» » Поверхностная эрозия и структурные эффекты в металлах
24.12.2014

Ранее рассматривались случаи, когда воздействие на материалы проводилось с помощью светового импульса лазера, работающего в так называемом режиме свободной генерации, когда время импульса составляет около 10в-3 сек. При построении физического механизма процессов, происходящих в твердом теле, можно было пользоваться сравнениями с исследованными автором процессами соударения металлов при очень высоких скоростях.
Современные квантовые генераторы света дают возможность получать световые импульсы, длительность которых еще на несколько порядков меньше, время импульса при этом достигает 10в-8/10в-9 сек, а мощность 10в8/10в9 вт (так называемый режим гигантских импульсов). При действии таких импульсов на поверхность твердых тел можно ожидать появления эффектов действительно мгновенного воздействия энергии, т. е. воздействия, продолжительность которого на несколько порядков меньше времени структурных превращений в твердом теле.
Исследовалось воздействие гигантского лазерного импульса красного света с длиной волны 6943 А, энергия 0,5/1 дж, временем импульса 10в-8 сек (т. е. мощностью около 50 Мет) на полированные образцы, изготовленные из 20 различных химических элементов (Ga, S, Sn, Bi, Cd, Pb, Zn, Sb, Mg, Al, Ge, Ag, Cu, Ni, Co, Fe, Ti, Mo, Ta, W — элементы расположены в порядке возрастания температуры плавления). Модуляция осуществлялась с помощью жидкостного фильтра. Выбор элементов проводился таким образом, чтобы получить возможно более широкий интервал изменения тепловых и механических свойств и типа химической связи. Облучение проводилось в строго одинаковых условиях, был подобран такой режим, что за 10в-8 сек излучался одиночный импульс (напомним, что световой импульс лазера, работающего в режиме свободной генерации, состоит из 50/100 отдельных хаотически расположенных пичков). Излучение фокусировалось на поверхность образца с помощью линзы с фокусным расстоянием 48 мм. При удельных мощностях, достигаемых в точке фокусировки, происходил пробой воздуха, при котором тратилась часть энергии, т. е. энергия попадавшая на образец, была меньше энергии, излучаемой лазером.
Для исследования механизма структурных превращений было целесообразно изучить не только чистые металлы, но и сплавы, способные к фазовым переходам в твердом состоянии. В этой части работы исследовались стали с различным содержанием углерода и в различных структурных состояниях; облучение проводилось импульсами как рубинового, так и неодимового лазера (λ=10300 А с энергией до 10 дж, мощностью в импульсе до 500 мет), в различных условиях (на воздухе и в вакууме, с различными фокусировками луча и т. д.).
Фотографирование процесса воздействия луча проводилось в собственном свечении продуктов реакции, фотоаппарат располагался так, чтобы получить вид сбоку, т. е. в направлении, перпендикулярном лучу лазера. Исследование области воздействия на материал представляло значительные методические трудности, связанные с тем, что «глубина» кратера была очень малой.
Кроме обычных методов микрофотографии использовалась съемка на микропрофилографе ИВП (позволяющем получать профиль поверхности с увеличением до 4000), а также различные методы рентгеноструктурного и металлографического исследования.
Поверхностный рельеф. Фотографирование во время действия импульса показало, что перед поверхностью всех исследованных материалов образовывалось облако газа или плазмы различной формы, чаще всего близкое к полусфере. Никаких следов разлета частиц, типичного для воздействия на материалы световых импульсов лазера в режиме свободной генерации (обычный импульс), не наблюдалось.
Облако в виде полусферы при воздействии обычного импульса наблюдалось только при значительной дефокусировке или ослаблении луча, а при фокусировке луча на поверхность облако, как правило, имело форму конуса, расширяющегося по направлению к источнику света. Для некоторых материалов (например, сера, цинк) при гигантском импульсе наблюдалось возникновение тонкой плазменной струи, идущей по направлению к лазеру, иногда наблюдались различные деформации полушарового облака, вплоть до отрыва от него еще одного плазменного облака (алюминий).
Анализ области воздействия луча на материал показал, что почти во всех исследованных материалах кратер вообще не возникает, лишь в наиболее легкоплавких материалах (сера) возникает углубление, не превышающее 10 мк. Как правило, па поверхности возникает пятно диаметром 2/7 мм. Напомним, что при воздействии обычного импульса в тех же материалах наблюдалось возникновение кратеров различной глубины (от 1 до 5 мм) и значительно меньшего диаметра. Следует отметить, что общая энергия импульса при переходе от обычного импульса к гигантскому уменьшалась лишь в 7ч-8 раз, а глубина кратера при этом уменьшалась не менее чем в 1000 раз, в то время как диаметр кратера даже увеличивался.
