ОЦЕНКА СКОРОСТИ ФРОНТА ПЛАВЛЕНИЯ В ЖЕЛЕЗЕ, ПОДВЕРГНУТОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ ПИКОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА

10.25712/ASTU.1811-1416.2026.02.004

Аннотация

Методом молекулярной динамики исследованы кинетика и механизмы плавления монокристалла α-железа, индуцированного воздействием одиночного пикосекундного лазерного импульса. Для имитации быстрого поверхностного нагрева использовался подход, при котором начальное распределение температуры задавалось в соответствии с решением уравнения теплопроводности с учетом теплофизических свойств материала и параметров облучения. Ключевым варьируемым фактором, определяющим тепловое состояние системы, выступала плотность энергии лазерного импульса. В результате компьютерного эксперимента зафиксировано образование двухфазной системы «расплав-твердое тело» и изучена ее эволюция. С помощью алгоритма анализа общих соседей и последующего построения изоповерхности на основе скалярного поля локальной структурной упорядоченности проведена идентификация положения межфазной границы в различные моменты модельного времени. Анализ показал одновременную реализацию гетерогенного и гомогенного механизмов плавления, что является прямым указанием на достижение кристаллической решеткой существенного перегретого состояния. На основе анализа перемещения межфазной границы определена зависимость скорости фронта плавления от величины перегрева в широком диапазоне плотностей мощности энергии облучения. Установлено, что при перегревах свыше 300 К скорость фронта достигает значений порядка нескольких сотен метров в секунду. Показано, что полученная зависимость удовлетворительно описывается в рамках модифицированной кинетической модели Вильсона-Френкеля, что подтверждает возможность применения данного феноменологического подхода для описания сверхбыстрых фазовых переходов. Полученные количественные данные могут быть применены для верификации континуальных моделей и оптимизации режимов прецизионной лазерной микрообработки и абляции, где критически важен контроль глубины и морфологии расплавленной зоны.