Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Ранее при рассмотрении теплового механизма разрушения было показано, что при увеличении плотности потока достигается такое состояние, когда внутреняя энергия пара превышает теплоту испарения, происходит резкое возрастание температуры пара и ионизация роста коэффициента поглощения.
Рассмотрим некоторые особенности связанных с этим явлений. Экранировка поверхности твердого тела плазмой ведет к поглощению света в плазме и воздействие на твердое тело при этом становится вторичным процессом. Возможно также повышение температуры электронов по сравнению с температурой решетки. Так, при плотностях потока 10в11 вт/см2 разность температур 10в4°K возникает за 10в-10 сек, над поверхностью металла образуется отрицательно заряженное облако.
Наряду с электронной теплопроводностью существенную роль начинает играть лучистая теплопроводность и глубина слоя, нагретого световым импульсом, может превышать глубину проникновения света в металл. Возникает слой перегретых ионов, действующих подобно взрывчатому веществу с удельной энергией около Qlpd, где d — толщина ионизированного слоя.
В окружающей среде и, что особенно важно, в металле распространяется ударная волна. В зависимости от энергии ударной волны возможны различные проявления ее действия на металл вплоть до испарения металла в волне разгрузки.
Плазменное облако состоит из внешней оболочки (быстрые электроны), слоя быстрых ионов, отделенного линией нулевого потенциала, и плотного ядра плазменного облака, скорость которого к концу импульса для графита при плотности потока энергии 10в*11 вт/см2 составляет 4*10в6 см/сек. Скорость движения нейтральной границы при тех же условиях составляет 2*10в*7 см I сек.
Температура продуктов разрушения при этих условиях гораздо выше, затрата энергии на испарение единицы массы также выше, чем при тепловом механизме разрушения, и поэтому при равной энергии глубина кратера при действии импульса лазера длительностью 10в-8 сек гораздо меньше, чем при действии импульса длительностью 10в-3 сек.
Теоретический анализ процессов при действии гигантского светового импульса включает в себя исследование движения плазмы и динамики разлета вещества. Оценка времени, необходимого для ионизации, проводится в предположении, что ионизация происходит при столкновении электронов без учета рекомбинации. Из анализа полученного уравнения для электронной температуры следует, что в рассматриваемом случае упругая передача энергии атомам и изменение внутренней энергии электронов много меньше, чем затраты на ионизацию. Вплоть до электронной температуры Tе≈0,6*10в5°K частота света обычно используемых лазеров на рубине и неодимовом стекле больше частоты столкновений. При действии на твердый водород импульса лазера с плотностью потока 10в13 вт/см2 и времени импульса 10в-8 сек время ионизации составляет около 10в-10 сек.
Рассмотрим более подробно действие на металл ударной волны, возникающей за счет импульса отдачи со стороны разлетающейся плазмы. Для ударных волн со скачком давления 10в4/10в5 атм изменение плотности составляет 10/20% и для расчетов используют эмпирическое уравнение состояния
Коэффициент a(S), зависящий от энергии, приближенно можно считать постоянным, n=4, а постоянная а для железа, меди и алюминия равна соответственно 4,5; 2,3 и 2,0 (при давлении, равном 10в5 атм).
Для более интенсивных ударных волн используют уравнение состояния Гюгонио:
где Г=αс2/сv — коэффициент Грюнайзена, α — объемный коэффициент теплового расширения, с — скорость звука. Для железа, меди и алюминия Г≈2, и предельное сжатие также близко к двум.
Таким образом, плотность и температура среды в области за фронтом ударной волны (области 2, если области 1 и 3 — соответственно невозмущенное твердое тело и плазменная струя) определяются с учетом уравнения состояния и интенсивности ударной волны.
Области 2 и 3 разделены поглощающим слоем, который можно рассматривать как газодинамическую поверхность разрыва, плотности: ρ2≥ρ1, ρ2≤ρ1; скорости; v1=0, V2≤0. В системе координат, связанной с поглощающим слоем, уравнения сохранения потоков массы, импульса и энергии имеют вид
где u = v—vn, vn — скорость движения поглощающего слоя, H — энтальпия единицы массы. Поток излучения q при этом считают постоянным во времени, пренебрегают поглощением в плазменной струе и учитывают, что при переходе через поглощающий слой скорость и температура среды резко возрастают, а ее плотность падает.
