Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
При исследовании воздействия световых импульсов лазера на прозрачные материалы фокусировку света можно проводить как на поверхность, так внутрь образцов. В связи с отличием в показателях преломления света в воздухе и твердом теле этот процесс сопровождается сдвигом фокуса в веществе. На основе геометрической оптики сдвиг фокуса может быть рассмотрен следующим образом.
Пусть лазерный луч, имеющий диаметр 2г, падает на линзу с фокусным расстоянием F и затем сходящийся пучок направляется на плоскую поверхность прозрачной среды с показателем преломления n (рис. 7.1). Расстояние х0 — расстояние от поверхности исследуемого материала, х — точка схода лучей в воздухе (без учета среды). Мы будем считать для нашего случая расстояние х, равным фокусному расстоянию линзы х=F.
Вследствие дефокусирующего действия плоской поверхности среды с показателем преломления n координата х1 точки схода лучей в среде зависит, как известно, от n, F, расстояния между линзой и поверхностью среды и от угла падения г. Для сравнительно малых углов падения, когда можно считать sini≤1 и пренебречь этой величиной, координата x1 определяется выражением
Исследования воздействия светового луча на неметаллические кристаллы, в том числе ионные, представляют интерес по нескольким соображениям. Во-первых, в этих кристаллах сравнительно легко выявить дислокации методом травления и изучить изменение дислокационной структуры при воздействии световых импульсов. Кроме того, для кристаллов, прозрачных для световых лучей, можно проводить фокусировку луча не только на поверхность, но и в глубь кристаллов. Наконец, специфические особенности химической связи, упругих и пластических свойств этих кристаллов также позволяют получить ряд интересных результатов.
Рассмотрим результаты исследования воздействия светового луча на структуру NaCl.
Излучение рубинового лазера с помощью линз с различным фокусным расстоянием фокусировалось на поверхность или в глубину образцов. Образцы подвергались облучению непосредственно после раскола, после чего проводилось фотографирование вида разрушения и сравнение с фотографиями во время действия светового Импульса. Дислокационная структура выявлялась с помощью травления в этиловом спирте с добавками окиси кадмия (этот травитель, как известно, позволяет отличать деформационные дислокации от дислокаций, возникающих при росте кристалла).
Расположение трещин и выходов дислокаций изучалось после раскола образцов в различных плоскостях, проходящих через ось кратера. Обнаружено, что после воздействия светового излучения сфокусированного на поверхность образцов, возникает кратер с неровными краями. Кратер окружен зоной с сильно раздробленной структурой, причем дробление и образование трещины в этой зоне часто не связано с кристаллографическими направлениями.
Распространение разрушения вглубь, наблюдаемое без раскола кристалла (через прозрачную боковую поверхность) обычно идет по конусу, причем наблюдается характерный эффект — образование в глубине образца трещин, параллельных наружной поверхности. На микрофотографиях кристалла, снятых с небольшим увеличением в различных проекциях, видно образование кратера, окруженного несколькими кольцевыми зонами с раздробленной структурой. От кратера идут две большие трещины по плоскостям (100). Большая глубина резкости при фотосъемке позволила выявить кольцевые и радиальные трещины под поверхностью образца.
На снимках через боковую поверхность образца хорошо видна коническая форма трещины, возникновение основной трещины вдоль луча и трещин, перпендикулярных лучу. Иногда эти вторичные трещины в свою очередь становятся центрами разрушения и вокруг них зона разрушения дополнительно расширяется.
Микроскопическое исследование поверхности кристаллов каменной соли показало, что после многократного действия импульсного луча лазера на поверхности кристалла возникают трещины, расположенные в плоскостях типа (100), т. е. на гранях куба, и направленные вдоль, т. е. вдоль ребер куба.
После травления в области, расположенной у места действия луча, наблюдается большое количество так называемых «свежих» дислокаций деформационного происхождения.
Рассмотрим в качестве типичного примера результаты, полученные при исследовании поверхности кристалла, подвергнутой действию нескольких импульсов света без изменения относительного положения лазера и образца. Дислокационная структура исходного кристалла приведена на рис. 7.2,а. На микрофотографии, снятой с увеличением 100 раз, видны выходы дислокаций, имеющие пирамидальную (квадратную) форму. Крупные ямки травления на микрофотографии соответствуют дислокациям, возникшим при кристаллизации. Мелкие ямки травления, связанные с пластической деформацией, как видно из микрофотографии, практически отсутствуют.
Была построена панорама области кристалла в одной из сторон от места взаимодействия с. лучом. Панорама получена путем съемки последовательных микрофотографий при увеличении в 70 раз с наложением фотографируемых областей. Перед микрофотографированием кристалл подвергался травлению для выявления дислокаций. Схема микроструктур приведена на рис. 7.3.
Как видно из микрофотографий (рис. 7.2), в месте многократного действия луча лазера возникает поликристаллическая область, состоящая из кристаллов очень малых размеров (зона 1).
Следующей является зона, содержащая большое число трещин и дислокаций, неравномерно распределенных вокруг места действия луча (зона 2). При этом форма областей, содержащих большое число дислокаций, напоминает розетку внутренних напряжений, наблюдаемую в поляризованном свете после сосредоточенной деформации в кристалле. Более детально структура этой зоны показана на рис. 7.2, б, на котором изображен участок зоны 2 с увеличением в 100 раз.
Характерным для следующей зоны (зоны 3) является то, что в ней заметно уменьшается как число трещин, так и число дислокаций. Из микрофотографии участка этой зоны видно, что кристалл содержит крупные трещины, заканчивающиеся характерными остриями с углом 90°.
Относительно деформационных дислокаций трудно высказать какие-либо суждения, так как их почти не видно на снимке. Однако шероховатая структура областей в зоне между трещинами сильно отличается от гладкой структуры областей между дислокациями в исходном материале, так что возможно, что большое число деформационных дислокаций, не разрешаемых в отдельности, приводит к шероховатой структуре поверхности.
В следующей зоне (зона 4) трещин уже нет, но имеется большее число беспорядочно распределенных свежих дислокаций. Как видно из рис. 7.2,в, деформационные дислокации не удается связать с какими-либо кристаллографическими направлениями.
Зона 4 постепенно переходит в зону 5, в которой дислокации расположены вдоль определенных кристаллографических направлений, а именно вдоль направления, т. е. в тех же направлениях, в которых располагались трещины. По мере удаления от кратера число деформационных дислокаций уменьшается, но, как видно из рис. 7.2, г, даже у самого конца деформированной зоны сохраняется ориентация дислокационных рядов. Общий диаметр зоны, на которую распространяется действие луча лазера, составляет, как видно из панорамы, около 7 мм, что в несколько раз больше, чем зона действия луча лазера в поликристаллических металлах, например в железе и стали.
Интересные результаты получаются при исследовании поперечных расколов. Из анализа микрофотографий поверхности, возникающей при расколе кристалла по одной из основных трещин, видно, что кратер образовался при помощи кристаллографического разрушения, некоторые трещины под кратером также не идут в определенных кристаллографических направлениях, наблюдаются трещины, перпендикулярные к пути луча.
Распределение дислокаций под поверхностью кристалла чрезвычайно неоднородно, непосредственно под кратером плотность дислокаций сравнительно мала, затем идет овальная область с большой плотностью дислокаций, окруженная областью с меньшей плотностью также беспорядочно расположенных дислокаций, затем дислокации выстраиваются в упорядоченные ряды, наконец, наблюдается переход к беспорядочно расположенным редким дислокациям роста.
Рассмотрим некоторые типичные дислокационные структуры при наблюдении в плоскости, содержащей направление светового луча. На рис. 7.4 приведена схема расположения дислокаций в этой плоскости. Штриховка соответствует зонам с большей (центральная зона) и меньшей (наружная зона) плотностью дислокаций в районе трещин.
