519.63 Молекулярно-динамическое моделирование модификации алюминия лазерной ударной волной
Перов Е. А. (Объединенный институт высоких температур РАН), Жаховский В. В. (Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова/Объединенный институт высоких температур РАН), Иногамов Н. А. (Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН), Шепелев В. В. (Институт автоматизации проектирования РАН), Фортова С. В. (Институт автоматизации проектирования РАН), Долуденко А. Н. (Объединенный институт высоких температур РАН)
ФЕМТОСЕКУНДНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИМПУЛЬС, УДАРНАЯ ВОЛНА, ПЛАСТИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ, МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ВЛОЖЕННАЯ ЭНЕРГИЯ, ЛАЗЕРНОЕ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕ
doi: 10.18698/2309-3684-2023-4-7492
Пластические деформации лежат в основе такой промышленной технологии, как лазерное термоупрочнение или лазерный пиннинг (LSP, laser shock peening). В данной работе методом классической молекулярной динамики исследована возможность упрочнения поверхностного слоя алюминиевого образца, облученного единичным фемтосекундным лазерным импульсом. Рассмотрены три ориентации кристаллической решетки — [1, 0, 0] (первая ориентация кристаллической решетки), [1, 1, 0] (вторая ориентация кристаллической решетки), [1, 1, 1] (третья ориентация кристаллической решетки). Проведено численное исследование влияния различных величин вложенной энергии в диапазоне от 120,98 Дж/м2 до 2540,01 Дж/м2 лазерного импульса на глубину залегания пластических деформаций, влияющих на упрочнение исследуемого материала. Построена зависимость максимальной глубины залегания пластических деформаций от вложенной энергии. Значения энергий подобранны таким образом, что пластический фронт УВ (ударной волны) останавливался до того, как достигнет правой границы моделируемого образца. Необходимость соблюдения этого условия обусловлена тем фактом, что отразившаяся от правой границы образца волна растяжения может тормозить пластический ударный фронт, выступая в роли волны разгрузки. С помощью построенной в работе зависимости максимальной глубины залегания пластических деформаций от вложенной энергии определено пороговое значение вложенной энергии, при превышении которого алюминий начинает пластически деформироваться.
Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Nishihara K. New mechanism of the formation of the nanorelief on a surface irradiated by a femtosecond laser pulse. JETP Letters, 2008, vol. 87, pp. 423–427. DOI: 10.1134/S0021364008080079
Inogamov N.A., Petrov Y.V., Khokhlov V.A., Anisimov S.I., Zhakhovsky V.V., Demaske B.J., Oleynik I.I., Ashitkov S.I., Faenov A.Y., Pikuz T.A., Skobelev I.Y., Agranat M.B., Fortov V.E., Emirov Y.N., Ishino M., Tanaka M., Hasegawa N., Nishikino M., Ohba T., Kaihori T., Ochi Y., Imazono T., Fukuda Y., Kando M., Kawachi T., Tamotsu S., Kato Y. Surface Nanodeformations Caused by Ultrashort Laser Pulse. Engineering Failure Analysis, 2015, vol. 47, pp. 328–337. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2013.12.009
Bonse J., Kruger J., Hohm S., Rosenfeld A. Femtosecond laser-induced periodic surface structures. Journal of Laser Applications, 2012, vol. 24, iss. 4, art. no. 042006. https://doi.org/10.2351/ 1.4712658
Inogamov A., Zhakhovskii V.V., Khokhlov V.A. Dynamics of gold ablation into water. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2018, vol. 127, pp. 79–106. DOI: 10.1134/S1063776118070075
Petrov Yu.V., Khokhlov V.A., Zhakhovsky V.V., Inogamov N.A. Hydrodynamic phenomena induced by laser ablation of metal into liquid. Applied Surface Science, 2019, vol. 30, pp. 285–297. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.05.325
Maciulevicius M., Vinciunas A., Brikas M., Butsen A., Tarasenka N., Tarasenko N., Raciukaitis G. On-line characterization of gold nanoparticles generated by laser ablation in liquids. Physics Procedia, 2013, vol. 41, pp. 531–538. DOI:https://doi.org/10.1016/j.phpro.2013.03.112
