К теории лазерной генерации упругих волн в ферромагнитных металлах при температуре магнитного фазового перехода
Автор: Гуревич Сергей Юрьевич, Шульгинов Александр Анатольевич
Рубрика: Физика
Статья в выпуске: 3 т.13, 2021 года.
Бесплатный доступ
Лазерная генерация ультразвука нашла широкое применение в современных технологиях: для контроля качества композиционных материалов, для выявления расслоений клеевых соединений, внутренних и поверхностных дефектов, а также качества поверхности изделия в процессе производства. Для возбуждения волн в металлах обычно используют импульсный лазер. В металлургии, а также в перспективных 3D-технологиях, необходимо контролировать изделия при высоких (800 °С и более) температурах. Для проектирования ультразвуковых контролирующих устройств, содержащих генератор импульсного лазерного излучения в качестве источника ультразвука, необходимо теоретическое исследование процесса лазерной генерации ультразвука в ферромагнитных металлах при температуре магнитного фазового перехода, т. к. передел горячего металла осуществляется, как правило, именно при этой температуре 768 °С для железа и сплавов на его основе. Из результатов экспериментальных работ следует, что температурная зависимость нормированной амплитуды акустического импульса в железе имеет экстремальный характер в районе магнитного фазового перехода, т.е. в районе точки Кюри. В данной работе поставлена цель исследовать процесс лазерной генерации ультразвука в ферромагнитном металле при условии нелинейной зависимости коэффициента объёмного расширения от температуры. Решена задача термоупругого возбуждения продольных и поперечных волн в ферромагнитном металле лазерным импульсом при температуре магнитного фазового перехода. Получены диаграммы направленности продольных и поперечных волн при воздействии на ферромагнитный металл лазерных импульсов различного диаметра. Даны рекомендации для эффективного использования лазерной генерации ультразвука в дефектоскопии и толщинометрии.
Лазерная генерация ультразвука, ферромагнитные металлы, магнитный фазовый переход, продольные и поперечные волны
Короткий адрес: https://sciup.org/147235284
IDR: 147235284 | УДК: 534.2: | DOI: 10.14529/mmph210309
To the theory of laser generation of elastic waves in ferromagnetic metals at the temperature of magnetic phase transition
Laser generation of ultrasound has found wide application in modern technologies: to control the quality of composite materials, to detect layer separation in adhesive-bonded joints, subsurface and surface defects, as well as the quality of a product's surface in the process of manufacture. For excitation of waves in metals, pulse laser is normally used. In metallurgy, as well as in promising 3D technologies, it is necessary to control products at high temperatures (800°С and higher). To design ultrasound equipment with a pulsed laser radiation generator as the ultrasound source, it is required to conduct theoretical research of the process of laser generation of ultrasound in ferromagnetic metals at the temperature of magnetic phase transition, since the hot metal conversion for ferrum and ferrum-based alloys is, as a rule, performed namely at this temperature of 768 °С. The results of the experimental works allow to conclude that the temperature dependence of normalized amplitude of acoustic pulse in ferrum is of extreme character in the range of magnetic phase transition, i.e., in the range of Curie point. In this work a goal has been set to study the process of laser generation of ultrasound in ferromagnetic metal in the condition of non-linear dependence of the volume-expansion coefficient on the temperature. The task of thermoelastic excitation of longitudinal and transverse waves in ferromagnetic metal by a laser pulse at the temperature of magnetic phase transition has been solved. Diagrams of longitudinal and transverse wave patterns when ferromagnetic metal is exposed to laser pulses of various diameters have been obtained. Recommendations for effective use of laser generation of ultrasound in non-destructive testing and thickness measurement have been given.
Список литературы К теории лазерной генерации упругих волн в ферромагнитных металлах при температуре магнитного фазового перехода
- Гуревич, С.Ю. Лазерная генерация и электромагнитная регистрация нормальных акустических волн в ферромагнитных металлах / С.Ю. Гуревич, Ю.В. Петров // ЖТФ. - 2016. - Т. 86, Вып. 3. - С. 114-117.
- Гусев, В.Э. Лазерная оптоакустика / В.Э. Гусев, А.А. Карабутов. - М.: Наука, 1991. - 303 с.
- Лямшев, Л.М. Лазерное термооптическое возбуждение звука / Л.М. Лямшев. - М.: Наука, 1989. - 237 с.
- Dewhurst, R.J. Quantitative measurements of laser-generated acoustic waveforms / R.J. Dewhurst, DA. Hutchins, S.B. Palmer // J. Appl. Phys. - 1982. - Vol. 53, no. 6. - pp. 4064-4071.
- A new fiber-optic non-contact compact laser-ultrasound scanner for fast non-destructive testing and evaluation of aircraft composites / I. Pelivanov, T. Buma, J. Xia et al. // J. Appl. Phys. - 2014. -Vol. 115, no. 11. - P. 113105.
- Manzo, A.J. Pulsed laser ultrasonic excitation and heterodyne detection for in situ process control in laser 3D manufacturing / A.J. Manzo, H. Helvajian // J. Laser Appl. - 2017. - Vol. 29, no. 1. -P. 012012.
- Ultrasonic inspection of adhesively bonded CFRP/aluminum joints using pulsed laser scanning / N. Toyama, T. Yamamoto, K. Urabe, H. Tsuda // Adv. Compos. Mater. - 2019. - Vol. 28, no. 1. -pp.27-35.
- Podymova, N.B. Broadband Laser-Ultrasonic Spectroscopy for Quantitative Characterization of Porosity Effect on Acoustic Attenuation and Phase Velocity in CFRP Laminates / N.B. Podymova, A.A. Karabutov // J. Nondestruct. Eval. - 2013. - Vol. 33, no. 1. - pp. 141-151.
