Анализ процессов плавления и кристаллизации металлов при воздействии ультракоротких лазерных импульсов

• Автор: Свирина, Вера Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 111 с. : ил.

Введение. Актуальность работы, постановка цели и задач работы
1. Фазовые переходы (плавление и кристаллизация) в металлах при воздействии ультракоротких лазерных импульсов (обзор литературы)
1.1 Экспериментальное исследование плавления и кристаллизации металлов при воздействии ультракоротких лазерных импульсов
1.2 Модельное описание плавления и кристаллизации металлов при воздействии ультракоротких лазерных импульсов
1.3 Модели плавления
1.3.1 Механические модели плавления
1.3.2 Колебательная модель плавления
1.3.3 Механизм гомогенной нуклеации
1.3.4 Расплавы как квазикристаллические решетки. Роль позиционных дефектов
1.3.5 Модифицированная вакансионная модель плавления
1.4. Модели кристаллизации
1.4.1 Теории образования зародышей кристаллической фазы
1.4.2 Теории роста кристаллов
1.5 Постановка задачи
2. Физико-математическая модель процесса плавления металлов при воздействии ультракоротких лазерных импульсов
2.1. Математическое описание плавления металлов при воздействии ультракоротких лазерных импульсов
2.1.1 Двухтемпературная модель при сверхкоротком воздействии
2.1.2 Модифицированная вакансионная модель плавления при лазерном нагревании металлов ультракороткими лазерными импульсами
2.2 Алгоритм численного моделирования процесса плавления при лазерном нагревании металлов ультракороткими лазерными импульсами
2.3 Результаты численного моделирования плавления при нагревании металлов ультракороткими лазерными импульсами
2.4 Выводы
3. Физико-математическая модель процесса кристаллизации металлов, расплавленных при воздействии ультракоротких лазерных импульсов

3.1 Образование и рост зародышей кристаллической фазы по модели «жидкость - деформированный вакансиями кристалл»
3.2 Алгоритм численного моделирования процесса кристаллизации при лазерном нагревании металлов ультракороткими лазерными импульсами
3.3 Результаты численного моделирования кристаллизации при нагревании металлов ультракороткими лазерными импульсами
3.4 Выводы
Заключение
Список использованной литературы
Приложение А. Листинг программы для расчета плавления и кристаллизации серебра при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов

Актуальность работы, постановка цели и задач работы
Вплоть до 1970-х годов считалось, что перегрев металлов выше температуры плавления невозможен. Однако удалось получить перегревы при нагревании металлической проволоки мощным электрическим импульсом, в этом случае нагревание происходило в объеме материала и наблюдаемые перегревы не превышали нескольких градусов. С появлением лазеров удалось добиться значительно более высокой степени перегрева даже при нагревании с поверности материала. Существующие теоретические объяснения перегрева металла при плавлении в равновесных условиях [1] не применимы в случае воздействия ультракоротких лазерных импульсов. Поэтому в настоящее время существует необходимость выяснения условий перегрева твердых тел выше температуры плавления и объяснения механизма плавления в неравновесных условиях. Эти вопросы обсуждаются на многих конференциях, и в частности на ежегодном, проходящем с 2003 г. симпозиуме «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах». Сегодня анализ кинетики неравновесного плавления (в условиях перегрева) проводят главным образом методами молекулярно-динамического моделирования, поскольку попытки рассматривать перегрев в рамках гомогенного и гетерогенного плавления не увенчались успехом.
Широкое практическое применение лазеров, в том числе с пикосекундными и фемтосекундными длительностями импульсов в режимах, не приводящих к абляции, требуют изучения плавления твердых тел и кристаллизации расплавов в неравновесных условиях, что позволило бы более эффективно использовать фемтосекундные лазеры для обработки материалов. Например, для модификации, в том числе и аморфизации, и структурирования поверхности металлов.

Для тела определенной геометрической формы с известными физическими свойствами (к, р, с, а) условия однозначности сводятся к заданию начального и граничных условий. Начальное условие является краевым условием по времени, а граничные условия - пространственными краевыми условиями. Начальное условие для уравнения теплопроводности обычно состоит в задании температуры в начальный момент времени / = 0 во всех точках тела:
Граничные условия могут быть заданы в различной форме в зависимости от характера процесса.
Граничное условие I рода состоит в задании распределения температуры Т3 на поверхности тела для любого момента времени
При граничных условиях II рода задаются значения плотности теплового потока для каждой точки поверхности тела как функции координат и времени
где п - нормаль к поверхности, q{rs,t)- функция, описывающая временную структуру и пространственное распределение плотности потока излучения по поверхности тела.
Г раничные условия III рода задают закон теплообмена между окружающей средой и поверхностью обрабатываемого материала:
где /? - коэффициент теплопередачи, характеризующий интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой, индекс "5" указывает, что значение температуры и градиента определяются на поверхности тела. Уравнение (2.7) по существу является частным выражением закона сохранения энергии для поверхности тела.
Т(г,/ = 0) = То(г),г>0.
(2.4)
Т, = Цг„/)•
(2.5)
(2.6)
Ъ=0{Т-Тс)-к-£ = Р{Т-Те),
(2.7)