» » Тепловые и механические эффекты в металлах при больших энергиях
24.12.2014

Теоретически показано, что уменьшение длительности светового импульса от 10в-3 до 10в-8 сек должно привести к коренному изменению механизма воздействия луча.
При длительности импульса 10в-3 сек сфокусированный луч испаряет и плавит металл, устанавливается квазистационарный режим плавления и испарения материала последовательными пичками, составляющими импульс. Результирующая структура области, прилегающей к кратеру, возникает в результате нагрева и охлаждения металла с очень большой скоростью.
При импульсе длительностью 10в-8 сек основным эффектом является возникновение ударной волны, существование которой в газовой фазе было подтверждено экспериментально. Однако проведенные ранее исследования структуры показали лишь небольшие эффекты плавления и нагрева на поверхности металлов и не обнаружили механических эффектов в структуре металла, за исключением случаев разрушения тонких фольг.
Представляло интерес провести опыты на материалах, в которых можно обнаружить как тепловые, так и механические остаточные эффекты при удельных энергиях луча, обеспечивающих достаточно мощное воздействие.
В качестве материала для исследования была выбрана малоуглеродистая сталь-20 (0,2% С), на которой с помощью рентгеноструктурного и металлографического методов исследования можно изучать эффекты закалки из жидкого состояния, фазовых переходов в твердом состоянии (закалки и отпуска), рекристализации и т. д. Выбор этого материала был обусловлен также и тем, что ранее было изучено воздействие на эту сталь световых импульсов лазера длительностью 10в-3 сек, импульсов длительностью 10в-8 сек (при небольших удельных энергиях) механических импульсов при скоростных соударениях и кумуляциях ударных волн.
В исходном (отожженном) состоянии сталь состояла из феррита и перлита. Облучение проводилось импульсами в 1,8*10в-8 сек с энергиями 1ч-35 дж на установке, изготовленной Г. В. Склизковым. Луч фокусировался линзой с фокусным расстоянием 5 см так, что диаметр облучаемой области составлял около 0,1 мм. Известно, что при фокусировке луча лазера, работающего в режиме модулированной добротности с мощностями в импульсе порядка 1000 квт и более, происходит пробой воздуха, так что облучаемый материал поглощает лишь около 10% энергии падающего излучения. В описываемых опытах мощности достигают 2 млн. квт, а плотности мощности в точке фокусировки составляют 20 млрд.-квт/см2, поэтому для предотвращения потерь энергии облучение проводилось в вакууме (давление порядка 5*10в-2 мм рт. ст.).
Поверхности образцов подвергались предварительной шлифовке и полировке, а затем—травлению для уменьшения коэффициента отражения металла. После облучения проводилось измерение областей разрушения, а также рентгеноструктурное исследование. С целью сохранения нетронутой поверхности образцы покрывались электролитическим слоем никеля, разрезались в плоскости, содержащей направление падающего луча, и проводилось металлографическое исследование и измерение микротвердости.
Геометрические характеристики разрушения. Из анализа фотографий областей разрушения четко видна тенденция к качественному изменению механизма разрушения при увеличении энергии импульса. При малых энергиях (1/2 дж, облучение на воздухе) на поверхности возникает пятно с окисленной поверхностью диаметром несколько менее 1 мм. Поверхность центральной части пятна покрыта неровностями с высотой в несколько микрон.
Увеличение энергии до 1 дж (облучение в вакууме) приводит к образованию пятна глубиной менее 100 мк, окруженного каплями застывшего расплава, и небольшой зоны обожженного металла. Эта качественная картина сохраняется при увеличении энергии примерно до 10 дж, меняются лишь размеры кратера и пятна.
Начиная с энергии около 15 дж на поверхности, кроме отмеченных особенностей, наблюдается появление капель и нитей застывшего расплава, возникших при выбрасывании расплавленного материала из кратера.
Фотографии кратеров при облучении импульсами с энергиями 1 и 35 дж, иллюстрируют указанные особенности. На границе обожженной поверхности и исходного материала может наблюдаться либо непрерывное уменьшение интенсивности почернения, либо периодическое затухание почернения.
Измерения размеров кратеров показали, что, как глубина, так и диаметр кратеров растет с увеличением энергии светового импульса, причем в интервале до 5/7 дж кратер практически отсутствует, поверхность металла покрыта выступами и впадинами высотой порядка 10 мк, и если построить среднюю линию вдоль профиля пятна, полученного на профилографе, то она почти не будет отклоняться от профиля поверхности металла. При более высоких энергиях возникает кратер приближенно конической формы, причем в интервале от 7,5 до 15 дж диаметр кратера увеличивается в 2 раза, а глубина почти не меняется.
Тепловые и механические эффекты в металлах при больших энергиях

