Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важных задач современного физического материаловедения является выявление закономерностей формирования оптических и механических свойств твердых материалов с целью повышения их долговечности, а также оптической и механической прочности.
Во многих твердых материалах существуют нано- и микромасштабные области, определяющие их оптические и механические свойства. К таким материалам относятся не только наноструктурные материалы, но и многие «традиционные» материалы, например, элементы лазерной оптики, оптическая прочность и механическая целостность которых лимитируется неоднородными областями с размерами 10"10 - 10"6 м.
Оптически неоднородными областями могут быть трещины, поры, поглощающие включения. Неоднородные области характеризуются повышенной плотностью точечных и линейных дефектов структуры, повышенным содержанием поглощающих неоднородностей.
Дефектные области размером 10~10 - 10"6м могут быть причиной развития оптического пробоя и механического разрушения макроразмерного оптического элемента. В этом случае в материалах лазерной оптики интегральные эксплуатационные характеристики определяются эффектами, получающими развитие в неоднородных областях, имеющих нано- и микроразмеры.
Существуют методы воздействия, направленные на изменение состояния таких дефектов с целью повышения эксплуатационных характеристик материала. Однако влиять на свойства оптически прозрачного материала, оптимизировать его характеристики нужно не столько путем воздействия на весь материал в целом, сколько воздействуя на эти локальные области. Существенным преимуществом таких методов обработки является возможность воздействовать на дефектные области, не затрагивая окружающий материал и не изменяя его свойства.
Таким образом, из всего многообразия методов обработки особый интерес представляют способы воздействия, обеспечивающие возможность эффективного избирательного управлеия дефектами. К настоящему времени показана принципиальная возможность использования лазерного излучения для управления состоянием нано- и микроразмерных дефектов, лимитирующих предельную оптическую и механическую прочность материала.
Существенной особенностью лазерного управления состоянием дефектных областей в прозрачном материале является возможность подбора таких параметров лазерного излучения, когда излучение воздействует только на дефектные области. При этом (в отсутствие нелинейных оптических явлений) лазерное излучение, распространяясь в бездефектных областях прозрачного материала, не меняет его свойства.
Воздействие лазерного излучения на прозрачные материалы обеспечивает возможность прямого управления состоянием дефектных областей. Лазерная обработка дефектных областей в непрозрачных материалах
возможна за счет инициирования ряда процессов, зависящих от интенсивности и длительности воздействия лазерного излучения. Взаимодействие лазерного излучения с непрозрачным материалом, в зависимости от интенсивности и длительности воздействия лазерного излучения, сопровождается поглощением светового потока и передачей его энергии твердому телу, нагревом материала, расплавлением материала, испарением, формированием плазмы и ударной волны. В таких условиях добиться избирательной обработки дефектных областей труднее. Для непрозрачных материалов селективная лазерная обработка достаточно эффективна в том случае, если размер образцов хотя бы в одном из направлений достаточно мал (наночастицы, тонкие пленки аморфных металлических сплавов (АМС) и аморфно-нанокристаллических металлических сплавов (АНМС) и т.д.). Для таких материалов возможно подобрать параметры лазерного излучения, позволяющего оптимизировать механические свойства материала преимущественным избирательным воздействием лазерного излучения на дефектные области без существенного изменения структурного состояния и свойств окружающего их материала.
Таким образом, для большого числа материалов существенным в формировании их эксплуатационных свойств являются дефектные области с нано- и микро- размерами. В основе селективной лазерной обработки дефектных нанообластей в различных материалах лежат схожие физические механизмы и возможность инициирования процессов формирования оптических и механических свойств подбором параметров лазерной обработки.
Актуальность исследований в этом направлении обусловлена расширением практического использования наноматериалов и существующей потребностью в практических технологиях обработки нанообъектов, в том числе неоднородных областей в конденсированных материалах.