- Stratoudaki, T. Laser Induced Ultrasonic Phased Array Using Full Matrix Capture Data Acquisition and Total Focusing Method / T. Stratoudaki, M. Clark, P.D. Wilcox // Opt. Express. - 2016. -Vol. 24, no. 19. - P. 21921.
- 10.Application of laser ultrasonic technique for non-contact detection of structural surface-breaking cracks / Z. Zhou, K. Zhang, J. Zhou et al. // Opt. Laser Technol. - 2015. - Vol. 73. - P. 173-178.
- Full non-contact laser-based Lamb waves phased array inspection of aluminum plate / Z. Liu, H. Chen, K. Sun, C. He, B. Wu et al. // J. Vis. - 2018. - Vol. 21, no. 5. - P. 751-761. DOI: 10.1007/s12650-018-0497-z
- Bakre, C. Influence of Surface Roughness from Additive Manufacturing on Laser Ultrasonics Measurements / C. Bakre, M. Hassanian, C. Lissenden // AIP Conference Proceedings. - 2019. -Vol. 2102. - P. 020009.
- Bazylev, P.V. Laser generation of ultrasound and ultrasound velocity measurements in glasses / P.V. Bazylev, I.Y. Krumgolts, V.A. Lugovoy // Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics. - 2016. - Vol. 10176. - P. 101760S.
- Nondestructive Evaluation Method of Average Grain Size in TWIP Steel by Laser Ultrasonic / Y.J. Zhang, X.C. Wang, Q. Yang et al. // Mater. Sci. Forum. - 2018. - Vol. 913. - P. 324-330.
- Generation and detection of plane coherent shear picosecond acoustic pulses by lasers: Experiment and theory / T. Pezeril, P. Ruello, S. Gougeon et al. // Phys. Rev. B. - 2007. - Vol. 75, Iss. 17. -P.174307.
- Examination of nanosecond laser melting thresholds in refractory metals by shear wave acoustics / A. Abdullaev, B. Muminov, A. Rakhymzhanov et al. // AIP Adv. - 2017. - Vol. 7, Iss. 7. -P.075203.
- Экспериментальное изучение генерации и распространения коротких наносекундных акустических импульсов при высоких давлениях в алмазных наковальнях методом лазерного ультразвука / П.В. Зинин, В. Пракапенка, К. Вургесс, Д.Ю. Великовский // Учёные записки физического факультета. - 2014. - № 6. - С. 146314-1-146314-5.
- Hayashi, T. Generation of narrowband elastic waves with a fiber laser and its application to the imaging of defects in a plate / T. Hayashi, K. Ishihara // Ultrasonics. - 2017. - Vol. 77. - P. 47-53.
- Three dimensional evaluation of aluminum plates with wall-thinning by full-field pulse-echo laser ultrasound / S.-C. Hong, A.-D. Abetew, J.-R. Lee, J.-B. Ihn // Opt. Lasers Eng. - 2017. - Vol. 99. -P.58-65.
- Chen S.-L. Review of Laser-Generated Ultrasound Transmitters and Their Applications to All-Optical Ultrasound Transducers and Imaging / S.-L. Chen // Appl. Sci. - 2016. - Vol. 7, Iss 1. - P. 25.
- Гуревич, С.Ю. Характеристики направленности лазерного импульсного термоакустического излучателя в немагнитных металлах / С.Ю. Гуревич, Ю.В. Петров, Е.В. Голубев // Дефектоскопия. - 2017. - № 4. - С. 22-26.
- Hess, P. Laser-based linear and nonlinear guided elastic waves at surfaces (2D) and wedges (1D) / P. Hess, A.M. Lomonosov, A.P. Mayer // Ultrasonics. - 2014. - Vol. 54, Iss. 1. - P. 39-55.
- Lomonosov, A.M. Generation of negative group velocity Lamb waves by a moving laser source / A.M. Lomonosov, C. Ni, Z. Shen, Z. Li // Ultrasonics. - 2019. - Vol. 99. - P. 105950.
- Scanning high-power continuous wave laser-generated bulk acoustic waves / Z. Li, S. Yan, Q. Xie, C. Ni, Z. Shen // Appl. Opt. - 2017. - Vol. 56, Iss. 15. - P. 4290.
- Murray, T.W. Noncontact alternatives to laser detection of ultrasound signals / T.W. Murray, D A. Oursler, J.W. Wagner // Mater. Sci. Forum. - 1996. - Vol. 210-213. - P. 251-258.
- Every, A.G. Laser Thermoelastic Generation in Metals Above the Melt Threshold / A.G. Every, Z.N. Utegulov, I.A. Veres // J. Appl. Phys. - 2013. - Vol. 114, no. 20. - P. 203508.
- Возбуждение ультразвука в железе при фазовом переходе под действием лазерных импульсов / Г.А. Буденков, С.Ю. Гуревич, А.Д. Каунов, А.Ф. Маскаев // Акустический журнал. -1983. - Т. 29, № 4. - С. 561-562.
- Лариков, Л.Н. Тепловые свойства железоникелевых сплавов / Л.Н. Лариков, Ю.В. Усов // Металлофизика. - 1977. - Вып. 68. - С. 28-35.
- Рэди, Д. Действие мощного лазерного излучения / Д. Рэди. - М.: Мир, 1974. - 468 с.
- Коваленко, А.Д. Термоупругость / А.Д. Коваленко. - Киев: Вища школа, 1975. - 216 с.
- Таблицы физических величин. Справочник / под. ред. И.К. Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976. - 1005 с.
- Лыков, А.В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. - М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.
