  помутніння 
кришталика.
Інфрачервоне  випромінювання  з  λ  =  1-1,64  мкм  поглинається  переваж-но 
роговою оболонкою. Цей діапазон вважається найменш небезпечним для ока, тому 
що ураження виникають поверхневі, тимчасового характеру і тіль-ки при великих 
густинах енергії випромінювання.
Високоінтенсивне  випромінювання  IR  –  А  поглинається  пігментними 
утвореннями очного дна, викликаючи їх нагрів. Перегрів клітин до температури 
вище  37  °С  призводить  до  різкого  перевантаження  механізмів  клітини, 
відповідальних  за  очищення  від  речовин  продуктів  обміну,  що  утрудняє  її 
функціонування.  Нагрів  до  температури  вище  45  °С  викликає  переродження 
клітинних  ферментів  і  загибель  клітини.  Якщо  ж  клітина  нагрівається  до 
температури  вище  100  °С,  то  внаслідок  пароутворення,  яке  має  при  високій 
швидкості  нагрівання  характер  вибуху,  можуть  спостерігатися  механічні 
руйнування  тканин  ока,  які  опромінюються.  Подібні  процеси  обумовлюють 
ушкодження тих тканин ока, які на довжині хвилі випромінювання інтенсивно її 
поглинають.
86
Випромінювання з λ = 10,6 мкм добре поглинається і нагріває ті тканини, що 
містять велику кількість води (рогова оболонка, кон’юнктива). Граничні зміни в 
роговій  оболонці  (вміст  води  70  %)  спостерігаються  при  щільності  потоку 
випромінювання  порядку  десятих  часток  вата  на  квадратний  сантиметр.  При 
великих рівнях випромінювання (20 Вт/см2) виникає стійке помутніння рогової 
оболонки [2-4; 15].
Як бачимо у залежності від довжини ЛВ різною є  і локалізація ушкодження 
органа зору.
Імпульсне ЛВ з λ = 0,4-1,4 мкм становить більшу небезпеку, ніж неперервне, 
тому що в цьому випадку ушкодження очного дна викликається комбінованою 
дією – термічною і  механічною.  Механічна дія  випромінювання виявляється у 
вигляді «вибуху» зерен меланіну (високомолекулярні водонерозчинні пігменти), у 
результаті чого зерна пігменту викидаються у склоподібне тіло.
Мимовільні рухи очного яблука приводять до того, що окремі ділянки сітківки 
змінюють  своє  положення  щодо  падаючого  випромінювання  багато  разів  у 
секунду. Тому неперервне й імпульсно-періодичне випромінювання викликають 
ушкодження сітківки в області, значно більшій, ніж площа сфокусованого на ній 
зображення,  навіть  у  тому  випадку,  якщо  під  час  опромінення  пучок  не 
відхиляється від прямої лінії бачення.
Таким  чином,  лазерне  випромінювання  здійснює  шкідливу  дію  на  всі 
структури  органів  зору.  У  міру  збільшення  щільності  енергії  випромінювання 
ступінь ураження та зміни тканин ока зростає. Основний механізм ушкоджень – 
теплова дія.
4.5. Вплив лазерного випромінювання на шкіряний покрив і внутрішні 
органи
Опромінення шкіри ЛВ може викликати в ній патологічні зміни, при цьому 
можливо виникнення як легких функціональних змін (почервоніння), так і важких 
(некроз – омертвіння, карцинома шкіри – злоякісна пухлина).
87
При впливі  потужного ЛВ на шкірі  виникає термічний опік.  Вплив більш 
високих енергій приводить до більш глибоких некротичних змін. При впливі ЛВ з 
енергією понад 100 Дж/см2 на шкірі виникає ділянка некрозу з кратероподібною 
деформацією.
