Дослідження температурних полів на сталях з урахуванням кінцевої швидкості розповсюдження тепла при моделюванні умов отримання наноструктур у плазмовому середовищі

Abstract

Основним завданням дослідження було визначення впливу зміни максимальних температур та температурних напружень під час дії лазерного випромінення на оброблювальний матеріал (сталь 38Х) з урахуванням кінцевої швидкості розповсюдження тепла. Дослідження проводились на поверхні матеріалу та в його приповерхневому шарі при заданому тепловому потоці. Порівняння отриманих результатів показали, що в місці розповсюдження тепла з’являються певні зміни температур. При врахуванні кінцевої швидкості поширення тепла були знайдені додаткові стрибки температури, які в процесі розвитку температурних полів перемістилися від центральної частини до країв. Були розраховані температурні напруження з урахуванням теплопровідності та термопружності. Проаналізувавши зміну певних фізичних величин, знайдено характер розподілу температур на поверхні матеріалу та у приповерхневих шарах. Виявлено, що є наявність підвищення температурних напружень до 10% на ділянці максимальних градієнтів температур та до 30% у разі різкого стрибка температур. Якраз це і дає сприятливі умови для отримання наноструктур. При визначенні температурних умов для формування наноструктур, особливо для випадку короткочасної дії лазерного випромінення та високоенергетичних теплових потоків від 1010 Вт/м2 і вище, врахування кінцевої швидкості розповсюдження тепла дає приріст температурних напружень до 10-20%, що може суттєво впливати на визначення технологічних параметрів, необхідних для отримання наноструктур. В той же час при нижчих значеннях теплових потоків та вищих часах дії ЛВ приріст температурних напружень буде менше 10%, що не суттєво вплине на визначення технологічних параметрів лазерного випромінення. Проведені дослідження важливі для подальших теоретичних досліджень по створенню наноструктур на сталях у плазмовому середовищі.

The primary objective of the study was to determine the impact of variations in maximum temperatures and thermal stresses during laser radiation exposure on the material being processed (steel 38Х), taking into account the finite speed of heat propagation. The research was conducted on the material surface and its near-surface layer under a specified heat flux. A comparison of the obtained results showed that certain temperature variations occur in the area of heat propagation. When the finite speed of heat propagation was considered, additional temperature jumps were identified, which, during the development of the temperature fields, shifted from the central part to the edges. Thermal stresses were calculated considering thermal conductivity and thermoelasticity. Analyzing the changes in certain physical parameters revealed the nature of the temperature distribution on the material surface and in its near-surface layers. It was found that there is an increase in thermal stresses of up to 10% in regions of maximum temperature gradients and up to 30% in cases of sharp temperature jumps. These circumstances create favorable conditions for nanostructure formation. When determining the thermal conditions for the formation of nanostructures, especially in the case of short-term laser radiation exposure and highenergy heat fluxes of 10¹⁰ W/m² and above, considering the finite speed of heat propagation results in an increase in thermal stresses up to 10-20%, which can significantly affect the determination of the technological parameters required for nanostructure formation. At the same time, for lower heat flux values and longer laser radiation exposure times, the increase in thermal stresses will be less than 10%, which will not significantly influence the determination of laser radiation technological parameters. The conducted research is important for further theoretical studies on the creation of nanostructures on steels in a plasma environment.