» » Структурные эффекты в чистых металлах
24.12.2014

Анализ процессов, происходящих при взаимодействии светового излучения лазера с твердым телом, удобнее всего начинать с описания явлений при облучении чистых металлов. Для большого числа металлов фазовые превращения в твердом состоянии отсутствуют и во многих случаях эффекты взаимодействия могут быть сведены к нагреву, плавлению и испарению под действием луча.
Ниже будут рассмотрены некоторые результаты исследования структуры облученных материалов, а также некоторые особенности разрушения материалов лучом лазера.
Исследованы химические элементы, основную часть которых составляют металлы, имеющие самые различные теплофизические характеристики. Поликристаллические и монокристаллические образцы подвергались облучению сфокусированным импульсом лазера с энергией около 5 дж и длительностью около 10в-3 сек. Основная часть эксперимента проведена на In, Sn, Cd, Pb, Zn, Sb, Mg, Al, Ge, Ag, Ni, Co, Fe, Ti, Mo, Ta, Re, W.
Во всех образцах образовывался кратер, в некоторых случаях окруженный выплеском застывшего металла.
Структурные эффекты в чистых металлах

Приведем некоторые результаты металлографического исследования и измерения микротвердости зоны с измененной структурой (табл. 3.1).
Из таблицы видно, что основные структурные эффекты и упрочнение наблюдаются в металлах с высокой температурой плавления. При металлографическом исследовании обращалась специальное внимание на поиски следов пластической деформации (изменения формы зерен, появления полос скольжения, увеличения плотности дислокаций). Почти ни на одном из исследованных материалов следы деформации не обнаружены. Возможным исключением является медь, где иногда, при специальных режимах облучения, наблюдалось некоторое увеличение количества двойников.
Результаты рентгеноструктурного анализа позволили судить об измельчении зерен, увеличении плотности дефектов кристаллической решетки и росте микроискажений. При этом с помощью ионизационного метода регистрации интенсивности рентгеновских лучей оценивались внутризеренные эффекты, а с помощью фотографического метода — дробление зерен в случае крупнозернистых материалов (табл. 3.2).
Структурные эффекты в чистых металлах
Структурные эффекты в чистых металлах

Съемка в большинстве случаев проводилась в излучении железного анода на установке УРС-50 ИМ с регистрацией интенсивности сцинтилляционным счетчиком со специальными изменениями в регистрирующей схеме для повышения чувствительности. Облучаемая поверхность образца составляла около 1 мм2. При съемке фотометодом рентгеновская пленка устанавливалась перед счетчиком, т. е. снимался тот же участок образца.
Из анализа результатов табл. 3.2 видно, что для большинства металлов импульсы лазера приводят к расширению линий на рентгенограммах, т. е. к дроблению блоков, росту микроискажений и увеличению плотности дефектов кристаллической решетки. Следует отметить также и эффекты дробления кристаллов, перехода монокристаллов в поликристаллы. В качестве примера на рис. 3.1 приведена азимутальная развертка линий железа. В кобальте наблюдается необратимый переход в высокотемпературную β-фазу.
Для оценки величин изменений ширины линий все данные в табл. 3.2 приведены в угловых единицах (миллирадианах). Съемки проводились при постоянных геометрических условиях, поэтому имеется возможность сравнения не только изменений расширения линий при различных обработках одного и того же материала, но и для нескольких материалов с близкими структурами. Сильная поверхностная деформация (шлифовка и полировка), как правило, приводит к меньшему эффекту, чем воздействие световых импульсов.
Структурные эффекты в чистых металлах

При сравнении результатов металлографического и рентгеноструктурного исследований видно, что внутризеренные эффекты при облучении проявляются даже для легкоплавких элементов, где металлографическое исследование не дает видимых изменений размеров зерен.
Представление об интервале изменения параметров тонкой кристаллической структуры можно получить на основе анализа воздействия световых импульсов на техническое железо (0,04% С).
На рисунке 3.2 приведена зависимость величины β2 cos2θ/λ2 от sinθ/λ2, где β — истинное (физическое) расширение линии на рентгенограмме, θ — угол скольжения, λ — длина волны рентгеновского излучения. Наклон прямой служит мерой величины микроискажений, ордината пересечения прямой с осью ординат служит мерой размера блоков.
Из графика видно, что в принятом масштабе для отожженного и полированного образца различие почти отсутствует (отожженный образец принят за эталон). После воздействия светового импульса эффект значительно больше.
Приведем результаты расчета для этого случая (табл. 3.3).
Структурные эффекты в чистых металлах

Для различных металлов величины эффектов обычно больше, чем можно получить при поверхностной деформации, но гораздо меньше, чем при воздействии луча лазера на металлы, упрочняющиеся при фазовых превращениях. Например, в стали У-8 (0,8% С) после воздействия лазерного луча плотность дефектов (с поправкой на тетрагональность мартенсита) составляет 4*10в10 см-2, т. е. почти в 20 раз выше, чем в чистом железе.
Пример перехода монокристалла в поликристалл виден на рентгенограмме монокристалла молибдена после лазерного воздействия. При съемке облучались как зона воздействия лазерного луча, так и исходный кристалл, поэтому на рентгенограмме видны как лауэ-пятна от исходного монокристалла, так и дебаевские линии от поликристалла, возникшего в результате облучения.
Для иллюстрации степени дробления зерен при облучении и пластической деформации получены рентгенограммы поликристаллического железа в отожженном состоянии после шлифовки и полировки и после облучения. На рентгенограммах хорошо видно последовательное изменение кристаллов при этих обработках. Отметим, что при обычных геометрических условиях съемки рентгенограмм линии становятся сплошными уже для деформированного металла, разрешение отдельных зерен на рентгенограммах оказалось возможным вследствие применения съемки малой области на образце.
Таким образом, результаты металлографического и рентгенографического исследования согласуются со следующей картиной воздействия лазерного луча. Образование кратера включает в себя испарение, плавление и выброс расплавленного вещества. Во время этих процессов генерируются тепловые волны, распространяющиеся внутрь материала, и механические волны напряжения, возникающие за счет давления паров. На поверхности металла остается выплеск, представляющий собой материал, закаленный из жидкого состояния. Естественно, что выплеск является мелкозернистым и содержит повышенную плотность дефектов.
Наибольший интерес представляет зона с измененной структурой на поверхности кратера. Эта зона возникает за счет очень быстрого (в пределе менее 10в-3 сек) нагрева и охлаждения. Отметим, что поверхность кратера нагревается, в основном жидким металлом. Эта же зона подвергается воздействию волн напряжений из-за реактивного действия газовой струи и поверхностному нагреву за счет горячих газов.
Анализ результирующей структуры металла показывает, что зона термического воздействия подвергалась как бы термомеханической обработке, приводящей в ряде случаев к существенному упрочнению. Некоторую роль в упрочнении могло играть и диффузионное насыщение металла из атмосферы.