Малі  рівні  також  впливають  на  організм.  Однократний  імпульс 
випромінювання здійснює більшу дію, ніж серія імпульсів.  Так,  неодимове ЛВ 
викликає  такі  ж  видимі  зміни  на  шкірі  при  рівні  енергії  20-25  Дж/см2,  як  і 
багаторазове (5 імпульсів протягом 2 с) при енергії в одиницях Дж/см2. Слабкий 
вплив  випромінювання  на  шкіру  супроводжується  змінами  функціонального 
характеру.  Ефект  впливу  на  шкірні  покриви  визначається,  з  одного  боку, 
параметрами ЛВ, з іншого, – ступенем пігментації шкіри і станом кровообігу. За 
інших  рівних  умов  опромінення  темнопігментована  шкіра  (особливо  родимі 
плями) поглинає лазерне випромінювання значно більше, ніж світла шкіра. У той 
же  час  відсутність  достатньо  вираженої  пігментації  створює  умови  для  більш 
глибокого проникнення випромінювання у шкіру і навіть під шкіру, унаслідок чого 
можуть уражатися і підшкірні тканини. Мало пігментована шкіра пропускає від 45 
до 60 % випромінювання рубінового ЛР, а шкіра разом з підшкірними м’язами – від 
25 до 30 %.
Найбільший біологічний вплив здійснює ЛВ з довжинами хвиль 0,28-0,32 мкм. 
Воно більш глибоко проникає в шкіру і має виражену, канцерогенну дію. Біологічні 
ефекти,  що виникають при опроміненні  шкіри ЛВ у значній мірі  залежать від 
довжини його хвилі. Так при дії УФЛВ найбільш характерними ураженнями є: різні 
фотохімічні реакції, еритема, розриви хімічних зв’язків у більшості молекул, що 
входять  до  складу  живої  тканини,  різні  переродження,  стимулювання  появи 
новоутворень, утворення вільних радикалів, дія на внутрішні органи. При дії ЛВ 
видимого діапазону в основному проявляється його термічна дія. А при дії ЛВ ІЧ-
області спектра найбільш характерними проявами є: виражені деструктивні зміни 
термічного  характеру  (опіки  різного  ступеня),  мікроскопічні  (гістологічні  і 
гістохімічні) зміни, ураження внутрішніх органів. Зазначимо, що як наслідок дії ЛВ 
88
можуть  виникати  зміни  в  органах  дихання,  серцево-судинній  та  ендокринній 
системах, порушення обміну речовин.
Зокрема при однократному впливі ЛВ з довжиною хвиль 1,06 мкм і щільністю 
енергії до 10 Дж/см2 видимих змін на шкірі не виявляється, однак в епідермісі 
виникає гіперкератоз і паракератоз, а в дермі –гіперемія і проліферація гістоцитів. 
Уже при щільності енергії 20 Дж/см2 з’являються видимі ознаки ушкодження – 
некротичні зміни; при 50 Дж/см2 – дрібні крововиливи і некроз усієї дерми, у центрі 
впливу руйнувалися придатки шкіри; при 150 Дж/см2 – некроз поширюється за 
межі зони опромінення, а при 250-400 Дж/см2 – некроз захоплював усю товщу 
шкіри і підшкірної клітковини, аж до м’язів.
Одним з найбільш часто зустрічаємих ознак ушкодження шкіри є набрякання 
жирових клітин у глибоких шарах сполучної тканини. Існує різка границя між 
ушкодженими і неушкодженими тканинами. Пузир лазерного опіку, на відміну від 
звичайного термічного,  локалізується глибше.  Сфокусований лазерний промінь 
викликає більш виражені по глибині і тяжкості ураження, ніж не сфокусований, три 
цьому характер і тяжкість ушкодження шкіри залежать від параметрів ЛВ, а також 
від абсорбційної і відбивної здатності шкіри, ступеня її гетерогенності, вмісту води 
і теплопровідності.
У деяких випадках відзначається підвищена чутливість шкіри обличчя людини 
до випромінювань видимого спектра (синьо-зелена область). Реакція шкіри на ЛВ 
виявляється в почервоніннях, набряклості, почутті сверблячки і печіння, болючих 
відчуттях.