Увеличение энергии до 35 дж приводит к резкому росту глубины и диаметра кратера. Сравнение с результатами исследования геометрических размеров кратера при облучении импульсами с дискретной структурой длительностью 10в-3 сек показывают, что примерно те же величины глубины и диаметра достигаются в последнем случае при энергиях 3/5 дж, т. е. на порядок меньших, чем при импульсе длительностью 10в-8 сек.
Интересную информацию дает измерение размеров обожженной зоны, так как ее граница, по-видимому, соответствует постоянной температуре нагрева металла, т. е. граница области является изотермой и для плазменного облака на поверхности. Измерения показывают, что размеры этой области резко растут в интервале энергий 1/15 дж и сравнительно мало меняются при дальнейшем росте энергии.
Отметим, что в том же интервале энергий глубина и диаметр кратера резко возрастают. Образование кратера и выброс материала приводят к изменению структуры энергетического баланса плазмы, так что большая доля энергии уходит на взаимодействие с каплями выброшенного материала, имеющими развитую поверхность. Кроме того, резкое увеличение энергии импульса в рассматриваемом интервале энергий не приводит к столь резкому росту температуры плазмы.
Сравнение хода измеренных геометрических характеристик разрушения при различных энергиях представлено на рис. 5.3.
Тепловые и механические эффекты в металлах при больших энергиях

Анализ формы кратера показывает, что при малых энергиях (до 1 дж) кратер можно приближенно описать как цилиндрический с отношением диаметра к высоте около 10в-2, а при энергиях 10/30 дж кратер имеет приближенно коническую форму с отношением диаметра к высоте около 2 (для измеренных кратеров — от 1,7 до 2,9).
Структурные эффекты в металле. Рассмотрим основные структурные эффекты на примере образца, облученного импульсом с энергией 35 дж.
Ниже приводится описание структуры в зоне воздействия луча и сравнение ее со структурой, полученной при действии светового импульса длительностью 10в-3 сек и при скоростных соударениях металлов. В тонком слое у поверхности кратера (10/20 мк) возникает структура застывшего расплава, для которой характерна мелкоигольчатая мартенситная структура с микротвердостью 760 кГ/мм2. За ней идет зона термического влияния, для которой характерны превращенные зерна перлита. Микротвердость этой зоны составляет 650 кГ/мм2, толщина ее также порядка 20 мк. Следующая зона (зона механического влияния) во много раз больше, чем остальные зоны, ее ширина достигает 700/750 мк. Ферритные зерна в этой зоне содержат двойники.
Относительные размеры и расположение зон видны на рис. 5.4. Граница зоны механического влияния проведена по краю области интенсивного двойникования. Типичные микроструктуры каждой зоны приведены на рис. 5.5. Исходная структура стали состоит из зерен феррита с микротвердостью 170 кГ/мм2 и перлита с микротвердостью 200 кГ/мм2.
Для дальнейшего анализа целесообразно привести табл. 5.2 структур, возникающих в малоуглеродистых сталях при различных воздействиях (порядковые номера означают номер зоны начиная от поверхности кратера). Для того чтобы показать наличие или отсутствие специфики именно светового воздействия, в таблицу введены данные о результатах облучения той же стали световым лучом непрерывно действующего лазера при длительности облучения 5 сек. Размеры зон могут меняться в зависимости от режима облучения, поэтому соответствующие данные в таблице не приведены.
Однако толщина зоны механического влияния при воздействии светового луча лазера примерно на порядок меньше размеров аналогичной зоны при ударе по массивному металлу металлической моделью массой около 20 г со скоростью около 4000 м/сек, глубина и диаметр кратера в последнем случае также больше примерно на порядок.
Тепловые и механические эффекты в металлах при больших энергиях

