CC BY
19
УДК 539
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ СТАДИИ РАЗВИТИЯ ВОЛНОВОГО РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ СПЛАВА Fe-Si
© П.М. Кузнецов, В.А. Федоров, А.С. Лобанов
Ключевые слова: лазерное излучение; сплав; пространственное развитие неустойчивости; кратер.
Обнаружены три области пространственного развития термокапиллярной неустойчивости: область стабилизации поверхности; область экспоненциального роста волн; область нелинейного роста волн.
ВВЕДЕНИЕ
Как было показано в [1, 2], воздействие лазерного излучения на металлическую поверхность сопровождается формированием волнообразного рельефа на поверхности кратера. Формирование волнового рельефа связано с термокапиллярной неустойчивостью [2]. В процессе маркировки деталей возникает волнообразный рельеф, в связи с этим особый интерес представляет пространственное развитие данной неустойчивости.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В экспериментах использовали пластины поликри-сталлического сплава Fe-Si толщиной 0,25 мм и средним размером зерен 10 мм, приготовленные как металлографический шлиф. Топологические измерения проводили на бесконтактном профилометре Wyko ЭТ 9080 (длина волны излучения X ~ 670 нм). Облучение образцов производили прямоугольной временной формой лазерного импульса. Варьирование плотности мощности производили по методике, предложенной в [1].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате воздействия лазерного излучения на поверхности сплава Fe-Si формируется кратер, который имеет профиль, указанный на рис. 1. Критическая плотность мощности лазерного излучения для формирования рельефа кратера составляет 1,10105 Вт-см-2.
В качестве характерного примера волнового рельефа выбран кратер, полученный при облучении с интенсивностью 2,21-105 Вт-см-2. Профилограмма, показывающая особенности формирования волнового рельефа, представлена на рис. 2, на вставке показана зависимость изменения амплитуды волн (разность соседних амплитуд) от расстояния до центра кратера.
Формирование рельефа в кратере, как видно из рис. 2, имеет три характерные области:
I. область стабилизации поверхности (~ 0,15 мм);
II. область экспоненциального роста волн (~ 0,05 мм);
III. область нелинейного роста волн (~ 0,05 мм).
В области стабилизации поверхности формирование волн не происходит.
В области экспоненциального роста волн формировавшиеся волны имеют пологий подъем и крутой фронт, что характерно для перемещения волн по течению [2].
Рис. 1. Топология кратера при облучении плотностью мощности 2,21 • 105 Вт-см-2
Рис. 2. Профилограмма картера сплава Fe-Si в результате облучения плотностью мощности 2,21-105 Вт-см-2
В области нелинейного роста волн, наравне с увеличением амплитуды, наблюдается раздвоение целой волны на две отдельные. Это может быть связано с появлением вторичных неустойчивостей при превышении амплитуды исходной волны критического значения [3]. Критическая амплитуда волны в нашем случае составляет 0,6 мкм.
ВЫВОДЫ
Таким образом, обнаружены три области пространственного развития термокапиллярной неустойчивости: область стабилизации поверхности; область экспоненциального роста волн; область нелинейного роста волн.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов П.М., Федоров В.А., Жигачев А.О. Эволюция рельефа кратера при воздействии лазерного излучения на поверхность стали 40Х13 // Микромеханизмы пластичности разрушения и сопутствующих явлений (MPFP-2013): труды участников 7 Междунар. конф., 18-21 июня 2013 г., г. Тамбов. Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 4. С. 1776-1777.
2. Федоров В.А., Кузнецов П.М., Яковлев А.В. Формирование рельефа на поверхности сплава Fe-Si в зоне воздействия лазерного излучения // Физика и xимия обработки материалов. 2013. № 1. С. 24-28.
3. Jiang L., Lin H.-J., Schultz W. W., Perlin M. Unsteady ripple generation on steep gravity-capillary waves // J. Fluid Mech. 1999. V. 386. Р. 281304.
4. Инфельд Э., Роуландс Дж. Нелинейные волны, солитоны и хаос. М.: Физматлит, 2006. 480 с.
БЛАГОДАРНОСТИ:
1. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта № 12-01-97519-р_центр_а.
2. Авторы выражают благодарность А.О. Жигачеву за помощь в экспериментах.
Поступила в редакцию 21 ноября 2013 г.
Kuznetsov P.M., Feodorov V.A., Lobanov A.S. SPATIAL EVOLUTION OF WAVY RELIEF ON SURFACE OF Fe-Si ALLOY
Three spatial development thermocapillary instability such as surface area stabilization; area of exponential growth waves; domain nonlinear wave growth are found.
Key words: laser light alloy, spatial development of instability, crater.
Кузнецов Петр Михайлович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, магистрант по направлению подготовки «Физика» института математики, физики и информатики, e-mail: [email protected]
Kuznetsov Pyotr Mikhailovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate for Master’s Degree of Direction of Preparation of “Physics” of Mathematics, Physics and Informatics Institute, email: [email protected]
Федоров Виктор Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, зав. кафедрой общей физики, e-mail: [email protected]
Feodorov Viktor Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Рhysics and Mathematics, Professor, Honored Worker of Science of Russian Federation, Head of General Physics Department, e-mail: [email protected]
Лобанов Александр Сергеевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, магистрант по направлению подготовки «Физика» института математики, физики и информатики, e-mail: [email protected]
Lobanov Aleksander Sergeyevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate for Master’s Degree of Direction of Preparation of “Physics” of Mathematics, Physics and Informatics Institute, email: [email protected]
