Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Воздействие импульса лазера длительностью 10в-3 сек на металлы и сплавы проявляется, как правило, в нагреве и охлаждении с очень большими скоростями, сопровождаемыми плавлением, испарением и выбросом материала. Такой «термический» механизм подтверждается как скоростным фотографированием процесса воздействия светового импульса на металл, так и определением зон застывшего расплава и термического влияния при исследованиях микроструктуры после облучения. Очень большие градиенты температуры, приводящие иногда к тому, что одно зерно в стали может быть разделено на превращенную и непревращенную части, должны вызывать большие механические напряжения за счет неравномерности термического расширения.
Приведем результаты исследования эффектов деформации и разрушения в области, окружающей кратер в металлических материалах. Изучался широкий круг металлических материалов, в том числе около 30 технически чистых металлов в моно- и поли-кристаллической форме, несколько десятков сплавов на основе железа и цветных металлов, карбиды тугоплавких металлов.
Облучение проводилось с помощью сфокусированного излучения лазера ГОС-3ОМ с энергией в импульсе до 30 дж, длительностью импульса около 10в-3 сек с различными степенями дефокусировки луча. Образцы имели либо полированную поверхность для изучения полос деформации и поворота зерен, либо протравленную для изучения связи расположения трещин со структурой материала, исследование проводилось методами оптической микроскопии и интерферометрии. На большинстве материалов путем изменения степени дефокусировки луча можно было получить различную структуру области, окружающей кратер. Для настоящего исследования имело значение то, что можно было получить поверхность кратера, которая либо переходила, либо не переходила в жидкое состояние в процессе облучения.
Приведем некоторые типичные результаты механического воздействия луча лазера. Нахождение следов пластической деформации в процессе облучения является трудной задачей. По-видимому, по абсолютной величине пластические деформации очень невелики из-за кратковременности действия светового импульса, и на большинстве материалов не наблюдаются обычные деформационные эффекты (изменение формы зерен, образование двойников и полос деформации). Однако при исследовании некоторых сплавов на медной основе удается доказать, что эффект пластической деформации существует.
Особенно четко этот эффект виден при исследовании сплавов медь — 15% платины в упорядоченном состоянии. В этом сплаве при облучении на сравнительно большом расстоянии от кратера (в зоне термического влияния) происходит разупорядочение, т. е. атомы, сдвинувшиеся со своих мест под действием тепловой волны, не успевают вернуться в определенные узлы решетки, что в обычных условиях достигается длительным отжигом. Резкое изменение свойств, проявляющееся, например, в уменьшении твердости при разупорядочении от 65 до 45 кГ/мм2, приводит к возможности возникновения полос скольжения при термической деформации. На рис. 2.1,а приведена фотография полос скольжения в этом сплаве после облучения.
Дальнейшие поиски эффектов деформации в металлах основаны на результатах проведенных ранее исследований дислокационной структуры кристаллических диэлектриков после действия луча лазера. В частности, было показано, что расположение дислокаций в монокристаллах хлористого натрия у места воздействия светового импульса типично для высокотемпературной деформации.
В металлах, как известно, типичным эффектом при высокотемпературной деформации является поворот зерен или проскальзывание по границам, однако большая скорость деформации при действии светового импульса мешает проявлению этого эффекта.
Поворот зерен при металлографическом исследовании полированной поверхности проявляется в выявлении рельефных границ зерен, этот эффект также наблюдался при разупорядочении сплава медь — платина под действием луча лазера (рис. 2.1,б). При больших увеличениях видно, что выявляемые при облучении границы имеют зигзагообразную структуру, это также типично для высокотемпературной деформации.
Таким образом, с помощью подбора материала и условий облучения можно доказать существование пластической деформации при облучении металлов.
Разрушение является достаточно типичным эффектом при нагреве и охлаждении металлических сплавов, поэтому здесь будут отмечены лишь некоторые специфические особенности механического разрушения под действием луча лазера. Причиной разрушения является неравномерный нагрев большой массы металла от малого (в пределе точечного) источника тепла.
Большинство чистых металлов имеет достаточно высокую пластичность при высоких температурах и разрушение в них происходит только по тепловому механизму. Однако наличие примесей на границах зерен и применение острой фокусировки, когда отсутствует жидкая фаза на поверхности кратера и передача тепла происходит от газообразной фазы к твердой, приводят к возникновению трещин.
В качестве примера можно привести трещины около кратера в поликристаллическом вольфраме технической чистоты. Форма трещин при этом может быть различной, но типичными являются радиальные и окружные трещины, как показано для вольфрама.
Интересно, что в хроме основная трещина часто пересекается большим количеством перпендикулярных к ней вторичных трещин.
Если облучение происходит в условиях, когда на поверхности кратера возникает слой застывшего расплава, то источником разрушения являются термические напряжения при кристализации. При этом напряжения могут быть настолько велики, что трещина проходит не только в застывшем расплаве, но и в основном металле (напр., трещины в зоне расплава дюралюмина Д16Т).
Другим источником разрушения при образовании зоны расплава являются напряжения, возникающие на границе зоны расплава и твердого материала при кристаллизации и вызывающие разрушение исходного материала.
Наконец, представляют интерес трещины, возникающие в сплавах, состоящих из компонентов с неоднородными физическими свойствами, например в чугунах, твердых сплавах на основе карбидов с металлической связкой. Трещины в таких материалах возникают за счет различий в коэффициентах теплового расширения различных составляющих и слабой связи между кристаллами различных структурных составляющих. Ранее наблюдались даже случаи отколов при образовании отверстий в сталях.
Однако скорость образования трещин очень велика, поэтому на форму трещины (траекторию разрушения) при определенных режимах облучения не оказывают влияния различия механических свойств структурных составляющих. В качестве примера на рис. 2.2 приведена трещина в твердом сплаве на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой, представляющего собой спеченную механическую смесь твердого и хрупкого материала с мягким и пластичным. Видно, что трещина идет как по частицам карбида вольфрама, так и по кобальтовой связке.
Описанные эффекты должны учитываться при применении лазеров для термической обработки металлов, так как в большинстве случаев деформация и разрушение являются нежелательными эффектами. Однако некоторые процессы (например, последующее рассверливание отверстий) могут облегчаться при разрушении области, окружающей кратер. Во всяком случае, установление количественных закономерностей, связывающих теплофизические и механические свойства материалов с параметрами зоны деформации и разрушения около кратера, представляет значительный интерес.
Механическая деформация и разрушение при действии светового импульса лазера длительностью 10в-3 сек обычно не являются основной причиной разрушения материала, но при уменьшении длительности импульса до 10в-8 сек и достаточно больших энергиях луча эти явления начинают играть главную роль.
В заключение отметим, что для многих кристаллических полупроводников и диэлектриков, стекол, полимеров неравномерное тепловое расширение также играет важную роль при разрушении лучом лазера, что является еще одним подтверждением общих черт в механизме разрушения различных классов материалов световым лучом лазера.