Из системы (5.96) после исключения u2 и u3 следует
где v3=(1/ρ3) — удельный объем плазмы. Уравнение (5.97) аналогично уравнению ударной адиабаты для газа, поглощающего поток излучения q, и отличается от обычного уравнения адиабаты взрывчатого вещества тем, что слагаемое, соответствующее тепловыделению, зависит от скорости движения поглощающего слоя.
При действии очень коротких импульсов движение оказывается автомодельным, можно пренебречь движением среды во время действия света и поэтому гидродинамическая и оптическая задачи разделяются.
Возникает аналогия с поверхностным взрывом, когда теплотворная способность взрывчатого вещества равна Q/М*, где М* — масса, которой сообщена энергия за время действия импульса лазера. Аналогичный характер имеет движение среды при высокоскоростных соударениях тел малой и большой массы, например при падении метеорита на поверхность Луны.
Приближенно поглощающее тело можно считать идеальным газом с плотностью ρ0 и температурой 0°K, занимающим полупространство х≥0. Поверхность х=0, подвергаемая кратковременному удару длительностью t0, должна быть мала по сравнению с толщиной поглощающего слоя, деленной на скорость звука. После удара слой, поглотивший энергию, разлетается с начальной скоростью v = √Q/M*, а по покоящемуся телу (газу) распространяется ударная волна.
Из решений уравнений газодинамики в автомодельной форме следует, что между фронтом ударной волны и точкой х=0, соответствующей начальному положению поверхности тела, заключено 89% массы, охваченной движением, а выброс составляет лишь 11%.
При оценке толщины слоя, нагреваемого по механизму электронной теплопроводностью (нижней границы величины взрывающейся массы металла), рассматривают перемещение фронта тепловой волны, происходящее по закону
При t≥t0 cp0x=Q; теплоемкость единицы объема с можно считать постоянной; коэффициент теплопроводности хе = bТ5/2, закон движения фронта тепловой волны имеет вид
а закон изменения средней температуры со временем:
Масса вещества M*, нагретого тепловой волной за время t0, будет равна
При оценке потерь энергии на излучение исходят из тормозного механизма, для которого энергия, излучаемая единицей объема в единицу времени, равна ε = 1,4*10-27ne2√Т. Полная энергия, излученная за время t, не превышает Q1=εtx(t).
Условие малости Q1 по сравнению с Q можно записать в виде неравенства, исходя из уравнений (5.98) и (5.99):
Для энергий светового импульса Q=10в3 дж/см2 необходимая максимальная длительность импульса составляет t0≤3*10в-9 сек. При малых энергиях светового луча потери на излучение велики даже при очень малых длительностях импульса.
Дополнительные ограничения на предельную длительность светового импульса накладываются условиями прозрачности плазмы и отсутствия массового движения за время τ0. После окончания действия светового импульса дальнейшее движение среды подобно наблюдаемому после взрыва.
В сильной ударной волне происходит разрушение материала, в следующей за ней волне разгрузки происходит испарение и вынос материала. Величина испаренной массы может быть представлена, как отношение полной поглощенной энергии к минимальной удельной внутренней энергии за фронтом ударной волны, при котором имеет место испарение вещества в волне разгрузки. Оценка показывает, что при взрывном механизме выноса затраты энергии на единицу массы в 5 раз больше, чем при медленном испарении, что еще раз указывает на меньшую энергетическую эффективность разрушения материала гигантским световым импульсом. Испаренная масса составляет
Таким образом, показатель степени а не превышает 1/9 и эффективное значение удельной энергии спарения очень медленно возрастает с увеличением Q.
Фокусировка излучения приводит к уменьшению доли вещества, выбрасываемого наружу, и задача приближается к задаче о сильном взрыве.