Содержание
Перейти к:
Моделирование структурных изменений в металле при высокоинтенсивном внешнем воздействии
https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-5-567-572
Аннотация
На сегодняшний день перед исследователями и промышленностью стоит задача улучшения физико-механических свойств различных металлических изделий. Для упрочнения конструкций существуют различные технологии обработки поверхности материала путем высокотемпературного воздействия. Большой интерес при этом вызывает применение лазерных технологий. Высокоскоростной локальный лазерный нагрев поверхности материала с последующим быстрым охлаждением путем отвода тепла в глубь объема, а также отсутствие механического воздействия позволяют получить уникальные неравновесные структуры с широким набором свойств. Очевидно, что развитие этих технологий требует глубоких фундаментальных исследований. В настоящей работе методом молекулярной динамики выявлялись особенности структурных изменений поверхностных слоев кристалла железа при высокотемпературном воздействии. Выбор такого метода обусловлен тем, что рассматриваемые явления затруднительно изучать путем реальных экспериментов и прямых наблюдений. Условия компьютерного эксперимента были заданы таким образом, чтобы после прохождения точки температуры плавления в моделируемой системе происходил фазовый переход, при котором осуществляется отрыв частиц от поверхности жидкой фазы. В результате проведенного исследования выполнена оценка пороговой температуры эжектирования частиц и проведено исследование механизмов образования кластеров частиц. При нагреве происходит увеличение количества кластеров, а при охлаждении – его уменьшение, но при этом размеры кластеров увеличиваются, что свидетельствует о реализации механизма конденсации продуктов абляции. Дополнительно проведено исследование влияния внешнего давления на моделируемую систему частиц. Показано, что при увеличении давления количество кластеров уменьшается.
При поддержке: Исследование проводилось в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-00087-2401.
Для цитирования:
Гостевская А.Н., Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Лубяной Д.А. Моделирование структурных изменений в металле при высокоинтенсивном внешнем воздействии. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2024;67(5):567-572. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-5-567-572
For citation:
Gostevskaya A.N., Markidonov A.V., Starostenkov M.D., Lubyanoi D.A. Simulation of structural changes in metal under high-intensity external influence. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2024;67(5):567-572. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-5-567-572
Введение
Под воздействием высоких температур структура материала претерпевает изменения. Изучение влияния высоких температур на структурные изменения металлов в области механики конденсированных сред ставит множество задач, связанных с основными свойствами и структурными изменениями материалов. Следует отметить, что в последнее время наблюдается рост интереса к методам получения наночастиц путем распыления материала при высокотемпературном воздействии. Облучение ультракороткими лазерными импульсами имеет практический интерес [1; 2], поэтому ему посвящены как экспериментальные, так и теоретические исследования [3 – 5]. В настоящее время существуют теоретические методы, которые основываются на построении тепловых моделей [6], разбросе баланса энергии испускания лазера [7]. Это позволяет оценить воздействие лазерного облучения на изменение поверхностного строения. Следует отметить, что характерные для лазерного облучения материалов явления абляции и десорбции исследовали с использованием метода молекулярно-динамического моделирования [8; 9]. Применительно к твердым телам молекулярная динамика может показать различия десорбции от абляции, предсказать распределение кластеров в образцах [10 – 12], распределение частиц по радиальной и осевой скоростям и объяснить зависимость абляции от свойств лазера [13 – 15], таких как плотность энергии и длительность импульса [16; 17]. Известно, что для многих материалов процесс абляции сопровождается формированием кластеров частиц. В качестве механизма их образования рассматриваются процессы конденсации облака эжектированных частиц, фазовый взрыв, гидродинамическое распыление и фотомеханические эффекты [18; 19]. В рамках настоящей работы было выполнено исследование механизмов образования кластеров частиц.
Методика исследования
Для реализации численного эксперимента был выбран метод молекулярной динамики, позволяющий реализовать моделирование различных статистических ансамблей частиц, а также выполнить сопоставление полученных результатов в реальном времени.
Реализация моделирования по методу молекулярной динамики во многом зависит от потенциала межчастичного взаимодействия. При вычислении потенциала применяли модель «погруженного атома», базирующуюся на теории расчета электронной структуры многих систем частиц в физике.
При расчете системы частиц, моделируемой в исследовании, строили ячейки металла (ОЦК решетки) с параметром решетки а0 = 2,855 Å, которые транслировали вдоль осей х, y, z. Полученная расчетная ячейка имитировала кристалл железа и включала в себя 30 000 частиц. Бесконечную протяженность кристалла получили при использовании периодических граничных условий, а для создания поверхности вдоль оси ординат применяли свободные граничные условия.
