Numerical simulation and experimental investigation on fracture mechanism of granite by laser irradiation

材料科学 散裂 断裂(地质) 激光器 复合材料 穿孔 脆性 极限抗拉强度 辐照 压力(语言学) 图层(电子) 光学 物理 量子力学 核物理学 语言学 哲学 中子 冲孔
作者
Meiyan Li,Bo Han,Shiyi Zhang,Laizhou Song,Qingbo He
出处
期刊:Optics and Laser Technology [Elsevier]
卷期号:106: 52-60 被引量:26
标识
DOI:10.1016/j.optlastec.2018.03.016
摘要

Numerical simulation and experimental tests are conducted to determine the stress distribution and fragment mechanism of granite during laser perforation. The mechanisms of material removal through laser perforation are spallation, melting and ablation. High intensity laser energy concentrates locally on the granite surface area and causes the local temperature to increase instantaneously. The closer the center of laser beam is, the higher the temperature is. With the laser power increasing the size of laser perforation hole is expanded. In addition, the high heating and cooling rates induced by laser irradiation brings out the generation of high tensile stress (481–536 MPa), which is far higher than the tensile strength (11 MPa) of granite sample, and fracture or spallation occurs. Fracture analysis showed the inner wall of the glassy layer after laser perforation is smooth with lots of pores. Moreover, there is a hackle region with regular strips of micron/nano scale at the edge to the glassy layer, and the secondary cracks propagate perpendicular to the regular strips. Compared with the fracture morphology of the glassy layer, the fracture surface of the interfacial transition zone is coarse, and obvious secondary cracks also generate. Obviously, the fracture mechanism of granite faced to laser irradiation is the typical brittle fracture.
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