Атомные механизмы структурных изменений поверхностного слоя железа под воздействием пикосекундных лазерных импульсов

1.

Сибирский
государственный
индустриальный
университет
Гостевская Анастасия Николаевна
АТОМНЫЕ МЕХАНИЗМЫ СТРУКТУРНЫХ
Научный руководитель:
Доктор физико-математических наук,
ИЗМЕНЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО
доцент
Маркидонов Артем Владимирович
СЛОЯ ЖЕЛЕЗА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ
ПИКОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ
ИМПУЛЬСОВ
Новокузнецк – 2025

2.

Актуальность исследования
СЭМ-изображения результатов
воздействия на стальной образец 104
лазерных импульсов (λ = 780 нм) в
вакууме при различной длительности
импульса (τ) и флюенсе лазерного
излучения (F): (a) τ = 3.3 нс, F = 4.2
Дж/см2; (b) τ = 80 пс, F = 3.7 Дж /см2;
(c) τ = 200 фс, F = 0.5 Дж/см2
Лазерная обработка представляет собой передовой метод
обработки материалов, который обладает широким спектром
применений и преимуществами. ​В результате воздействия на
металл ультракороткими сверхмощными лазерными импульсами
создаются уникальные физические условия – высокая скорость
нагрева материала и объемный механизм выделения энергии
лазерного излучения. Все это приводит к тому, что
конденсированная
среда
нагревается
до
температур,
превышающих равновесное значение как температуры плавления,
так и температуры испарения.
Наибольший интерес для исследователей представляют
ультракороткие
лазерные
импульсы,
в
частности
фемтосекундные. Исследований процессов, протекающих после
пикосекундных импульсов гораздо меньше, хотя они также
широко используются при обработке материалов. Кроме того, в
подавляющем большинстве исследований рассматриваются
металлы с ГЦК решеткой. Но как показано в работе в ОЦК
кристалле процессы дефектообразования протекают иначе.
Chicbkov B.N., Momma C., Nolte S., Alvensleben F., Tiinnermann A. Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids /// Applied
Physics A. 1996. V.63. P.109-115.
2

3.

Цели и задачи
Цель работы – установить при помощи метода молекулярной динамики атомные механизмы,
приводящие к структурным изменениям поверхностного слоя железа, при модельном
воздействии на него пикосекундных лазерных импульсов.
1 Разработать молекулярно-динамическую модель кристалла железа, подверженного
воздействию ультракороткого лазерного импульса
Изучить при помощи построенной модели изменения, происходящие в кристалле
2 при создаваемом высокотемпературном воздействии и на различных этапах
последующей релаксации
3
Исследовать влияние характеристик моделируемого лазерного импульса, а также
параметров модели кристалла, на происходящие структурные изменения
4
Выявить особенности структурных изменений, обусловленных одновременным
существованием различных термодинамических фаз в модели
3

4.

Положения, выносимые на защиту
1.
После прекращения действия лазерного импульса на кристаллическую структуру
процесс релаксации протекает в несколько этапов, сопровождающихся различными структурными
преобразованиями, на которые оказывает влияние как интенсивность облучения, так и
кристаллографическая ориентация облучаемой поверхности.
2.
В образовавшейся после воздействия лазерного импульса жидкой фазе свободный
объем локализуется в виде пор. Основным механизмом, приводящим к уменьшению их размеров,
является диффузионно-вязкое течения вещества.
3.
Причиной образования дислокаций в процессе релаксации структуры, подвергнутой
воздействию лазерного импульса, является кривизна межфазной границы, приводящей к
неравномерности распределения возникающих касательных напряжений.
4.
Для формирования областей разориентации в материале после лазерного воздействия
необходимо наличие жидкой фазы и избыточного свободного объема.
В основе диссертации лежит теоретическая концепция научной школы Заслуженного деятеля науки РФ, д.ф.м.н., профессора Михаила Дмитриевича Старостенкова «Теория и компьютерное моделирование в физике
конденсированного состояния».
4

5.

Метод молекулярной динамики
Исследуемая система, представляет собой совокупность N взаимодействующих частиц,
поведение которых описывается классическими уравнениями Ньютона: