Контрольные вопросы к разделу 1

1. Какими физическими процессами определяется перенос тепловой энергии в веществе?

2. Какова основная задача теории теплопроводности?

3. Отличается ли лазерный нагрев по своей физической сущности от других видов нагрева?

4. Назовите ряд характерных особенностей лазерного нагрева.

5. В чем состоит специфика лазерного нагрева в области коротких и ультракоротких длительностей лазерных импульсов?

6. Какое температурное поле называется стационарным; нестационарным; равновесным; неравновесным?

7. Назовите основной физический параметр, определяющий условие возникновения процесса передачи теплоты.

8. Между какими величинами устанавливает связь уравнение теплопроводности?

9. Что характеризуют коэффициенты теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности?

10. Оцените расстояние, на которое распространяется тепловая волна при лазерном облучении металлической мишени импульсом длительностью: 1мс; 100мкс; 10нс.

11. Что входит в краевые условия конкретной задачи теплопроводности?

12. Почему на начальном этапе лазерного облучения металлов передача энергии решетке отсутствует?

13. Воспользовавшись выводами из формул 1.23 и 1.24, оцените перегрев электронного газа для Вт/см², 1 Вт/см К, 0,2.

14. По формуле 1.34 оцените температуру поверхности в центре лазерного пятна, если медная мишень облучается миллисекундным импульсом неодимового лазера с плотностью светового потока 5٠10⁵ Вт/см².

15. По формуле 1.35 постройте график функции Т(х, t).

16. Как пороговая плотность светового потока, необходимая для нагревания металла до требуемой температуры, зависит от длительности лазерного импульса в случае одномерного, двухмерного и трехмерного теплообмена?

17. Какой тепловой источник можно считать быстродвижущимся, а какой медленнодвижущимся при нагреве материала движущимся световым пятном?

18. Напишите функциональную зависимость поглощательной способности от температуры, характерную для нелинейных режимов воздействия лазерного излучения на вещество.

19. Назовите возможные механизмы эмиссии электронов при действии лазерного излучения на металл.

20. Что является целью решения задачи Стефана в случае чистых металлов?

1. Лазерное разрушение поглощающих материалов

1.0. Общая характеристика механизмов лазерного разрушения

Использование лазерных технологий во многих практических случаях ставит своей конечной целью разрушение материала. Так, наиболее распространенной операцией в машиностроении при обработке металлов является резание.

При воздействии лазерного излучения с плотностью мощности, превосходящей некоторое критическое значение, материал начинает разрушаться. Следует отметить, что термин "разрушение" при воздействии лазерного излучения на материалы достаточно условен. Это связано с тем, что процесс разрушения является многостадийным.

Можно выделить несколько механизмов разрушения поглощающих материалов:

- термомеханические,

- химические,

-плавление,

- испарение,

- ударная волна.

На первоначальных стадиях разогрева следует отметить вклад в процессы лазерного разрушения термодеформации (упругие, вязкоупругие и пластические), химические реакции (окисление и разложение), стимулирование миграции дефектов вглубь материала и т.п.

При достижении в зоне воздействия температуры плавления кристаллические материалы расплавляются, и в глубь материала начинает перемещаться фазовая граница жидкость - твердое тело. Дальнейшее повышение температуры, вплоть до следующей критической температуры разрушения – температуры кипения, приводит к интенсивному испарению. Скорость испарения достигает своего максимального значения при стационарной температуре испарения, когда скорость фазовых границ плавления и испарения совпадают.

Кроме того, как непосредственно в зоне облучения поверхности, так и в области, прилегающей к поверхности материала, протекают физические процессы, вызывающие необратимые изменения в веществе, обусловленные процессами диффузии, адсорбции и десорбции, генерации дефектов и т.п. Следует отметить, что в окончательный процесс разрушения материалов вносят вклад предшествующие этапы, которые протекают при нагреве металла до температуры разрушения.

Отметим, что процессом разрушения можно управлять не только изменением плотности мощности лазерного излучения и временем воздействия его на материалы, но и состоянием поверхности материала, поскольку его поглощательная способность зависит от температуры, состояния парогазовой плазмы вблизи поверхности и т.д.