Цель работы: определение закономерностей формирования оптических и механических свойств оптически прозрачных монокристаллов и аморфно-нанокристаллических металлических сплавов, подвергнутых селективной лазерной обработке неоднородных областей микро- и нано-масштабных размеров. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
-
Установить влияние трещин на оптическую и механическую прочность прозрачных кристаллов, подвергаемых воздействию мощного лазерного излучения. На основе полученных результатов разработать методику повышения оптической и механической прочности прозрачных кристаллов с макро- и микротрещинами за счет селективной лазерной обработки дефектных нано- и микрообластей в окрестности вершин трещин.
-
Изучить закономерности деформирования и разрушения при оптическом пробое на поглощающих включениях в оптически прозрачных кристаллах с различными механизмами деформирования, а также возможности последующей лазерностимулированной релаксации механических напряжений и залечивания.
-
Установить физические закономерности повышения оптической и механической прочности твердых кристаллических материалов, основанные на селективной лазерной обработке дефектных нано- и микрообластей, и разработать практическую методику повышения лазерной прочности оптических материалов.
-
Установить закономерности деформирования и разрушения многокомпонентного АНМС в условиях локального нагружения на подложке в зависимости от температуры отжига и соответствующих структурных преобразований. С учетом полученных результатов разработать новую методику механических испытаний, обладающую высокой чувствительностью к пластическим свойствам тонкого аморфно-нанокристаллического материала и пригодную для исследования областей, подвергнутых лазерной обработке.
-
Изучить закономерности влияния импульсного лазерного излучения на многокомпонентный аморфно-нанокристаллический сплав с термостабильной аморфной матрицей. Выявить режимы лазерной обработки, позволяющие оптимизировать механические свойства АНМС за счет селективного воздействия на неоднородные наномасштабные области.
Научная новизна
1. Установлены общие закономерности лазерноиндуцированного
разрушения оптически прозрачного кристалла с исходной макроскопиче
ской трещиной, определено влияние исходной трещины на развитие ла-
зерноиндуцированных дефектов. Выявлены причины и характеристики
лазерноиндуцированного роста исходных макроскопических трещин в
кристаллах, характеризующихся различными оптическими и механиче
скими свойствами. Установлены закономерности взаимодействия исход
ной и лазерноиндуцированных трещин в оптически прозрачных кристал
лах на основе механического моделирования процесса.
Впервые рассмотрена взаимосвязь между процессами, сопровождающими рост трещины, и оптической прочностью прозрачных материалов; комплексно исследованы причины низкой оптической прочности прозрачных материалов с трещинами. Определен характер зависимости оптической прочности прозрачных материалов от времени существования трещины. Выделено три периода существования трещин, в каждый из которых предельная оптическая прочность лимитируется различными факторами.
2. Экспериментально установлены закономерности селективного
воздействия лазерного излучения на дефектные нано- и микрообласти в
окрестностях вершин трещин. Определены физические механизмы, обес
печивающие повышение оптической и механической прочности прозрач
ных кристаллов с трещинами за счет перевода трещин в неопасное со
стояние избирательной лазерной обработкой дефектных областей. Разра
ботана модель процесса, основанная на представлениях о возможности
избирательного стимулирования в дефектных областях процессов дефор
мирования, разрушения, релаксации напряжений и залечивания подбором
параметров лазерного излучения.
-
Впервые определены закономерности селективной лазерной обработки дефектных нано- и микрообластей в объеме и на поверхности ще-лочногалоидных кристаллов и кальцита, позволяющей повысить оптическую и механическую (в условиях оптического пробоя) прочность. Оптимизация оптических и механических свойств обусловлена мягким разрушением поглощающих включений и дефектных областей, рассеянием поглощающих примесей, а также последующей релаксацией механических напряжений и частичным залечиванием. Разработана модель процесса, основанная на последовательном инициировании мощными импульсами лазерного излучения некритических разрушений нано- и микромасштаба и последующем использовании излучения с низкой плотностью мощности для стимулирования залечивания дефектов и релаксации механических напряжений. Установлена возможность двух - четырехкратного повышения оптической прочности материала за счет указанной обработки. Установлено, что увеличение оптической прочности при указанной обработке наиболее существенно на материалах с содержанием примесей до 10" вес.%. На основе разработанной модели процесса объяснена зависимость эффективности лазерной обработки от содержания поглощающих примесей в прозрачном материале.