Liao Y., Ye C., Cheng G.J. A review: Warm laser shock peening and related laser processing technique. Optics & Laser Technology, 2016, vol. 78, Part A, pp. 15–24. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.09.014
Kim J., Kim Y., Kim J. Effects of simulation parameters on residual stresses for laser shock peening finite element analysis. Journal of Mechanical Science and Technology, 2013, vol. 27, pp. 2025–2034. DOI: 10.1007/s12206-012-1263-0
LSP Technologies: Introduction to Laser Peening. URL: https://www.lsptechnologies.com/wp-content/uploads/2019/03/Intro-to-LaserPeening-Webinar.pdf
Tsujino M., Sano T., Ogura T., Okoshi M., Inoue N., Ozaki N., Kodama R., Kobayashi K.F., Hirose A. Formation of High-Density Dislocations and Hardening in Femtosecond-Laser-Shocked Silicon. Applied Physics Express, 2012, vol. 5, no. 2, art. no. 022703. DOI: 10.1143/APEX.5.022703
Matsuda T., Sano T., Arakawa K., Hirose A. Multiple-shocks induced nanocrystallization in iron. Applied Physics Letters, 2014, vol. 105, iss. 2, art. no. 021902. DOI: 10.1063/1.4890389
Sano T., Eimura T., Kashiwabara R., Matsuda T., Isshiki Y., Hirose A., Tsutsumi S., Arakawa K., Hashimoto T., Masaki K., Sano Y. Femtosecond laser peening of 2024 aluminum alloy without a sacrificial overlay under atmospheric conditions. Journal of Laser Applications, 2017, vol. 29, iss. 1, art. no. 012005. DOI: https://doi.org/10.2351/1.4967013
Иногамов Н.А., Перов Е.А., Жаховский В.В., Шепелев В.В., Петров Ю.В., Фортова С.В. Лазерная ударная волна: пластичность, толщина слоя остаточных деформаций и переход из упругопластического в упругий режим распространения. Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики, 2022, т. 115, № 1-2 (1), с. 80–88. DOI: 10.31857/S1234567822020033
Hairer E., Lubich C., Wanner G. Geometric numerical integration illustrated by the Störmer–Verlet method. Acta Numerica, 2003, vol. 12, pp. 399–450. DOI:10.1017/S0962492902000144
Препарата Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия: введение. Москва, Мир, 1989, 478 с.
Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. Москва, Наука, 1978, 791 с.
Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в компьютерной физике. Москва, Наука, 1990, 176 с.
Волегов П.С., Герасимов Р.М., Давлятшин Р.П. Модели молекулярной динамики: обзор EAM-потенциалов. Часть 1: потенциалы для однокомпонентных систем. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, 2017, № 4, с. 214–237. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.14
Волегов П.С., Герасимов Р.М., Давлятшин Р.П. Модели молекулярной динамики: обзор EAM-потенциалов. Часть 2. Потенциалы для многокомпонентных систем. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, 2018, № 2, с. 114–132. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.2.11
Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Petrov Yu.V., Ashitkov S.I., Nishihara K. Molecular dynamics simulation of femtosecond ablation and spallation with different interatomic potentials. Applied Surface Science, 2009, vol. 255, iss. 24, pp. 9592–9596. DOI: 10.1016/j.apsusc.2009.04.082
Cheung P.S.Y. On the calculation of specific heats, thermal pressure coefficients and compressibilities in molecular dynamics simulations. Molecular Physics, vol. 33, iss. 2, pp. 519–526. DOI: 10.1080/00268977700100441
Clausius R. On a mechanical theorem applicable to heat. The Philosophical Magazine: A Journal of Theoretical Experimental and Applied Physics, 1870, vol. 40, iss. 265, pp. 122–127.
Kelchner C.L., Plimpton S.J., Hamilton J.C. Dislocation nucleation and defect structure during surface indentation. Physical Review B, 1998, vol. 58, art. no. 11085. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.11085
Перов E.А., Жаховский В.В., Иногамов Н.А., Шепелев В.В., Фортова С.В., Долуденко А.Н.. Молекулярно-динамическое моделирование модификации алюминия лазерной ударной волной. Математическое моделирование и численные методы, 2023, № 4, с. 74-92
Работа выполнена в рамках госзадания ИАП РАН (Шепелев В.В., Фортова С.В.), госзадания ИТФ им. Л.Д. Ландау РАН (Иногамов Н.А.) и госзадания ОИВТ РАН (Перов Е.А., Долуденко А.Н.).
Скачать статью
Количество скачиваний: 165