В ходе моделирования расчетную ячейку разбивали на области, в каждой из которых задавали определенную температуру, убывающую по мере удаления от поверхности. При использовании модели полубесконечного твердого тела аналитически точное решение тепловой задачи можно получить путем интегральных преобразований [20]. При этом, если интенсивность источника постоянна, то распределение температуры по глубине образца на стадии нагрева определяется как функция координат по формуле:
| \[T(y,{\rm{ }}t) = \frac{{2Aq}}{\lambda }\sqrt {at} {\rm{ierfc}}\left( {\frac{y}{{2\sqrt {at} }}} \right),\] | (1) |
где A = 0,68 – поглощательная способность; q = 3,5 ÷ 6,5 МВт/см2 – плотность энергии; λ = 80 Вт/(м·К) – коэффициент теплопроводности; a = 2,621·10\(^‒\)5 м2/с – температуропроводность; τ = 10·10\(^‒\)12 с – длительность воздействия.
Функция ierfc(x) является интегралом от функции интеграла вероятности:
| \[{\rm{ierfc}}(x) = \int_x^\infty {{\rm{erfc}}(x)dx} .\] | (2) |
После того, как лазерное воздействие прекращается, наступает стадия охлаждения, распределение температуры определяется по следующей формуле:
| \[T(y,{\rm{ }}t) = \frac{{2Aq}}{\lambda }\left[ {\sqrt {at} {\rm{ierfc}}\left( {\frac{y}{{2\sqrt {at} }}} \right) - \sqrt {a(t - \tau )} {\rm{ierfc}}\left( {\frac{y}{{2\sqrt {a(t - \tau )} }}} \right)} \right].\] | (3) |
Результаты исследований и их обсуждение
Для выявления кластеров систему частиц разбивали на несвязанные группы на основе критерия расстояния, принятого равным удвоенному значению параметра решетки. Под отдельным кластером будем понимать группу частиц, каждая из которых удалена от одной или нескольких частиц той же группы на расстояние, не превышающее радиус обрезания. После выявления кластеров частиц они раскрашиваются в определенный цвет в зависимости от его размеров. Цветовая гамма менялась с фиолетовой на красную по мере увеличения количества частиц, принадлежащих кластеру.
Проведенное исследование показало, что в процессе нагрева идентифицируется постепенно увеличивающееся количество кластеров, которые, как правило, представляют собой одиночные частицы (рис. 1, а). В процессе охлаждения количество идентифицируемых кластеров уменьшается, а их размеры увеличиваются, то есть ранее эжектированные частицы начинают объединяться в группы (рис. 1, б). В рассмотренной модели реализуется механизм конденсации продуктов абляции.
Рис. 1. Визуализация идентифицируемых кластеров через 10 (а) |
Идентифицированные кластеры при различной плотности лазерного излучения представлены на рис. 2. Большая плотность энергии лазерного излучения способствует образованию большего количества кластеров (для q = 3,5, 5,0 и 6,5 МВт/см2 составляет 6, 23 и 38 соответственно).
Рис. 2. Визуализация идентифицируемых кластеров через 20 пс |
Было проведено исследование влияния давления в системе на количество формирующихся кластеров. Алгоритм баростатирования, применяемый при моделировании, заключается в том, что объем системы становится переменной величиной, значение которой меняется, чтобы давление в системе оставалось постоянным [20]. Кластеры при различном давлении представлены на рис. 3.
Рис. 3. Визуализация идентифицируемых кластеров через 20 пс |
Количество кластеров при увеличении давления уменьшается. Изменение их числа в процессе моделирования представлено на рис. 4.
Рис. 4. Изменение количества кластеров при моделировании |
Выводы
В результате проведенного исследования была построена модель с помощью метода молекулярной динамики, которая дала возможность изучить процесс лазерной абляции, протекающий под влиянием коротких импульсов с малой плотностью. Проведено исследование формирования кластеров частиц при абляции. Построена числовая зависимость количества сформированных кластеров от воздействующего на них давления.
Список литературы
1. Гостевская А.Н. Воздействие ультракоротких сверхмощных лазерных импульсов на твердое тело. В кн.: Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов. Сб. тезисов докладов XXVI Уральской школы металловедов-термистов. Екатеринбург. 2022:259–261.
2. Мажукин В.И., Мажукин А.В., Демин М.М., Шапранов А.В. Эффекты неравновесности при воздействии импульсного лазерного излучения на металлы. Оптический журнал. 2011;78(8):29–37.
3. Zhigilei L.V., Kodali P.B.S., Garrison B.J. Molecular dynamics model for laser ablation and desorption of organic solids. The Journal of Physical Chemistry B. 1997;101(11): 2028–2037. https://doi.org/10.1021/jp9634013
4. Tabetah M., Matei A., Constantinescu C. The minimum amount of “matrix” needed for matrix-assisted pulsed laser deposition of biomolecules. The Journal of Physical Chemistry B. 2014;118(46):13290–13299. http://dx.doi.org/10.1021/jp508284n
5. Bauerle D. Laser Processing and Chemistry. Luxembourg: Springer Science Business Media; 2011:851.
6. Гостевская А.Н., Маркидонов А.В. Изменение внутреннего строения металлов при воздействии лазерных импульсов. В кн.: Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении. Материалы 5-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Пермь: Изд-во Пермского нац. исслед. политехн. ун-та; 2021:60–63.