Отметим, что на снимках видны некристаллографические трещины и трещины, идущие перпендикулярно к направлению луча лазера. При большом увеличении в зоне у конца трещины (зона Б) видно, что трещина в действительности состоит из близко расположенных пирамидальных ямок травления, размеры которых примерно равны размерам ямок травления у дислокаций, возникших при росте кристалла, и в несколько раз больше, чем размеры ямок травления у деформационных дислокаций. После конца трещины, идущей вдоль направления, наблюдается ряд винтовых дислокаций, идущих вдоль того же кристаллического направления. На рис. 7.4 показано, что ряды дислокаций вокруг трещин идут как вдоль [100], так и вдоль [110].
Приведем некоторые результаты исследования образцов, вглубь которых были сфокусированы световые импульсы длительностью 10в-3 сек (режим свободной генерации) и 10в-8 сек (режим гигантских импульсов). Основным отличием геометрии разрушения в этих случаях является то, что при размерах кристаллов 3/5 см кратер на поверхности кристалла не образуется.
Из фотографии раскола по трещине вдоль пути луча видно, в частности, отсутствие кратера. Большая часть трещин возникает во время действия импульса, но рост их продолжается и после конца импульса (это относится в особенности к гигантским импульсам). Отметим также вспышку при переходе светового излучения из воздуха в конденсированную среду и при выходе луча в воздух.
На поверхности образцов возникают две перпендикулярные трещины вдоль [100] и в области их пересечения — круг их раздробленных кристаллов. В глубь кристалла с поверхности идет конус, состоящий из мелких кристаллов. При использовании короткофокусных линз этот конус иногда не выходит на поверхность.
При расколе кристаллов вдоль направления луча видно, что от конуса отходят трещины, часто имеющие (особенно у вершины конуса) некристаллографические направления. Уменьшение энергии луча приводит к тому, что конус исчезает, а в области между поверхностью кристалла и фокусом линзы образуется несколько крупных трещин перпендикулярных пути луча, вокруг которых возникают зоны мелких некристаллографических трещин.
Наконец, при энергиях лишь незначительно превышающих порог разрушения кристалла, возникает одна трещина (перпендикулярная лучу в районе фокуса), имеющая форму мальтийского креста и окрашенная в интерференционные цвета. В образцах, где не было разрушения при расколе, никаких признаков изменений дислокационной структуры не обнаружено.
При расколе образцов вдоль пути луча по основным трещинам (т. е. в плоскости, через которую проходит ось луча) удалось показать, что импульсная деформация в кристалле не могла пройти через ступень скола. Это видно из рассмотрения рис. 7.5, где показана область, содержащая ступень скола. Различие в фокусировке по обе стороны от ступени дает представление об ее высоте.
Напомним, что обычные дислокационные границы — очень слабые препятствия для движения дислокаций. Из этих снимков следует, что трещины возникают ранее, чем проходит вся пластическая деформация. При расколе конуса поперек пути луча оказывается, что зона раздробленных кристаллов состоит из большого числа мелких трещин, причем можно наблюдать эффекты фотоупругости, связанные с тем, что NaCl является оптически активным материалом.
При всех расколах обнаружено, что в центре (у оси конуса) находится масса крестообразных трещин и беспорядочно расположенные дислокации. За зоной максимального дробления кристаллов идут дислокационные полосы скольжения вдоль направления [110], состоящие из краевых дислокаций; количество ,полос из винтовых дислокаций вдоль направления [100] невелико.
Главные трещины идут от зон максимальной деформации, в которой есть еще несколько единичных взаимно перпендикулярных трещин. Вокруг располагаются зоны полос скольжения вдоль [100] и [110], т. е. доля винтовых дислокаций в деформации несколько больше, чем в других частях конуса. Отметим, что травление приводит к выявлению трещин, не видимых ранее на поверхностях скола. У концов магистральных трещин наблюдаются как ряды крупных дислокационных ямок, идущих вдоль [100], так и линии скольжения, идущие вдоль [110] и состоящие из краевых дислокаций.
