毫秒級脈沖激光輻照脆性材料的熱-力學效應.pdf

1、本文從數(shù)值模擬和實驗兩方面對毫秒級脈沖激光靜態(tài)輻照和動態(tài)掃描脆性材料過程中的溫度場和應力場進行了分析,進而就毫秒級脈沖激光對脆性材料的損傷機理,掃描情況下的可控斷裂過程,高溫情況下脆性材料的塑性轉變過程等方面進行了研究?；诠腆w熱傳導理論,建立了軸對稱有限元計算模型,對毫秒級脈沖激光靜態(tài)輻照單晶硅材料過程中的溫度場和應力場進行了模擬分析。熱應力場分布規(guī)律的分析結果顯示激光輻照過程中最有可能在激光輻照區(qū)域周圍首先出現(xiàn)沿徑向發(fā)展的裂紋。根據(jù)

2、不同能量密度的波長1064nm毫秒級脈沖激光對單晶硅的損傷實驗結果,結合熱應力的數(shù)值模擬結果對損傷機理進行了分析,可知環(huán)向應力和徑向應力的共同作用導致裂紋沿徑向開裂后再趨向環(huán)向發(fā)展。
　　 本研究建立了三維有限元熱彈計算模型,對毫秒級脈沖激光動態(tài)掃描脆性板狀材料過程中的溫度場和應力場進行了分析,并對材料邊緣含有裂紋情況下的裂紋尖端的應力強度因子變化情況進行了模擬計算。計算結果表明,在激光加熱區(qū)域前后位置存在兩個拉應力區(qū),裂紋尖端

3、的應力集中現(xiàn)象誘發(fā)材料持續(xù)開裂并引導裂紋沿激光掃描方向擴展。類比于單脈沖激光輻照過程中應力場和溫度場對稱分布的規(guī)律,對雙脈沖激光掃描含裂紋的單晶硅片過程中應力場的分布變化情況進行了模擬,并對不同激光光斑間距、不同激光功率情況下裂紋尖端的應力強度因子變化規(guī)律進行了分析。采用熱彈塑計算模型,對脆性材料在激光輻照下的塑性轉變過程進行了有限元計算模擬,分析了激光輻照過程中熱膨脹和熱軟化對熱應力的影響,并對塑性轉變過程中的應力釋放過程、塑性區(qū)域的