7. Гостевская А.Н., Маркидонов А.В., Коваленко В.В. Молекулярно-динамическое моделирование лазерной абляции. В кн.: Перспективные материалы и технологии: материалы международного симпозиума, Минск, 23–27 августа 2021 г. / Под. ред. В.В. Рубаника. Минск: Белорусский государственный институт стандартизации и сертификации; 2021:21.
8. Willis D.A., Grosu V. The effect of melting-induced volumetric expansion on initiation of laser-induced forward transfer. Applied Surface Science. 2007;253(10):4759–4763. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.10.046
9. Fardel R., Nagel M., Nuesch F. Energy balance in a laser-induced forward transfer process studied by shadowgraphy. Journal of Physical Chemistry C. 2009;113(27):11628–11633. http://dx.doi.org/10.1021/jp901340s
10. Zhigilei L. Yingling Ya., Itina T., Schoolcraft T., Garrison B. Molecular dynamics simulations of matrix-assisted laser desorption-connections to experiment. International Journal of Mass Spectrometry. 2003;226(1):85–106. https://doi.org/10.1016/S1387-3806(02)00962-4
11. Анисимов С.И., Лукьянчук Б.С. Избранные задачи теории лазерной абляции. Успехи физических наук. 2007; 45(3):293. https://doi.org/10.3367/ufnr.0172.200203b.0301
12. Завьялова М.А. Поверхностная модификация кварцевого стекла импульсами пикосекундного лазера. Компьютерная оптика. 2016;40(6):863–870. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2016-40-6-863-870
13. Кузнецов П.М., Федоров В.А. Формирование рельефа кратера при воздействии лазерного излучения на поверхность сплава Fe ‒ Si. Вестник ТГУ. 2010;15(6):1790–1793.
14. Явтушенко Т.О., Кадочников А.С., Новиков С.Г., Беринцев А.В., Столяров Д.А. Экспериментальное исследование процесса структурирования поверхности металла фемтосекундными лазерными импульсами высокой мощности. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013;15(4-5):1033–1037.
15. Kuo J.-K., Huang P.-H., Chien S.-K., Huang K.-Y., Chen K.-T. Molecular dynamics simulations of crater formation induced by laser ablation on the surface of α-Fe substrate. MATEC Web of Conferences. 2018;167:03011. https://doi.org/10.1051/matecconf/201816703011
16. Gong X.-F., Yang G.-X., Li P., Wang Y., Ning X.-J. Molecular dynamics simulation of pulsed laser ablation. International Journal of Modern Physics B. 2011;25(4):543–550. http://dx.doi.org/10.1142/S0217979211058122
17. Cheng C., Wu A.Q., Xu X. Molecular dynamics simulation of ultrafast laser ablation of fused silica. Journal of Physics: Conference Series. 2007;59:100–104. http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/59/1/022
18. Рыкалкин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Москва: Машиностроение; 1985:496.
19. Жигилей Л.В., Левегль Э., Иванов Д.С., Лин Ж., Волков А.Н. Моделирование короткоимпульсной лазерной абляции методом молекулярной динамики: механизмы эжекции материала и формирования наночастиц. Новосибирск: ИТ СО РАН. 2009:147–220.
20. Andersen H.C. Molecular dynamics simulations at constant pressure and/or temperature. The Journal of Chemical Physics. 1980;72(4):2384–2393. https://doi.org/10.1063/1.439486
Об авторах
А. Н. Гостевская
Сибирский государственный индустриальный университет
Россия
Россия
Анастасия Николаевна Гостевская, аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля
Россия, 654007, Кемеровская обл. ‒ Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
А. В. Маркидонов
Сибирский государственный индустриальный университет; Кузбасский гуманитарно-педагогический институт Кемеровского государственного университета
Россия
Россия
Артем Владимирович Маркидонов, д.ф.-м.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин имени В.М. Финкеля, Сибирский государственный индустриальный университет; заведующий кафедрой информатики и вычислительной техники им. В.К. Буторина, Кузбасский гуманитарно-педагогический институт Кемеровского государственного университета
Россия, 654007, Кемеровская обл. ‒ Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42
Россия, 654041, Кемеровская обл. ‒ Кузбасс, Новокузнецк, ул. Циолковского, 23
М. Д. Старостенков
Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова
Россия
Россия
Михаил Дмитриевич Старостенков, д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой физики
Россия, 656038, Алтайский край, Барнаул, пр. Ленина, 46
Д. А. Лубяной
Филиал Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева в г. Прокопьевске
Россия
Россия
Дмитрий Анатольевич Лубяной, к.т.н., доцент кафедры технологии и комплексной механизации горных работ
Россия, 653039, Кемеровская обл. ‒ Кузбасс, Прокопьевск, ул. Ноградская, 32
Рецензия
Для цитирования:
Гостевская А.Н., Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Лубяной Д.А. Моделирование структурных изменений в металле при высокоинтенсивном внешнем воздействии. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2024;67(5):567-572. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-5-567-572
For citation:
Gostevskaya A.N., Markidonov A.V., Starostenkov M.D., Lubyanoi D.A. Simulation of structural changes in metal under high-intensity external influence. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2024;67(5):567-572. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-5-567-572
Просмотров:
176
Послать статью по эл. почте 