Таким образом, при действии светового импульса в монокристалле возникает целый ряд характеристик эффектов разрушения и деформации. Рассмотрим возможные механизмы наблюдаемых явлений. На структуру кристалла при действии светового луча лазера, вообще говоря, могут оказывать воздействие следующие процессы: 1) давление света может приводить к импульсной деформации с источником в месте фокусировки луча; 2) переход световой энергии в тепловую может приводить к кратковременному нагреву вещества до температур, достигающих 10в4/10в5 °С, и вследствие неравномерного теплового расширения -— к возникновению очень больших градиентов температурных напряжений.
Для анализа возможных эффектов деформации и тепловых напряжений на дислокационную структуру было проведено исследование эффектов, возникающих при сосредоточенной деформации и при различных видах теплового воздействия.
Получено, что сосредоточенная деформация при комнатной температуре вызывает появление преимущественно полос скольжения, идущих вдоль [110] и состоящих из краевых дислокаций. Нагрев кристалла до 500/600°С и охлаждение с различными скоростями приводит к возникновению на поверхности ортогональной сетки трещин и большого числа беспорядочно расположенных дислокаций. Предводителев, Степанова и Туманова наблюдали возникновение на поверхности кристалла полос скольжения, состоящих из винтовых дислокаций, после сосредоточенной деформации при высоких температурах.
Сравнение глубины кратеров (длины основной трещины) для режима свободной генерации с длительностью светового импульса 10в-3 сек и режима с модулированной добротностью резонатора (длительность импульса 10в-8 сек) показало, что отличия невелики и связаны в основном с формой плоской трещины, которая для случая более короткого импульса ближе к конусу с большой высотой и малым основанием, а для более длинного импульса ближе к круговому сегменту. Наблюдаются также и некоторые отличия в расположении и величине поперечных трещин, перпендикулярных ходу светового луча.
Отметим в заключение несколько необычных дислокационных эффектов, наблюдаемых при анализе образцов, подвергнутых действию модулированного светового импульса.
При фокусировке излучения на поверхность в ряде случаев наблюдалось возникновение на поверхности кристаллов дислокационных колец на расстоянии 3/4 мм от центра разрушения. При поперечном расколе кристалла в этих образцах на месте пересечения кольца с поверхностью раскола возникали характерные вы-колы в виде трапеции, расширяющейся внутри кристалла. В некоторых случаях основное скопление дислокаций, идущее от поверхности в глубь кристалла, не совпадало с основной трещиной, а находилось от нее на некотором расстоянии параллельно трещине.
Особенности дислокационной структуры у концов трещин (возникновение рядов крупных дислокационных ямок вдоль направлений [100], продолжающих трещину) наблюдались ранее Шacкольской и др. при медленном расколе кристаллов и последующем залечивании трещин. По-видимому, в случае воздействия луча лазера природа этих рядов дислокаций была также релаксационной. Большие размеры ямок связаны, вероятно, с тем, что образование трещины является очень крупным нарушением структуры и при залечивании несовпадение кристаллографических плоскостей обеих сторон трещины настолько велико, что возникают кратные дислокации.
Исследование кинетики разрушения проводилось путем скоростного фотографирования кристалла сбоку с помощью камеры СФР, с интервалом между кадрами 63 мсек. При этом удалось исследовать развитие трещины при действии луча лазера в режиме свободной генерации (50/100 имп/мсек).
Съемка проводилась без дополнительной подсветки, и засвечивание фотопленки проходило за счет рассеяния света на трещинах в микрокристалле. Получено, что при фокусировке луча в вглубь кристалла последовательно происходит образование продельных и поперечных трещин (светлые кресты на снимках).
Были получены фотографии, снятые с интервалами в несколько десятков мксек после начала действия светового луча импульса. Энергия импульса подбиралась такой, чтобы величина разрушения была минимальной. Из микрофотографии видно, что вначале в фокусе образуется светящаяся точка (разогретый газ), а затем образуются и развиваются сначала одна, а потом вторая поперечные трещины.
Таким образом, из результатов исследования кристаллов NaCl после воздействия световых импульсов лазера следует, что при этом в результате одного эксперимента можно получить практически весь набор эффектов, наблюдаемых при других видах механических и термических воздействий.