При  впливі  на  шкіру  ЛВ  невеликої  інтенсивності  в  організмі  виникають 
загальні функціональні біохімічні зміни: підвищення вмісту цукру і холестерину в 
крові,  зменшення  кількості  еритроцитів,  гемоглобіну,  збільшення  кількості 
лейкоцитів  і  тромбоцитів,  зрушення  в  системі  згортання  крові,  коливання 
артеріального  тиску,  загальна  слабість,  сонливість,  нездужання,  зміна  частоти 
скорочення серця, тупий головний біль у лобово-скроневих і потиличних областях, 
запаморочення,  колючі  болі  і  неприємні  відчуття  в  області  серця,  пригнічення 
сухожильних рефлексів, тремтіння пальців рук і вік, розлад діяльності зорових і 
89
інших  аналізаторів,  гноблення  функції  органів  слуху,  порушення  функцій 
вестибулярного апарата, функціональні розлади в діяльності нервової і серцево-
судинної систем, зменшення частоти пульсу.
При великих інтенсивностях опромінення можливі ушкодження внутрішніх 
органів, які мають характер набряків, крововиливу, кровотечі, омертвіння тканин і 
ін. Вплив на кров виражається в деформації червоних кров’яних тілець, руйнуванні 
оболонки еритроцитів.
Важливою  особливістю  впливу  ЛВ  на  внутрішні  органи  є  чергування 
ушкоджених і неушкоджених шарів тканин. Це зв’язано з ефектом стоячих хвиль, 
що утворюються в результаті відбиття падаючого випромінювання від кісткових 
поверхонь  чи  границь  між  різними  т  тканинами.  Ушкоджені  ділянки  тканини 
збігаються  з  пучностями,  де  щільність  потоку  енергії  багаторазово  зростає  в 
порівнянні з щільністю потоку енергії падаючого випромінювання.
4.6. Планове технічне обслуговування та перевірки
Регулярне  технічне  обслуговування  та  перевірки  є  важливими,  щоб 
забезпечити справність засобів безпеки та відсутність несправностей в обладнанні. 
Відповідні заходи контролю можуть вберегти всіх від опромінення та нещасних 
випадків за допомогою цих перевірок технічного обслуговування.
Планова перевірка технічного обслуговування може включати наступне: 
- огляд обладнання і безперервний моніторинг;
- перевірка фільтрів та окулярів на наявність подряпин та зміни кольору;
- очищення лінз належними інструментами перед початком роботи; 
- аудит безпеки процедур лазерної обробки; 
- аудит кількості персоналу та його кваліфікації; 
- перевірка аварійних запасів на випадок найгірших сценаріїв;
- перевірка систем блокування; 
- перевірка усіх кабелів, ізоляції та струмопровідні частини проводів.
90
Висновок до розділу 4
У даному розділі проаналізовано небезпечні та шкідливі виробничі фактори, 
що виникають під час експлуатації лазерних установок, і розглянуто вимоги до 
забезпечення  безпеки  праці  при  виконанні  лазерної  термообробки  деталей. 
Визначено основні джерела лазерного випромінювання та пов’язані з ними ризики 
для органів зору, шкірного покриву й внутрішніх органів, а також можливі наслідки 
дії супутніх факторів (іонізуючих, електромагнітних, шумових, вібраційних тощо). 
Сформульовано  комплекс  організаційних  і  технічних  заходів,  спрямованих  на 
мінімізацію  впливу  цих  факторів:  раціональне  планування  робочих  місць, 
використання  колективних  і  індивідуальних  засобів  захисту,  екранування  та 
блокування  небезпечних  зон,  дотримання  нормативних  значень  параметрів 
випромінювання. Реалізація зазначених заходів забезпечує безпечні умови праці 
персоналу та сприяє надійній і ефективній експлуатації лазерного технологічного 
обладнання.
