» » Аналогия между механизмами разрушения прозрачных и непрозрачных материалов
24.12.2014

Исследования структуры поверхности прозрачных и непрозрачных материалов после воздействия светового импульса лазера показали, что в непрозрачных (в основном металлических) материалах типичным эффектом является плавление и испарение поверхности, в прозрачных (щелочногалоидных кристаллах, полимерах) типичным является образование трещин хрупкого разрушения.
Несмотря на резкое различие внешних проявлений воздействия световых импульсов на прозрачные и непрозрачные материалы во многих случаях можно найти общие черты в структурных эффектах, приводящих к разрушению. В частности, выше было показано, что в кристаллах хлористого натрия расположение дислокаций в зоне, окружающей область трещин, типично для высокотемпературной деформации. Можно предположить, что источником напряжений, вызывающих разрушение кристаллов, являются зоны интенсивного выделения тепла.
Исследовались монокристаллы хлористого натрия, расколотые по поверхности спайности (100). Облучение проводилось на оптическом квантовом генераторе ГОС-ЗОМ в режиме свободной генерации в условиях сильной дефокусировки, что облегчало поиски зон начала разрушения, т. е. использовалась неоднородность излучения по сечению светового луча. Уменьшения размеров трещин добивались путем дефокусировки и уменьшения энергии луча. При плотности энергии несколько меньшей, чем необходимо для образования трещин, проводилось сплошное микроисследование поверхности и нахождение очагов разрушения.
Изучение очагов разрушения проводилось с помощью сканирующего электронного микроскопа, позволяющего получать увеличения во вторичных и отраженных электронах до 100 тыс. раз, а также вычерчивать профиль исследуемой поверхности.
Получено, что перед разрушением (образованием трещин) на поверхности кристалла образуются области приближенно круговой формы, состоящие из центральной зоны, окруженной кольцом. Поверхность кристалла внутри кольца является очень неровной, что видно из анализа профиля поверхности в отраженных электронах.
На микрофотографии (рис. 7.6, а) приведен профиль поверхности, наложенный на очаг разрушения, при увеличении в 100 раз. Видно, что разрушение возникает вокруг включения на поверхности кристалла. Центральная часть пятна имеет неровную поверхность, кольцеобразная зона вокруг центральной части пятна также имеет неровную поверхность, после чего следует переход к исходной ровной поверхности.
Отметим, что масштаб неровностей в очаге разрушения на несколько порядков больше, чем в исходной структуре, так как профиль поверхности скола даже при увеличении в 30 000 раз остается горизонтальным без выбросов.
Аналогия между механизмами разрушения прозрачных и непрозрачных материалов

Представляло интерес исследование дислокационной структуры зоны вокруг очага разрушения. Дислокации выявились методом травления, методика описана выше. На рис. 7.6,б приведено распределение дислокаций вокруг очага разрушения, на микрофотографии четко видна тенденция расположения дислокаций по направлениям вместо направлений, характерных для дислокаций, которые возникают при локальной деформации путем вдавливания индентора.
Аналогичное расположение дислокаций уже наблюдалось при высокотемпературной деформации.
Для проверки предположения о тепловой природе возникновения дислокаций проводились эксперименты по различным видам сосредоточенного воздействия на поверхность кристалла с выявлением возникающей дислокационной структуры. Получено, что при вдавливании пирамиды, шарика и конуса при комнатной температуре дислокации располагаются в основном вдоль направлений. При вдавливании стального конуса, нагретого до 400/500°С, дислокации располагаются вдоль как [110], так и [100]. При прикосновении острием нагретого конуса без существенной деформации поверхности дислокации расположены в основном вдоль [100].
Анализ полученных данных и сравнение с существующими теоретическими и экспериментальными исследованиями роли непрозрачных частиц при облучении кристаллов, полимеров и стекол позволяют высказать следующие соображения о механизме разрушения лучом лазера прозрачных материалов.
В реальных прозрачных материалах всегда существуют менее прозрачные области, поглощение света в которых приводит к нагреву этих областей и окружающей среды. Если плотность энергии не очень велика, то результатом действия луча лазера являются изменения структуры вокруг непрозрачных включений, связанные с нагревом и охлаждением, например, образование дислокаций в хлористом натрии, плавление поверхности кристаллов. На этой стадии процесс действия луча лазера на структуру прозрачных кристаллов во многом аналогичен действию на металлические материалы, в особенности на сплавы с неоднородной структурой.
Повышение энергии приводит к более интенсивному выделению тепла и образованию некристаллографических трещин в очаге разрушения и трещин по плоскостям спайности вокруг очага в кристаллах, термическому разложению в полимерах с образованием газовых пузырей и расклиниванию за счет термических напряжений и давления газа, хрупкому разрушению стекол за счет термических напряжений. Конкретное расположение очагов разрушения зависит от расположения нитей повышенной интенсивности в исходном луче, размеров и расположения поглощающих областей в прозрачных материалах.
Анализ большого количества работ, посвященных разрушению прозрачных материалов лучом лазера, показывает, что во многих случаях выводы об атомном механизме разрушения делались без учета неоднородности структуры материала.
Таким образом, на основе экспериментальных исследований процессов, происходящих перед разрушением лучом лазера прозрачных материалов, можно утверждать, что в основе разрушения лучом лазера длительностью 10в-3 сек как прозрачных, так и непрозрачных материалов лежит один и тот же механизм поглощения света веществом с выделением тепла. Наблюдаемые различия в поведении прозрачных и непрозрачных материалов при действии луча лазера связаны лишь с особенностями поведения этих материалов при импульсном нагреве.