С помощью обычных микроскопов не удавалось замерить глубину кратера. Анализ полученных профилограмм показал, что для большинства исследованных материалов кратер вообще не возникает, а полированная поверхность становится шероховатой.
Анализ профилограмм показывает, что для тугоплавких металлов (например, тантала) на поверхности образуется пятно с неровностями порядка одного микрона. Если путем многократного профилирования по параллельным хордам пройти все пятно, то можно построить объемную модель формы области воздействия луча лазера в режиме гигантских импульсов.
Оказывается, что для сравнительно тугоплавких материалов поверхность пятна равномерно покрыта примерно одинаковыми выступами и впадинами (рис. 5.1, а). Для металлов с более низкими температурами плавления и испарения высота выступов и впадин несколько увеличивается и для цинка достигает З/4 микрон. Для очень легкоплавких металлов высота выступов достигает 10 мк.
Поверхностная эрозия и структурные эффекты в металлах

Еще одной особенностью пятен на легкоплавких металлах является то, что средняя линия, проведенная через выступы и впадины, образует кратер очень небольшой глубины (около 5 мк), имеющий форму цилиндра с отношением диаметра основания к высоте порядка 10в3.
Исследование расположения пиков и впадин на поверхности пятен на легкоплавких металлах позволило установить некоторые интересные закономерности.
В ряде легкоплавких металлов по периферии пятна идет круговой выступ значительной высоты. На фотографии пятна на олове после легкой полировки поверхности четко виден кольцевой выступ, который сошлифовался прежде основной массы образца. В расположении внутренних выступов и впадин в пятне не наблюдается четкой закономерности. Исключением является алюминий, у которого при некоторых режимах облучения кроме наружного кругового выступа пятна наблюдается высокий узкий пик в центре пятна. Серия профилограмм пятна на алюминии, подтверждающая этот вывод, приведена на рис. 5.1,б. При облучении массивных материалов с небольшими энергиями никаких следов пластической деформации обнаружить не удалось. Однако, как следует из опытов Брагинского и др., а также Грегга и Томаса, воздействие гигантского импульса приводит к значительному импульсу отдачи в образце. Для обнаружения пластической деформации в наших работах при малых энергиях луча применялись образцы в виде тонких фольг, в фольгах образовывались отверстия, происходило выпучивание материала с образованием конуса с отверстием в вершине, отверстие имело оплавленные края. Следует отметить, что установленная за фольгой фотопластинка не засвечивалась, т. е. разрушение происходило после окончания светового импульса. Разрушение после окончания светового импульса наблюдалось и в прозрачных материалах.
Нахождение корреляции с тепловыми характеристиками проводилось не для глубины кратера, как это делалось для материалов, подвергнутых воздействию световых импульсов в режиме свободной генерации, а для диаметра пятна, так как эта характеристика наиболее сильно менялась при переходе от одного материала к другому. Диаметр пятна при воздействии гигантского импульса во всех случаях был в десятки раз больше диаметра области фокусировки светового луча на поверхности образца. Определенная корреляция (уменьшение диаметра пятна) наблюдалась при увеличении температур и теплот плавления и испарения материалов. Для тепловых характеристик тела в твердом состоянии (коэффициенты теплопроводности, температуропроводности, теплоемкость) связь с геометрическими характеристиками кратера не наблюдалась, так же, как и в случае импульсов свободной генерации.
Структурные эффекты в чистых металлах. Металлографическое исследование области воздействия луча оказалось малоэффективным, так как методика изготовления шлифа включает в себя сглаживание неровностей поверхности (шлифовку и полировку), что приводит почти к полному снятию зоны с искаженной структурой. Поэтому основная часть структурных исследований была проведена рентгеновским методом.
Съемка рентгенограмм проводилась на рентгеновском аппарате УРС-50 ИМ с регистрацией интенсивности сцинтилляционным счетчиком с соответствующей регистрирующей схемой. В измерительную схему и конструкцию установки были внесены изменения, повысившие ее чувствительность, так что оказалось возможным проводить съемку только области воздействия светового импульса без захвата окружающей области исходного материала. Рельеф поверхности практически не влиял на вид рентгенограммы, поэтому можно было проводить съемку поверхности образца непосредственно после воздействия луча.
С помощью указанного метода проводился фазовый анализ и оценивалось расширение линий на рентгенограммах, которое служит мерой плотности дефектов кристаллической решетки. Съемки рентгенограмм с азимутальной разверткой кривых интенсивности и с регистрацией интенсивности с помощью рентгеновской пленки применялись для оценки изменения размеров кристаллов в сравнительно крупнокристаллических материалах.
