飞秒激光脉冲辐照下钛中的冲击诱导熔化与结晶
流体动力学
2023-09-12 v1 材料科学
摘要
本文通过实验研究并结合流体力学与原子尺度模拟,分析了飞秒激光脉冲产生的熔化冲击波(SW)传播后钛微观结构的改变。采用扫描与透射电子显微镜及微衍射分析,确定了纯钛样品在改性前后亚表面层的微观结构。我们发现表面下形成了两层改性钛。顶部表面纳米晶多态层由冲击熔化层经快速结晶形成。在更深的亚表面层,由于SW衰减导致冲击诱导熔化不再可能,塑性变形钛的再结晶引起晶粒尺寸相对于完好钛发生变化。对单晶钛的分子动力学模拟表明,SW波前在其温度降至熔化曲线以下后仍能继续熔化/液化。在狭窄SW波前内产生的巨大剪应力导致晶格坍塌/非晶化并形成过冷亚稳熔体。该熔体在SW卸载尾波中结晶,直至因压力快速下降使其温度高于。随后,亚表面熔层的结晶将在热量散失后继续。当SW波前内剪应力降至约GPa以下时,此种冷机械熔化停止,让位于冲击诱导塑性变形。改性深度受SW衰减至Hugoniot弹性极限限制,可达数微米。所得结果揭示了超短激光脉冲表面硬化金属的基本物理机制。
引用
@article{arxiv.2306.09100,
title = {Shock-induced melting and crystallization in titanium irradiated by ultrashort laser pulse},
author = {Vasily Zhakhovsky and Yury Kolobov and Sergey Ashitkov and Nail Inogamov and Ivan Nelasov and Sergey Manokhin and Victor Khokhlov and Denis Ilnitsky and Yury Petrov and Andrey Ovchinnikov and Oleg Chefonov and Dmitriy Sitnikov},
journal= {arXiv preprint arXiv:2306.09100},
year = {2023}
}
备注
15 pages, 13 figures. The work was reported at the 38 International Conference ELBRUS-2023 on March 1, 2023, and submitted to Physical Review Applied