К теории лазерной генерации упругих волн в ферромагнитных металлах при температуре магнитного фазового перехода

Автор: Гуревич Сергей Юрьевич, Шульгинов Александр Анатольевич

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика @vestnik-susu-mmph

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.

Еще

Лазерная генерация ультразвука, ферромагнитные металлы, магнитный фазовый переход, продольные и поперечные волны

Короткий адрес: https://readera.org/147235284

IDR: 147235284   |   DOI: 10.14529/mmph210309

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.
Еще
Статья научная