1.4.0.1. Температурная граница перехода от нагрева к испарению
Энергетическим критерием начала испарения при лазерном нагревании является та мощность, при которой этот процесс начинает играть существенную роль в разрушении материала. Это произойдет тогда, когда энергозатраты на испарение будут не менее 0,1 затрат на нагрев металла
(1.26)
Температурную границу начала разрушения материала можно установить следующим образом. Очевидно, что каждый индивидуальный акт испарения приводит к уменьшению теплового потока, падающего на материал, так как он расходуется на сообщение твердому телу удельной теплоты испарения, т.е.
.
С
учетом (1.25) и (1.26), при
получим
.
(1.27)
В (1.27)
принято, что температура поверхности
,
которая достигается к концу лазерного
импульса, определяется без учета затрат
на испарение, когда весь лазерный поток
расходуется на нагрев металла за счет
теплопроводности
.
Из (1.27) следует, что в общем случае температура начала испарения определяется энергетическими и временными характеристиками лазерного импульса.
1.4.1. Теплофизика перехода от нагрева к испарению
Физически ясно, что испарение может происходить при любой температуре выше абсолютного нуля, причем интенсивность процесса испарения (число молекул или атомов, покинувших твердую фазу) растет с ростом температуры. Однако движение фронта испаряемого вещества в глубь материала будет отличным от нуля только тогда, когда процесс испарения преобладает над процессами конденсации из обратного потока, образующегося при столкновении атомов (молекул) пара между собой и с атомами (молекулами) окружающей среды. По этой причине за верхнюю границу стадии нагревания можно принять температуру , при превышении которой образующиеся пары испаряемого вещества начинают расширяться под действием избыточного давления. Из условия достижения температуры на поверхности материала к концу импульса лазерного излучения можно рассчитать пороговую плотность (1.27), при которой начинается разрушение материала.
Очевидно,
что изменение температуры на поверхности
металла будет зависеть от времени и, в
значительной мере, будет определяться
соотношением плотностей мощности
поглощенного потока
и тепловых потерь
,
главным образом энергии, необходимой
для испарения металла, т.е. соотношением
величин
и
.
Скорость испарения достигает своего максимального значения при стационарной температуре испарения, когда скорость движения фазовых границ плавления и испарения совпадают.
Изменение температуры поверхности можно при этом представить качественно следующим образом (рис. 1.4).
Когда
потери теплового источника на испарение
незначительны (
),
температура поверхности будет
.
Рис. 1.4. Изменение температуры на поверхности под действием лазерного излучения. 1 –без учета фазового перехода твердое тело – пар, 2 – с учетом затрат на испарение.
С
увеличением времени воздействия
лазерного излучения на металлы
становятся существенными затраты на
испарение, рост температуры поверхности
замедляется. С течением времени
температура поверхности приближается
к температуре стационарного испарения
,
а удельный тепловой поток, уносимый
паром - к
.
Испарение становится квазистационарным.
В глубь вещества распространяется волна
испарения, скорость которой стремится
к стационарной
.
Так как скорость волны нагревания
постепенно уменьшается, то спустя время
волна испарения догонит тепловую волну
нагрева, после чего роль теплопроводности
будет сводиться лишь к установлению
распределения температуры перед
стационарным фронтом испарения.
Таким образом, в течение действия лазерного импульса изменяется и температура материала, и скорость движения межфазной границы, то есть процесс существенно нестационарен. В более общей модели испарения эту первоначальную стадию теплового разрушения материала приходится учитывать.