-
Экспериментально определены закономерности формирования структур поврежденного слоя кристаллов исландского шпата, возникающих в условиях оптического пробоя в широком интервале температур. Определен вклад различных механизмов деформирования (двойникование, трансляционное скольжение), а также термической деструкции в формирование поврежденного слоя кальцита в зависимости от начальной температуры кристалла и мощности лазерного импульса. Экспериментально установлено, что в условиях оптического пробоя в объеме образца возможно деформирование по всем известным системам скольжения и двойникования. Установлены особенности селективной лазерной обработки дефектных нано- и микрообластей в материале, деформирующемся преимущественно двойникованием.
-
Для многокомпонентных аморфных металлических сплавов (системы Co-Fe-Cr-B-Si) установлена закономерность эволюции механических характеристик от температуры отжига. Определена корреляция ряда механических характеристик с изменением структурного состояния. Исследована зависимость микротвердости тонкой пленки АМС от температуры отжига методом микроиндентирования на различных подложках, выявлены условия, при которых материал подложки не оказывает существенного влияния на получаемые результаты. Показано, что формирующаяся в процессе отжига аморфно-нанокристаллическая структура стабилизируется аморфной матрицей, характеризуется высокой термической стойкостью, что создает предпосылки для избирательной лазерной обработки сплава.
-
Получены новые данные о закономерностях деформирования и разрушения АНМС в условиях локального нагружения инденторами различной геометрической формы на пластичных и упругих подложках. Выявле-
но влияние механических характеристик подложки на закономерности деформирования и разрушения АНМС. Особенности нагружения композита «металлическое покрытие - полимерная подложка - металлическое основание» исследованы методом экспериментального моделирования. Полученные результаты позволили разработать новый метод исследования механических характеристик тонких лент АМС и АНМС, основанный на локальном нагружении тонкого металлического сплава на подложке инден-торами различной геометрической формы.
Разработанный метод имеет высокую чувствительность к пластическим свойствам аморфно-нанокристаллического материала, а также обеспечивает возможность исследования малых лазернообработанных областей. Сформулированы требования к выбору оптимальной подложки и геометрической формы индентора для проведения механических испытаний локальным нагружением. Разработанные методы позволяют: 1) определять при локальном нагружении АМС на эластичной подложке температуры предварительного отжига; 2) определять вероятность образования трещин в условиях локального нагружения; 3) определять пластичность тонких лент АМС, 4) проводить испытания в миллиобластях; 5) адекватно фиксировать изменения пластичности при переходе сплава в аморфно-нанокристаллическое состояние.
-
Впервые показано, что пластическая характеристика є аморфно-кристаллического наноматериала, выявляемая традиционным U-методом, связанным с макроиспытанием образца, не позволяет корректно регистрировать изменение механических свойств АНМС, а на стадии существования аморфно-нанокристаллического состояния показывает одинаковые околонулевые значения. В то же время, разработанный метод локального нагружения оказывается чувствительным к структурному состоянию и механическим свойствам АНМС и регистрирует многократное изменение величины є , связанной с пластичностью АНМС. Полученные результаты позволяют рассматривать величину є7/ в качестве характеристики пластичности тонких аморфно-нанокристаллических металлических материалов.
-
Получены новые данные о закономерностях избирательной лазерной обработки аморфно-нанокристаллического металлического сплава с термостабильной аморфной матрицей, заключающиеся в преимущественном воздействии излучения на дефектные области. Разработана методика контролируемого перевода исходно аморфного металлического сплава в нанокристаллическое состояние, пригодное для последующей избирательной лазерной обработки.
Экспериментально установлено двух-трехкратное возрастание пластической характеристики є7/ при сохранении максимального значения микротвердости в условиях двухсторонней многократной сканирующей обработки АНМС серией импульсов наносекундной длительности, что связано с преимущественным воздействием лазерного излучения на дефекты аморфно-нанокристаллических сплавов.