91
Загальний висновок
1. У  кваліфікаційній  роботі  магістра  проведено  комплексне  дослідження 
процесу  лазерного  зміцнення  елементів  пар  тертя  з  корозійностійких 
сталей  95Х18  та  12Х18Н10Т  з  метою підвищення  їх  зносостійкості  та 
довговічності. На підставі виконаного аналізу, теоретичних узагальнень і 
експериментальних  досліджень  отримано  такі  основні  результати  та 
висновки.
2. Обґрунтовано актуальність застосування методів поверхневого зміцнення 
для підвищення конструкційної міцності та ресурсу деталей машин, що 
працюють  в  умовах  інтенсивного  тертя,  змінних  навантажень  та  дії 
корозійно-активних середовищ. Показано, що для елементів пар тертя з 
корозійностійких сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т особливої уваги потребує 
цілеспрямована модифікація поверхневого шару.
3. Проаналізовано  сучасні  методи  поверхневого  зміцнення  металевих 
матеріалів та встановлено, що лазерна термообробка є одним із найбільш 
перспективних  напрямів  підвищення  експлуатаційних  властивостей 
корозійностійких  сталей.  До  її  переваг  віднесено  високу  концентрацію 
енергії, можливість локальної обробки, мінімальні деформації деталі, точне 
керування режимами та сумісність із автоматизованими і роботизованими 
технологічними комплексами.
4. Обґрунтовано  вибір  корозійностійких  сталей  95Х18  та  12Х18Н10Т  як 
об’єктів дослідження. Сталь 95Х18 характеризується високою твердістю і 
зносостійкістю  після  термообробки,  а  сталь  12Х18Н10Т  –  високою 
корозійною  стійкістю,  пластичністю  та  теплостійкістю.  Разом  з  тим 
встановлено, що їх природні триботехнічні характеристики у ряді випадків 
є  недостатніми,  що  зумовлює  необхідність  застосування  лазерного 
зміцнення поверхневого шару.
5. Установлено,  що  лазерне  термозміцнення  сталі  95Х18  забезпечує 
формування  дрібнодисперсної  загартованої  структури  з  підвищеною 
92
мікротвердістю поверхневого  шару  (до  значень  близько  900–910  HV у 
оптимальних  режимах),  що  сприяє  зростанню  зносостійкості  та  опору 
втомному руйнуванню. Визначено раціональні значення перекриття треків, 
за  яких  досягається  рівномірний  розподіл  мікротвердості  по  довжині 
обробленої ділянки при прийнятній глибині зони зміцнення та мінімальних 
деформаціях деталі.
6. Показано, що для сталі 12Х18Н10Т лазерна термообробка також приводить 
до підвищення мікротвердості та зміцнення поверхневого шару за рахунок 
інтенсивних деформаційних процесів і швидкого охолодження. Разом з тим 
встановлено, що характер структурних перетворень та ступінь зміцнення 
істотно залежать від режимів обробки й умов тепловідводу, а величина 
геометричних деформацій у більшості режимів є меншою, ніж для сталі 
95Х18, що є позитивним фактором для деталей з високими вимогами до 
точності.
7. Виявлено  вплив  основних  технологічних  параметрів  лазерної 
термообробки на формування геометричних параметрів зміцненого шару 
(глибина, ширина, форма перерізу треку) та рівень залишкових напружень. 
Показано,  що  перевищення  раціональних  значень  щільності  енергії 
призводить  до  надмірного  проплавлення,  збільшення  деформацій  та 
можливого  погіршення  геометричної  точності  деталей,  що  необхідно 
враховувати при проектуванні технології.
8. На  основі  аналізу  отриманих  результатів  сформульовано  практичні 
рекомендації  щодо  вибору  раціональних  режимів  лазерного  зміцнення 
елементів пар тертя зі сталей 95Х18 та 12Х18Н10Т. Запропоновано підходи 
до  забезпечення  необхідного  поєднання  мікротвердості,  глибини 
загартованого шару та геометричної стабільності деталей, що може бути 
використано  при  впровадженні  технології  в  умовах  машинобудівних 
підприємств.