Из данных, приведенных в табл. 5.2, следует, что исследованный вариант светового воздействия имеет много общего как с воздействием луча лазера большей длительности, так с воздействием механического импульса. Тепловое воздействие при механическом импульсе существенно меньше, а пластическая деформация в поверхностном слое больше, чем при лазерных воздействиях. Это приводит к тому, что твердость в зонах нагрева наибольшая при облучении в течение 10в-3 сек, наименьшая — при механическом воздействии и промежуточная — при облучении в течение 10в-8 сек. Твердость при механическом импульсе деформированных зерен наибольшая, несколько меньшая — при световом импульсе 10в-8 сек, при импульсе 10в-3 сек деформация отсутствует.
Отметим, что исследование металла, подвергнутого воздействию луча непрерывно действующего лазера, показывает отсутствие какой-либо специфики воздействия света и позволяет свести все структурные изменения к эффектам нагрева и охлаждения со сравнительно небольшой скоростью.
Дальнейший анализ структуры у границы зон показал, что эти границы очень резкие, в частности двойники, которые при динамической деформации пересекают целиком зерна феррита, на границе зон термического и механического влияния останавливаются и в случае, если граница проходит через зерно феррита, двойник в зоне механического влияния идет только до этой границы. На рис. 5.5 показана соответствующая микрофотография, где по частично превращенным зернам перлита проведен контур границы.
Анализ двойниковой структуры вокруг сечения кратера показывает, что количество двойников при удалении от кратера меняется. Был проведен также подсчет относительного числа зерен с двойниками на единицу длины в различных направлениях от кратера. В связи с тем что структура содержит не только зерна феррита с двойниками, но и зерна перлита, было проведено усреднение по дугам концентрических окружностей (по предполагаемому фронту ударной волны). Результаты одного из таких расчетов приведены на рис. 5.6.
Тепловые и механические эффекты в металлах при больших энергиях

Из вида графиков следует, что максимальная пластическая деформация соответствует некоторому расстоянию от границы зоны механического влияния, причем у вершины и у боковой поверхности кратера эти расстояния различны. Отметим, что затухание деформации с расстоянием идет очень медленно. У границы зоны термического влияния играет роль нагрев, снижающий эффекты пластической деформации. Существование такого эффекта нагрева при импульсах длительностью 10в-3 сек было продемонстрировано при облучении закаленной стали. Особенностью кривых является также существование сравнительно большой области затухания пластической деформации после резкого максимума в начале кривой.
Рентгеноструктурное исследование показало дробление кристаллов и небольшое изменение расширения линий (табл. 5.3).
Тепловые и механические эффекты в металлах при больших энергиях

Малая величина эффекта связана, в частности, с небольшой долей материала с измененной структурой в общем объеме отражающего материала.
Для сравнения величин пластической деформации было подсчитано общее количество зерен с двойниками в микроструктурах сечений кратеров, возникших при различных энергиях светового импульса.
Размеры зоны механического влияния уменьшаются при уменьшении энергии импульса, однако ее удается заметить даже при энергии, несколько большей 1 дж.
Зависимость числа зерен с двойниками от энергий импульса приведена на рис. 5.7. Из графика видно, что при росте энергии количество зерен с двойниками растет очень резко, а при энергии 35 дж увеличивается до нескольких сотен. Таким образом, энергия, оставшаяся в твердом теле в виде энергии пластической деформации, возрастает пропорционально энергии светового импульса.
Изложенные результаты и их сравнение с данными ряда теоретических и экспериментальных исследований позволяют высказать некоторые соображения и в механизме процессов, происходящих при воздействии световых импульсов длительностью 10в-8 сек с металлами.
Тепловые и механические эффекты в металлах при больших энергиях

Световой импульс, поглощаясь на глубине в несколько микрон, переводит вещество в плазменное состояние. Расширяясь, плазма производит действие, аналогичное действию ударной волны от точечного заряда. Давление в ударной волне настолько высоко, что волна разгрузки вблизи поверхности приводит к тепловому плавлению, испарению и выбросу материала. На более далеких расстояниях от кратера интенсивности ударной волны хватает для проведения динамической пластической деформации металла.
Кратковременность нагрева в зоне термического влияния подтверждается наличием превращенных зерен перлита без диффузионного распределения концентрации углерода, кратковременность действия волны пластической деформации подтверждается наличием двойников.
Из анализа структуры следует, что, вероятно, двойники образовались раньше, чем произошел нагрев, плавление и испарение металла. При уменьшении энергии светового импульса происходит постепенный переход к чисто тепловому действию плазмы, когда энергии ударной волны хватает лишь на приведение расплава на поверхности в волнообразное движение. Расширение облака плазмы вдоль поверхности приводит к постепенному уменьшению температуры поверхности металла.
Полученные результаты могут быть использованы для построения по структурным характеристикам изотерм и изобар как в сечении, так и на поверхности металла.