Практическое значение работы
Предложенный в работе метод селективной обработки нано- и микрообластей в прозрачных материалах позволяет повысить оптическую и механическую прочность оптических элементов лазерных систем. Разработанный метод оптимизации оптических свойств прозрачных материалов был использован при конструировании устройства для определения качества световодов и улучшения их оптических свойств (Тамбовский НИИ Радиотехники «ЭФИР», акт об использовании № 14 от 14.11.2007).
На основании установленного для кристаллов исландского шпата характера повреждения при оптическом пробое в широком интервале температур можно рекомендовать оптимальную эксплуатационную температуру. Полученные в работе результаты позволяют прогнозировать влияние трещин на оптическую и механическую прочность прозрачных материалов, а временная зависимость оптической прочности прозрачных диэлектриков от времени существования в них трещин позволяет прогнозировать долговечность оптических элементов.
Экспериментально установленные закономерности оптимизации механических свойств аморфно-нанокристаллических металлических сплавов импульсным лазерным излучением наносекундной длительности позволяют расширить возможности формирования механических свойств таких материалов.
Разработан новый метод исследования механических характеристик тонких металлических сплавов, основанный на локальном нагружении образца на подложке инденторами различной геометрической формы. Предложенный метод определения пластичности и вероятности формирования трещин расширяет возможности экспериментального исследования. Сформулированы требования к выбору оптимальной подложки и геометрической формы индентора. Метод нашел практическое применение при контроле пластических свойств тонких металлических покрытий (ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова», акт об использовании № 8 от 28.11.2007).
Метод механических испытаний тонких металлических покрытий инденторами различной геометрической формы характеризуется высокой чувствительностью к пластическим свойствам материала, позволяет оптимизировать исследования их механических свойств, обеспечивает возможность проведения механических испытаний в миллиобластях. Разработанный метод механических испытаний был внедрен в производство в ОАО «Механический завод Жердевский» (акт о внедрении № 3 от 18.10.2007).
На защиту выносятся следующие положения
-
Закономерности оптимизации оптических свойств прозрачных кристаллов избирательной обработкой неоднородных областей нано- и микромасштаба кратковременным воздействием на материал мощного импульсного лазерного излучения и промежуточной длительной обработкой излучением с низкой плотностью мощности; механизм селективного разрушения оптически опасных дефектов и их перевода в неопасное состояние.
-
Методы селективной лазерной обработки дефектных нано- и мик-
рообластей в окрестности исходной трещины, позволяющие перевести трещину в неопасное состояние и повысить оптическую и механическую (в условиях лазерного облучения) прочность кристалла с исходной трещиной за счет избирательного разрушения опасных поглощающих включений, залечивания дефектов, уменьшения механических напряжений и снижения плотности дислокаций.
-
Закономерности взаимовлияния исходной макроскопической трещины и лазерноиндуцированных дефектов основанные как на особенностях механического взаимодействия указанных дефектов, так и на изменении оптических свойств материала с трещинами, и описывающие особенности снижения оптической и механической (в условиях оптического пробоя) прочности материала.
-
Зависимость оптической прочности кристалла с трещинами от времени их существования, в том числе для случая резкого снижения световой прочности кристалла с трещиной при реализации нелинейных оптических явлений.
-
Закономерности смены механизмов деформирования и разрушения, особенности формирования зоны повреждения в условиях оптического пробоя импульсным излучением монокристаллов исландского шпата по мере повышения начальной температуры облучаемого кристалла.
-
Метод механических испытаний, основанный на локальном нагруже-нии тонкого образца АНМС на подложке, характеризующийся высокой чувствительностью к механическим свойствам и структурному состоянию тонких аморфно-нанокристаллических металлических сплавов и позволяющий проводить исследования в микромасштабных областях.
-
Закономерности деформирования и разрушения тонких образцов АНМС в условиях индентирования на эластичных подложках, основанные на анализе экспериментальных данных полученных при изучении результатов локального нагружения АНМС на подложках инденторами различной геометрической формы.
