» » Возможности перемещения атомов в твердом теле при действии светового импульса лазера
24.12.2014

Как указывается в других разделах, действие световых импульсов лазера длительностью 10в-3 сек на металлы и сплавы приводит к структурным превращениям, связанным с плавлением и кристаллизацией из жидкого состояния, а также с резким нагревом и охлаждением в твердом состоянии. Скорости нагрева и охлаждения в твердой фазе при этом очень велики и достигают 10в6 град/сек, что значительно больше, чем при других известных способах нагрева. Наблюдавшееся образование диффузионных слоев, например, при насыщении железа углеродом, насыщении железа вольфрамом, частичном растворении графита в чугунах объяснялось плавлением металла при облучении и диффузней в жидком состоянии.
Для доказательства возможности перемещения атомов в новые устойчивые положения в твердом теле даже за малые времена действия луча лазера необходимо было выбрать материал, в котором даже очень малые смещения атомов из равновесных положений в решетке приводят к устойчивым и заметным структурным превращениям.
В качестве таких материалов удобно выбрать упорядоченные сплавы, в которых перемещение атомов на несколько межатомных расстояний приводит к уничтожению сверхструктуры и исчезновению сверхструктурных максимумов на рентгенограммах.
Отметим, что в отдельных участках с перлитной структурой в малоуглеродистой стали наблюдался переход в аустенит, связанный с диффузией углерода и последующим мартенситным превращением, но получение и анализ сплошного слоя с такой структурой сильно затруднены из-за того, что в стали с перлитной структурой зоны застывшего расплава и термического влияния при облучении имеют близкую структуру.
В качестве объекта исследования был выбран сплав медь-платина, содержащий 25 ат. % платины, соответствующий составу Cu3Pt. Для этого сплава является характерным появление сверхструктурных линий на рентгенограммах образцов, подвергнутых длительному отжигу. Основные линии на рентгенограмме соответствуют гранецентрированной кубической структуре, сверхструктурные линии — простой кубической структуре. Сверхструктура, возникшая при отжиге, является очень устойчивой и ее не удается полностью уничтожить термической и механической обработкой.
Образцы подвергались облучению световыми импульсами лазера ГОС-ЗОМ с энергиями до 30 дж и длительностью около 10в-3 сек. Для получения различного качества поверхности и разного количества затвердевшего расплава на поверхности образцов применялись линзы с фокусными расстояниями от 10 до 25 см и дефокусировки до 30%. Исследование поверхности образцов до и после излучения производилось рентгеноструктурным методом на излучении железного анода с регистрацией интенсивности сцинтилляционными счетчиками.
До облучения на рентгенограммах наблюдались линии сверхструктуры большой интенсивности. Например, интенсивность сверхструктурного максимума (100) была лишь в 4 раза меньше интенсивности основного максимума (100). Облучение привело к полному уничтожению сверхструктуры. Как видно из рис. 3.10, а, в том месте (на кривой интенсивности), где была линия сверхструктуры, не наблюдается никаких отклонений от фона, причем уровень фона почти не изменился.
Возможности перемещения атомов в твердом теле при действии светового импульса лазера

Интересные результаты получены при изучении действия облучения на основные максимумы на рентгенограмме. Обычным эффектом при облучении металлов является уменьшение интенсивности и увеличение ширины линий. Как видно из рис. 3.10,б, в сплаве медь — платина эффект имеет обратный знак, т. е. после облучения интенсивность линии (200) увеличивается. Это явление связано, по-видимому, с тем, что размеры блоков в упорядоченном материале, полученном при помощи длительного отжига, очень велики и превышают 10в-4 см. При этом интенсивности линий на рентгенограмме ослаблены за счет экстинкционного эффекта.
Дробление блоков при быстром нагреве и охлаждении в зоне термического влияния переводит размеры блоков в диапазон 10в-5 см, что приводит к росту интенсивности за счет исчезновения эффекта экстинкции. Шлифовка приводит к большему расширению линий и снижению интенсивности за счет дальнейшего дробления блоков и возникновения микронапряжений.
Металлографическое исследование показывает, что при действии луча лазера образуется небольшая зона расплава и значительная зона термического влияния, что характерно для сплавов на медной основе с высокой теплопроводностью. Значительная часть зоны термического влияния имеет полигонизованную структуру, что связано с деформацией сплавов за счет термического расширения и с нагревом тепловой волной. Микротвердость в зоне термического влияния и в полигонизованной зоне составляет 45 кГ/мм2 по сравнению с 65 кГ/мм2 в исходной структуре, т. е. разупорядочение сопровождается, как и следовало ожидать, уменьшением твердости сплава.
Таким образом, упорядоченный сплав является материалом, пригодным для изучения возможности перемещения атомов в твердом состоянии при действии светового импульса лазера длительностью 10в-3 сек. Кратковременный нагрев приводит к смещению атомов платины и меди из равновесных положений в каждой подрешетке, беспорядочные (в микромасштабе) диффузионные перемещения атомов даже на несколько межатомных расстояний могут привести к уничтожению сверхструктуры. Восстановление сверхструктуры является длительным процессом, который не успевает произойти за время нахождения материала при высокой температуре, когда скорости диффузии сравнительно велики.