1.2.2. Фазовые переходы в твердом состоянии (лазерное упрочнение)

Известно, что при нагревании твердых тел, в них могут происходить различные изменения структуры, так называемые структурно-фазовые переходы. Поскольку воздействие световых потоков большой мощности сопровождается ростом температуры материала, очевидно, что лазерный разогрев вещества при определенных условиях также может привести к инициации структурно-фазовых изменений. При быстром охлаждении, которое характерно для лазерного воздействия, обратный переход, как правило, успевает произойти не полностью, происходит «замораживание» (закалка) высокотемпературных состояний. Кроме того, могут быть реализованы: кристаллизация аморфизированных при ионной имплантации полупроводников, аморфизация поверхности металлов (образование металлических стекол) при сверхбыстром охлаждении расплава при лазерном воздействии, упрочнение металлов за счет ударной волны, возникающей при наличии импульса отдачи.

При медленном нагреве структурно-фазовый переход происходит при определенной температуре . При быстром лазерном нагревании такой переход происходит в некотором диапазоне температур (см. рис. .7).

Как известно из теории структурно-фазовых переходов, они проходят в две стадии: образование зародышей новой фазы с размером большим критического, когда они становятся устойчивыми, и рост этих зародышей за счет диффузионного присоединения атомов к новой фазе.

Скорость образования зародышей критического размера определяется выражением

.

- энергия перехода молекулы из исходной фазы на поверхность зародыша новой фазы, - постоянная, - энергия Гиббса образования зародыша критического размера, - постоянная Больцмана.

Рис. 1.7. Смещение критической точки при быстром нагреве.

Скорость роста кристаллов новой фазы, которая определяется диффузионным переходом молекул из исходной фазы в новую, подчиняется закону:

.

- энергия активации диффузии молекулы из исходной фазы в зародыш, - постоянная, - энергия Гиббса роста кристаллов.

Скорости образования и роста зародышей имеют максимумы при различных температурах (температура, при которой скорость образования зародышей максимальна, меньше температуры максимальной скорости роста зародышей).

При закалке сплавов (сталей, латуней, бронз и т.п.), когда высокотемпературные фазы отличаются от низкотемпературных главным образом соотношением компонентов, определяющей стадией перехода является диффузионный рост образовавшихся на предварительном этапе или уже существовавших зародышей новой фазы.

Обычно анализ структурно-фазовых переходов проводят по изотерме температуры перехода, отвечающей переходу при стационарном нагревании или изотерме . Рассматривают температурное поле, возникающее в материале при лазерном нагревании. При этом считают, что термоупрочнение происходит в той области термического влияния, где температура окажется выше температуры или . При этом считается, что скорость остывания достаточно велика для того, чтобы образовавшиеся высокотемпературные структуры не успели разрушиться.