-
Количественный критерий пластичности є , выявляемый методом локального нагружения на подложках и характеризующийся высокой чувствительностью к механическим свойствам и структурному состоянию тонких образцов АНМС, состоящих из нанокристаллов, изолированных аморфной матрицей.
9. Закономерности лазерной обработки аморфно-
нанокристаллического металлического сплава с термостабильной аморф
ной матрицей, позволяющие осуществлять селективную обработку дефект
ных областей, обеспечивающие возможность двух-трехкратного повыше
ния пластической характеристики сплава є при одновременном сохране
нии высокого уровня микротвердости.
Научная проблема. Полученные в диссертационной работе результаты в совокупности представляют решение крупной научной проблемы в области физики конденсированного состояния, а именно «Формирование
оптических и механических свойств твердых материалов селективной лазерной обработкой неоднородных областей микро- и наномасштабных размеров без изменения свойств окружающего их материала».
Личный вклад автора. На всех этапах выполнения диссертационной работы автор принимал прямое участие в постановке задач данного исследования, в планировании и методическом обеспечении эксперимента, в проведении абсолютного большинства экспериментальных измерений, в обсуждении полученных результатов и формулировании выводов. Вся экспериментальная работа и соответствующие расчеты проводились соискателем лично или при его непосредственном участии. В ряде случаев для обработки экспериментальных данных и проведения расчетов были использованы специально созданные автором программы.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в ста сорока работах, в том числе шестидесяти восьми статьях (из них 39 -статьи в рецензируемых отечественных и зарубежных изданиях).
Апробация работы. Основные результаты исследования были представлены на XXXIII, XXXV, XXXVI, XXXVII, XL, XLII, XLIII Международных семинарах «Актуальные проблемы прочности» (Новгород, 1997 г.; Псков, 1999 г.; Украина, Киев, 2001 г.; Великий Новгород, 2002 г.; Калуга, 2004 г.; Республика Беларусь, г. Витебск, 2000 г.; 2007 г.); на Международных конференциях «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 1997 г., 2001 г., 2007 г.); на IV Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 1996 г.), на Международной конференции по прочности материалов ICSMA-11, ICSMA-13 (Czech Republic, Prague, 1997; Budapest, Hungary, 2003); на IX, X, XI, XII, XIII, XIV, XV Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2005, 2006, 2007 гг.); на Международном симпозиуме по нелинейным электромагнитным системам ISEM-Braunschweig (Germany, Braunschweig, 1997); на Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов 1996 г., 2000 г., 2003 г.); на IV и V Международных семинарах «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 1998 г., 2000 г.); на Международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых YSTM'96 (Москва, 1996 г.); на Московском семинаре «Физика деформации и разрушения твердых тел» (Черноголовка, 2002 г.); на X и XI национальных конференциях по росту кристаллов (Москва, 2002 г., 2004 г.); на Международной конференции «General conference Trend in Physics. EPS-12» (Budapest, Hungary, 2002); на Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочности кристаллов» (Черноголовка, 2002 г.); на второй международной конференции «Materials and Coatings for Extreme Performances» (Katsiveil-town, Crimea, Ukraine, 2002); на Международной конференции «Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges» (Kyiv, Ukraine, 2002); на Международной конференции «Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering NDTCS» (St. Petersburg, Russia, 1997, 1998, 2001, 2002, 2003, 2004);
на Всероссийской конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ 7-10 (С.-Петербург 2001 г.; Екатеринбург, 2002 г.; Красноярск, 2003 г.; Москва 2004 г.); в работе «Державинских чтений» (Тамбов, 1995-2008 гг.); на VI Международном симпозиуме «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева (Старая Русса, 2003 г.); на XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003 г.); на Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2001, 2003, 2004, 2005 г.); на II Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2003 г.); на пятой международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2008 г.); на Международной научно-технической конференции «Вычислительная механика деформируемого твердого тела» (Москва 2006 г.; 2007 г.), в работе Международного семинара «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 2001, 2003, 2005, 2007 гг.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка цитируемой литературы из 362 наименований и приложения. Работа изложена на 345 страницах, содержит 172 рисунка и 14 таблиц.