9. Розглянуто  питання  охорони  праці  та  безпеки  при  виконанні  робіт  з 
використанням  лазерних  технологічних  установок.  Визначено  основні 
93
небезпечні  та  шкідливі  виробничі  фактори,  пов’язані  з  дією  лазерного 
випромінювання та супутніх фізичних полів,  і  запропоновано комплекс 
організаційних  і  технічних  заходів,  спрямованих  на  забезпечення 
безпечних умов праці обслуговуючого персоналу.
94
Список використаної літератури
1. Фесенко  А.Г.,  Бєчке  К.В.,  Манжеліївський  С.В.  та  ін.  Методи 
поверхневого  зміцнення  у  процесі  виготовлення  деталей  машин:  навч.  посіб. 
Дніпро: РВВ ДНУ, 2015. 104 с. 
2. Ющенко К.А.,  Борисов Ю.С.,  Кузнецов В.Д.,  Корж В.М.  Інженерія 
поверхні: підручник. Київ: Наукова думка, 2007. 559 с. 
3. Burakowski T., Wierzchoń T. Surface Engineering of Metals: Principles, 
Equipment, Technologies. Boca Raton: CRC Press, 1999. 612 p
4. Davis J.R. (ed.). Surface Hardening of Steels: Understanding the Basics. 
Materials Park, OH: ASM International, 2002. 275 p.
5. Lawrence J., Waugh D.G. (eds.). Laser Surface Engineering: Processes and 
Applications. Woodhead Publishing, 2015. 802 p.
6. Steen  W.M.,  Mazumder  J.  Laser  Material  Processing.  4th  ed.  London: 
Springer, 2010. 558 p.
7. Totten G.E. (ed.). Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies. 2nd 
ed. Boca Raton: CRC Press, 2006. 848 p.
8. Krawitz A.D., Chien C.C. Introduction to Diffraction in Materials Science 
and Engineering. 2nd ed. Hoboken: Wiley, 2009. 350 p.
9. Васильєв М.П., Костриця І.В., Литвиненко О.М. Матеріалознавство та 
технологія конструкційних матеріалів: підручник. Київ: Ліра-К, 2016. 624 с.
10. Поплавко Ю.М. Електрофізика твердого тіла: навч. посіб. Київ: НТУУ 
«КПІ», 2009. 600 с. 
11. Dinesh Babu P., Balasubramanian K.R., Buvanashekaran G. Laser surface 
hardening: a review. Int. J. Surface Science and Engineering. 2011. Vol. 5, Nos. 2–3. P. 
131–151. 
12. Łach  Ł.  Recent  Advances  in  Laser  Surface  Hardening:  Techniques, 
Modeling Approaches, and Industrial Applications. Crystals. 2024. Vol. 14, No. 8. 726.
13. Kluczyński J., Jasik K., Łuszczek J., Pokropek J. Laser Surface Hardening of 
Carburized  Steels:  A  Review  of  Process  Parameters  and  Application  in  Gear 
Manufacturing. Materials. 2025. Vol. 18, No. 15. 3623. 
95
14. Khorram A., et al. Nd:YAG laser surface hardening of AISI 431 stainless 
steel; mechanical and metallurgical investigation. Optics and Laser Technology. 2019. 
Vol. 113. P. 82–93. 
15. Li R., Jin Y., Li Z., Qi K. A comparative study of high-power diode laser and 
CO₂ laser surface hardening of AISI 1045 steel. Journal of Materials Engineering and 
Performance. 2014. Vol. 23, No. 9. P. 3085–3091.
16. Tani G., Campana G., Fortunato A., Ascari A. Laser surface hardening of 
martensitic stainless steel hollow parts. CIRP Annals. 2010. Vol. 59, No. 1. P. 211–214. 