Результаты рентгеновского исследования показали, прежде всего, отсутствие заметных следов химического воздействия с окружающей средой, т. е. образования окислов. Напомним, что данные рентгеноструктурного анализа являются усредненными по глубине в несколько десятков микрон.
Результаты измерения расширения линий на рентгенограммах приведены в табл. 5.1. Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что при действии луча наблюдается эффект расширения линий, но он очень невелик и по величине сравним с эффектом расширения при приготовлении исходной полированной поверхности.
Поверхностная эрозия и структурные эффекты в металлах
Поверхностная эрозия и структурные эффекты в металлах

По-видимому, световой импульс испаряет поверхностный слой, в котором произошли структурные изменения при полировке, и приводит к изменениям в структуре слоя, лежащего первоначально под поверхностью.
Для того чтобы представить себе интервал изменения структуры при воздействии гигантского импульса, приведем данные расчета для железа. Если принять, что в исходном отожженном материале размеры блоков D превышают 50*10в-5 см, микроискажения Δа/а составляют менее 0,01*10в-2 и плотность дефектов ρ — менее 10в9 см-2, то после воздействия светового импульса наблюдается уменьшение размеров блоков до 2*10в-5 см, увеличение плотности дефектов — до 0,5*10в10 см-2 и микроискажения практически не возникают.
Структурные эффекты в железоуглеродистых сплавах. Представляет интерес исследование железоуглеродистых сплавов, так как в этих сплавах ранее наблюдались закалочные эффекты при воздействии импульсов в режиме свободной генерации. В качестве примеров поверхностных эффектов при воздействии гигантских импульсов можно привести результаты изучения пятна на малоуглеродистой стали-20. Поверхность пятна имеет волнообразную структуру и за пределами пятна, как это отмечалось, ранее в работе Фогеля и др., имеются мелкие кратеры. Микроструктура этого же пятна после снятия неровностей и травления показывает, что в пятне (точнее, под поверхностью пятна) наблюдаются качественно такие же изменения структуры, как и ранее наблюдавшиеся в этой стали после воздействия импульса в режиме свободной генерации.
Исходный материал имеет феррито-перлитную структуру, a в области воздействия луча перлит превращается, но полная закалка не происходит, так как твердость в пятне повышается только до 500 кГ/мм2, а при облучении импульсами в режиме свободной генерации наблюдается увеличение твердости до 1500 кГ/мм2.
Увеличение энергии импульса приводит к некоторому усилению эффектов, но, как видно из данных, приведенных в табл. 5.1, результирующие изменения тонкой кристаллической структуры остаются значительно меньшими, чем при воздействии импульса свободной генерации.
Дефокусировка луча приводит к изменению размеров пятна, но в пределах до Δf/f= 10% практически не влияет на тонкую; кристаллическую структуру. Переход к неодимовому лазеру также не оказывает существенного влияния на структуру материала. Эффект дробления зерен при воздействии гигантского импульса мощностью 50 Мвт на крупнозернистую высокоуглеродистую сталь У-8 может быть продемонстрирован с помощью азимутальной развертки кривых интенсивности (рис. 5.2).
Полученные экспериментальные данные, а также результаты теоретических и экспериментальных работ позволяют представить себе следующий механизм процессов, протекающих в непрозрачных материалах при воздействии гигантского импульса. В этом случае световой импульс приводит к испарению тонкого слоя материала. Пар или плазма, имеющие очень высокую температуру, расширяются в окружающую среду, быстро теряя энергию, что приводит к небольшим размерам светящегося полу-шарового облака.
Поверхностная эрозия и структурные эффекты в металлах

Теплообмен с поверхностью металла происходит значительно легче, чем с поверхностными слоями, и весь импульс состоит только из одного пика, поэтому диаметр кратера значительно больше его глубины. Неровности на поверхности пятна возникают под воздействием ударной волны, которая отрывает и выбрасывает наружу поверхностный слой материала. Размеры выступов и впадин увеличиваются по мере уменьшения температур и теплот плавления и испарения материалов, так как при постоянной плотности мощности излучения на поверхности образца количество материала, перешедшего в жидкую фазу, зависит от его тепловых свойств.
Для легкоплавких материалов давление паров успевает вытеснить расплавленный металл к периферии кратера и создать вокруг кратера кольцевой выступ при действии светового импульса в режиме свободной генерации.
Отраженная волна приводит к движению жидкости по направлению к центру кратера и ее выплеску вверх, в результате в кратере возникает центральный пик. Осуществление каждого из перечисленных этапов расширения зависит от соотношения между удельной энергией светового импульса, временем его действия и тепловыми характеристиками материала, поэтому, исследуя достаточно большой набор материалов, можно получить случаи преобладания каждого из механизмов.