Введение к работе
Актуальность темы. Несмотря на обширные теоретические и экспериментальные данные по структуре и свойствам металлов после лазерного воздействия, наблюдаются значительные расхождения в прогнозируемых и экспериментально полученных результатах исследований. Этот факт, с одной стороны, не позволяет установить закономерности формирования заданных свойств облучаемых материалов, а с другой стороны, сдерживает широкое внедрение лазерных технологий в сферу обработки металлов. Во многих случаях непредсказуемость конечных результатов связана с отсутствием информации о динамике процессов, протекающих в материале в момент лазерного, воздействия и непосредствнно после него. Помимо случаев обработки однородных массивных металлов подобная информация особенно необходима в технологии обработки систем покрытие-подложка для прогнозирования процессов плавления и легирования в них, а также металлических пластин, соответствующих промежуточному классу задач между моделями "полубесконечного тела" и "термически тонкой пластиной". В последних после лазерного воздействия могут сформироваться структуры, отличающиеся от тех, которые возникают, если металл соответствует хорошо известным двум моделям. Для прогнозирования конечных структур и свойств в таких пластинах, встречающихся, например, в технологии лазерной обработки тонколезвийного инструмента, необходимо иметь данные о динамике нагрева, теплопередачи и релаксационных процессов в них при лазерном воздействии. Сложность построения модели, учитывающей все многообразие взаимообусловленных факторов, влияющих на динамику процессов лазерной обработки, затрудняет теоретическое решение задачи и делает актуальным проведение комплексных экспериментальных исследований в данном направлении.
Цель работы. Целью работы является экспериментальное исследование динамики нагрева, теплопередачи и релаксационных процессов в металлах, протекающих в процессе лазерного импульсного воздействия и непосредственно после него, и установление влияния данных процессов на конечную .структуру и свойства материала.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи.
-
Разработка и создание контрольно-измерительного комплекса по исследованию динамики взаимодействия импульсного лазерного излучения с металлами.
-
Исследование динамики нагрева и процессов теплопередачи в металлах с покрытиями, без покрытий, а также в металлических пластинах в момент воздействия лазерного импульса и непосредственно после него.
3. Установление взаимосвязи между динамикой нагрева и теп
лопередачи с изменением структуры в металлических пластинах, со-
ответствующих промежуточному классу задач, в зоне импульсного лазерного облучения.
4. Исследование особенностей релаксационных процессов в металлических пластинах при лазерном тепловом ударе.
Положения, представляемые к защите: - особенности динамики нагрева, теплодередачи, а также процессов плавления и кристаллизации в металлах с покрытием и без него, связанные с температурным поведением теплофизических свойств материала и их соотношением в системе покрытие-подложка;
результаты экспериментальных данных по динамике нагрева, теплопередачи и их влиянию на структурные изменения в металлических пластинах, соответствующих промежуточному классу задач между моделями "полубесконечного тела" и "термически тонкой пластины";
экспериментальные результаты по динамике возбуждения и релаксации термоупругих волн в металлических пластинах при импульсном лазерном воздействии.
Научная новизна работы. Впервые на основе комплексных экспериментальных исследований определены особенности динамики наг рева и охлаждения, а также процессов плавления и кристаллизации металлов с покрытиями и без покрытий в момент воздействия лазерного импульса и непосредственно после него. Экспериментально установлены особенности динамики нагрева и структурных изменений, вызванных перераспределением тепловых потоков, при воздействии лазерного импульса на металлические пластины, отвечающие промежуточному классу задач между моделями "полубесконечного тела" и "термически тонкой пластины". С использованием экспериментльных данных методами нелинейной оптимизации получены соотношения, позволяющие проследить временные изменения температуры облучаемой поверхности, а также скоростей нагрева и охлаждения ее как в процессе воздействия лазерного импульса, так и после него. Впервые при импульсном лазерном облучении с длительностью 1.3 мс в зоне обработки металлических пластин обнаружены термоупругие колебания частотой 50-500 Гц, возбуждающиеся после воздействия лазерного импульса, и процесс релаксации которых длится до сотен миллисекунд.
Практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы для прогнозирования процессов термообработки массивных материалов, плавления и легирования в металлах с покрытиями, а также структурных изменений и деформаций в тонколистовых материалах при интенсивном тепловом воздействии. Это позволит создать высокоэффективные технологии обработки металлических изделий, включая и тонколезвийный инструмент.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на зональной конференции "Обработка материалов высококонцентрированными потоками энергии" (Пенза, 1988), на Международной конференции "Актуальные проблемы науки, технологий, производства и образования
(Чимкент, 1993), на XIY Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов " (Самара, 1995), на Международной научной конференции "Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергий с твёрдыми телами"(Нальчик,1995), на Всероссийской научно-технической конференции "Надёжность механических систем" (Самара, 1995).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и библиографического списка из 139 наименований. Она содержит /^страниц машинописного текста, ^""рисунков, -/таблиц.