17. Telasang G., et al. Wear and corrosion behavior of laser surface engineered 
AISI H13 hot working tool steel. Surface and Coatings Technology. 2015. Vol. 261. P. 
69–78.
18. Soriano C., et al. Effect of laser surface hardening on the microstructure, 
hardness  and  residual  stresses  of  austempered  ductile  iron  grades.  Applied  Surface 
Science. 2011. Vol. 257. P. 7101–7106.
19. Mioković T., et al. Prediction of phase transformations during laser surface 
hardening of AISI 4140 including the effects of inhomogeneous austenite formation. 
Materials Science and Engineering A. 2006. Vol. 435–436. P. 547–555.
20. Cordovilla F., et al. Numerical/experimental analysis of the laser surface 
hardening with overlapped tracks to design the configuration of the process for Cr-Mo 
steels. Materials and Design. 2016. Vol. 92. P. 821–830. 
21. Kassim M.T.E., et al. Mechanical Property Enhancement of Stainless Steel 
by Laser Surface Treatment. Engineering and Technology Journal. 2024. Vol. 42, No. 1. 
P. 50–60. 
22. Tarasova T.V., et al. Features of Laser Treatment of Corrosion-Resistant 
Steels of Austenitic and Carbide Classes. Materials Science Forum. 2020. Vol. 989. P. 
296–302. 
23. Duriagina Z. The influence condition of laser alloying on the properties of 
the layer surface 12X18H10T steel. Proc. 4th PhD Students and Young Scientists Conf.
96
24. Pidgurskyi M.I., Nikiforov Yu.M., Kovalyuk B.P. et al. Laser shock-wave 
effect on properties of near-surface layer of welded joints of austenitic steel. Proc. Int. 
Conf. «DMDP-2015». Ternopil, 2015. P. 117–120.
25. Application of Fiber Laser for Surface Alloying of 95X18 Steel. In: Proc. Int. 
Conf. on Laser Technologies. 2023. P. 1–8. 
26. Grum J.,  et  al.  Laser  surface melt-hardening of  gray and nodular  irons. 
Applied Surface Science. 1997. Vol. 109–110. P. 269–273.
27. Ameri M.H., et al. Investigation into the efficiency of a fiber laser in surface 
hardening of ICD-5 tool steel. Optics and Laser Technology. 2018. Vol. 107. P. 251–259.
28. Moradi M., et al. High power diode laser surface hardening of AISI 4130; 
statistical modelling and optimization. Optics and Laser Technology. 2019. Vol. 115. P. 
150–160
29. Rowshan R. Process control during laser transformation hardening. PhD 
thesis. University of Miskolc, 2012. 180 p.
30. Roy A.,  et  al.  Laser  surface  engineering to  improve wear  resistance  of 
austempered ductile iron. Materials Science and Engineering A. 2001. Vol. 308. P. 142–
149.
31. Telasang G., et al.  Numerical and experimental analysis of laser surface 
hardening with overlapped tracks for tool steels. Optics and Lasers in Engineering. 2014. 
Vol. 56. P. 10–20.
32. Канафоцький  О.А.,  Нікорич  Л.А.  Трибологія:  підручник.  Львів: 
Видавництво Львівської політехніки, 2012. 420 с.
33. Левінський Г.А., Пастухов В.В. Надійність машин та обладнання: навч. 
посіб. Харків: ХНАДУ, 2013. 312 с.
34. Горбунов  М.Ф.,  Кузьменко  В.С.  Конструкційна  міцність  деталей 
машин: навч. посіб. Київ: КНУТД, 2014. 280 с.
35. Коваль  О.М.,  Патлайчук  М.В.  Матеріали  і  технології  підвищення 
зносостійкості деталей машин: монографія. Суми: СумДУ, 2018. 260 с.
36. ISO 7225:2005. Safety devices for gas cylinders — Precautionary labels. 
Geneva: ISO, 2005. 26 p.
