МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Санкт–Петербургский государственный университет
информационных технологий механики и оптики
М.Н. Либенсон, Е.Б. Яковлев, Г.Д. Шандыбина
Взаимодействие лазерного
излучения с веществом
(силовая оптика)
Конспект лекций под редакцией Вейко В.П.
Часть II
Лазерный нагрев и разрушение материалов
Санкт–Петербург
2006
Л
ибенсон
М.Н., Яковлев Е.Б., Шандыбина Г.Д.
Взаимодействие лазерного излучения с
веществом (силовая оптика). Конспект
лекций. Часть II.
Лазерный
нагрев и разрушение материалов,
под общей редакцией Вейко В.П. – СПб:
СПб ГУ ИТМО, 2006. – 84 с.
Конспект курса лекций предназначен для самостоятельной работы студентов специальности 200201 «Лазерная техника и лазерные технологии». Часть II конспекта лекций посвящена описанию нагревания и разрушения материалов под действием лазерного излучения.
Санкт–Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2006
М.Н.
Либенсон, Е.Б. Яковлев,
Г.Д. Шандыбина, 2006
Содержание
Введение 5
1. Лазерный нагрев материалов 6
1.1. Общая характеристика нагревания лазерным излучением 6
1.1.1. Тепловые эффекты в конденсированных средах 6
1.1.2. Основные особенности температурной кинетики при лазерном воздействии 9
1.1.3. Теплопроводностные механизмы отвода тепла. Уравнение теплопроводности, начальное и граничные условия 10
1.2. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев 19
1.2.1. Термомеханические эффекты 19
1.2.2. Фазовые переходы в твердом состоянии (лазерное упрочнение) 23
1.2.3. Эмиссионные процессы 25
1.2.4. Основные особенности лазерной активации процессов аррениусовского типа 27
1.2.5. Диффузионно-химические явления 31
1.2.6. Лазерное плавление поверхности 35
1.2.6.1. Вакансионная модель плавления. 40
1.3. Линейные режимы лазерного нагрева. 43
1.3.1. Нагрев полупространства экспоненциально спадающим с глубиной тепловым источником. 44
1.3.2. Нагрев металла импульсным излучением постоянной мощности 52
1.3.3. Нагрев материала лазерным пучком с гауссовым профилем 53
1.3.4. Нагрев материала постоянным лазерным излучением, луч сфокусирован в пятно круглого сечения. 56
1.3.7. Нагрев материалов в интерференционном лазерном поле. 63
1.3.8. Особенности нагрева материала движущимся световым пятном. 64
1.4. Нелинейные режимы лазерного нагрева. 66
1.4.1. Нагрев с учетом температурной зависимости поглощательной способности. 66
1.4.2. Нагрев окисляющихся металлов лазерным излучением. Термохимическая неустойчивость 71
1.4.3. Экзотермические эффекты при импульсном лазерном воздействии на металлы 79
2. Лазерное разрушение поглощающих материалов 83
2.5. Общая характеристика механизмов лазерного разрушения 83
2.1. Механическое низкотемпературное разрушение хрупких материалов. 83
2.1.1. Разрушение упругими напряжениями. 84
2.1.2. Разрушение остаточными напряжениями. 88
2.2. Химические механизмы разрушения 90
2.3. Высокотемпературные механизмы с участием испарения 97
2.4. Поляритонный механизм формирования лазерно-индуцированного поверхностного рельефа 99
2.5. Лазерное испарение. 102
2.5.1. Кинетика испарения плоской поверхности. 102
2.5.1.1. Испарение в вакуум и среду с противодавлением 103
2.5.1.2. Температурная граница перехода от нагрева к испарению 104
2.5.2. Теплофизика перехода от нагрева к испарению 105
2.5.3. Одномерная задача о лазерном нагреве с испарением. 106
2.5.3.1. Установление стационарного режима. Определение квазистационарных параметров. 107
2.5.3.2. Зависимость температуры и скорости лазерного разрушения от плотности светового потока. 109
2.5.4. Вытеснение расплава избыточным давлением паров 113
2.6. Свойства лазерного пара и плазмы, их влияние на процесс разрушения 115