97
37. ISO 11553-1:2018. Safety of machinery — Laser processing machines — 
Part 1: General safety requirements. Geneva: ISO, 2018. 46 p.
38. IEC  60825-1:2014.  Safety  of  laser  products  —  Part  1:  Equipment 
classification and requirements. Geneva: IEC, 2014. 232 p.
39. Directive 2006/25/EC of the European Parliament and of the Council of 5 
April 2006 on the minimum health and safety requirements regarding the exposure of 
workers to risks arising from physical agents (artificial optical radiation). Official Journal 
of the European Union. 2006. L114. P. 38–59.
40. Державні  санітарні  норми і  правила «Гігієнічні  вимоги до лазерів і 
лазерних установок» ДСанПіН 3.3.2-007-98. Київ: МОЗ України, 1998. 40 с.
41. Охорона праці в машинобудуванні: навч. посіб. / За ред. І.І. Ткаченка. 
Харків: ХНАДУ, 2015. 360 с.
42. Фізика  твердого  тіла:  підручник  /  За  ред.  М.І.  Перевертайла.  Київ: 
Либідь, 2011. 640 с.
43. Костриця І.В., Литвиненко О.М. Кінетика та термодинаміка фазових 
перетворень у сталях: навч. посіб. Черкаси: ЧДТУ, 2017. 180 с.
44. ASM Handbook.  Volume  4:  Heat  Treating.  Materials  Park,  OH:  ASM 
International, 2013. 892 p.
45. Totten G.E., Howes M.A.H., Inoue T. (eds.). Handbook of Residual Stress 
and Deformation of Steel. Materials Park, OH: ASM International, 2002. 500 p.
46. Davis J.R. (ed.). Stainless Steels. ASM Specialty Handbook. Materials Park, 
OH: ASM International, 1994. 568 p.
47. Sedriks A.J. Corrosion of Stainless Steels. 2nd ed. New York: Wiley, 1996. 
464 p.
48. Callister  W.D.,  Rethwisch D.G.  Materials  Science  and Engineering:  An 
Introduction. 9th ed. Hoboken: Wiley, 2014. 992 p.
49. Shackelford J.F. Introduction to Materials Science for Engineers. 8th ed. 
Pearson, 2014. 720 p.
50. Bhadeshia H.K.D.H., Honeycombe R. Steels: Microstructure and Properties. 
4th ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2017. 460 p
98
51. Totten G.E., Xie L., Funatani K. (eds.). Handbook of Metallurgical Process 
Design. Boca Raton: CRC Press, 2004. 949 p.
52. Davis J.R.  (ed.).  Gear Materials,  Properties,  and Manufacture.  Materials 
Park, OH: ASM International, 2005. 448 p.
53. Modern Developments in Powder Metallurgy. Vol. 15: Surface Engineering 
and Wear. Princeton: MPIF, 1985. 380 p.
54. Zhekova L.T. Effect of the structure and phase composition on the pitting 
corrosion resistance of Cr–N steels with over equilibrium nitrogen content. Proc. 10th Int. 
Conf. on High Nitrogen Steels. Moscow, 2009. P. 300–305. 
55. Metel A., et al. Possibilities of additive technologies for the manufacturing of 
tooling from austenitic  corrosion-resistant  steel  12X18H10T. In:  Proc.  Int.  Conf.  on 
Surface Engineering. 2021. P. 210–218.
56. Методичні  рекомендації  до  підготовки  кваліфікаційної  роботи  для 
здобувачів освітнього ступеня «магістр» зі спеціальності 131 Прикладна механіка 
усіх форм навчання [Електронний ресурс] / [упоряд.: Г.В. Канашевич, Є.Я. Губар, 
О.О. Коваленко, Є.В. Хижняк ; М-во освіти і науки України, Черкас. держ. технол. 
ун-т. – Черкаси : ЧДТУ, 2023. – 34 с.
99
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
