STUDY OF TEMPERATURE FIELDS AND THERMAL STRESSES IN H13A TOOL MATERIAL UNDER FEMTOSECOND LASER PROCESSING
Abstract
The study presents a theoretical modeling of the nanostructure formation process in H13A tool material under the influence of femtosecond laser radiation, taking into account the following technological parameters: heat flux density
(q = 10⁸–10¹¹ W/m²) and pulse duration (10⁻¹⁶–10⁻¹⁰ s). The research was based on a comparison of two approaches to defining the thermophysical and thermomechanical properties of materials: a quantum-mechanical method that considers the discrete atomic structure, and a stochastic method oriented toward probabilistic distributions.
Modeling of temperature fields, their rates of change, and thermal stresses at different depths was performed using numerical methods adapted to extreme heating and cooling regimes. The results showed that within the quantum-mechanical approach, the temperature values and temperature rise rates (V) are significantly higher than those predicted by the stochastic approach, especially at high heat flux densities (above 10¹⁰ W/m²) and short pulse durations (10⁻¹⁶–10⁻¹⁴ s). The distribution of thermal stresses exhibited pronounced heterogeneity: maxima were observed at q ≈ 10⁹ W/m² (due to peak temperature gradients), while minima occurred at q ≈ 10¹⁰ W/m², which promotes phase transformations and nanostructure self-organization. It was shown that at pulse durations of 10⁻¹⁰–10⁻¹² s, thermal stresses can independently initiate nanostructurization, whereas in other cases they accelerate the process. The quantum-mechanical method demonstrates advantages in accurately predicting extreme regimes, providing higher stress and temperature peaks that are critical for amorphization and the formation of ultrafine phases. At the same time, the stochastic approach yields more conservative estimates suitable for preliminary screening. The analysis emphasizes that temperature data alone are insufficient for model validation; the key factor is the comparison of nanostructure (cluster) volumes obtained experimentally and theoretically using atomic force microscopy, X-ray diffraction, and spectroscopy techniques. Integration of both approaches into a hybrid model will enable optimization of laser processing parameters for the development of materials with enhanced wear resistance, corrosion resistance, and biocompatibility. The results open prospects for industrial applications in the aerospace, automotive, medical, and other industries. Further work will focus on experimental verification and technology scaling.
Keywords
Full Text:
PDF (Українська)References
Широкий, Ю. В. Визначення технологічних параметрів лазерного випромінювання для отримання субмікро- та наноструктур у зміцнювальних покриттях на сталях / Ю. В. Широкий, Ю. О. Сисоєв, Т. О. Постельник // Відкриті інформаційні та комп’ютерні інтегровані технології. – 2023. – № 98. – С. 77–90.
Sysoiev, I. Pulsed vacuum-arc plasma source with laser arc excitation / I. Sysoiev, Yu. Shyrokyi, K. Fesenko // Problems of Atomic Science and Technology. – 2024. – № 1 (149). – P. 110–115.
Zhou, L. Influence of laser texturing parameters on the surface characteristics and cutting performance of cemented carbide tools / L. Zhou, P. Zou, Z. Yang [et al.] // Optics & Laser Technology. – 2025. – Vol. 185. – P. 112524. – DOI: 10.1016/j.optlas.2024.112524.
Широкий, Ю. В. Підвищення ефективності деталей машин та різального інструменту комбінованими методами обробки / Ю. В. Широкий, Ю. О. Сисоєв, О. Д. Семененко, О. В. Торосян // Відкриті інформаційні та комп’ютерні інтегровані технології. – 2025. – № 106. – С. 84–107.
Кантемир, І. В. Удосконалення процесів створення наноструктур у плазмово-іонних та лазерних технологіях для підвищення ефективності різального інструменту : дис. … канд. техн. наук : 05.03.07 / І. В. Кантемир. – Харків, 2018. – 190 с.
Popov, V. Study of ions energy, their varieties and charge on temperature, rate of temperature rise, thermal stresses for nanostructures on construction materials / V. Popov, G. Kostyuk, M. Nechyporuk, K. Kostyk // Advanced Manufacturing Processes. – Cham : Springer, 2020. – P. 470–477.
Kostyuk, G. Determination of technological parameters for obtaining nanostructures under pulse laser radiation on steel of drone engine parts / G. Kostyuk, M. Nechyporuk, K. Kostyk // Proceedings of the 10th International Conference on Dependable Systems, Services and Technologies (DESSERT). – 2019. – P. 208–212.
Kostyk, K. O. Intensification of chemical and heat treatment processes to improve the operational properties of machine parts / K. O. Kostyk, Yu. V. Shyrokyi // Findings of Modern Engineering Research and Developments : monograph. – Riga : Baltija Publishing, 2022. – P. 554.
Руденко, Н. В. Дослідження впливу параметрів лазерного загартування на глибину зміцненого шару, його структуру і твердість / Н. В. Руденко, Ю. В. Широкий // New Leading Technologies in Machine Building : матеріали XXX міжнар. конф. – Харків, 2020. – С. 76–77.
Ahmed, Y. S. Optimizing femtosecond texturing process parameters through advanced machine learning models in tribological applications / Y. S. Ahmed // Lubricants. – 2024. – Vol. 12, № 12. – P. 454.
Широкий Ю. В. Ефективність використання параметрів впливу температурних полів у зоні дії лазерного випромінювання на сталі з різним вмістом вуглецю / Ю. В. Широкий, О. В. Торосян, Г. Д. Торосян-Жидєєва // New Leading Technologies in Machine Building : матеріали XXXIII всеукр. конф. – Харків, 2024. – Вип. 34. – С. 148–149.
Kostyuk, G. I. Comparison of temperature regimes in the zone of laser femtosecond processing of Volkar hard alloy / G. I. Kostyuk, O. D. Grigor // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Технології в машинобудуванні. – 2018. – № 6 (1282). – С. 90–94.
Матвєєв, О. В. Формування наноструктур при швидкоплинних процесах іонного і лазерного оброблення різального інструменту і деталей : дис. … канд. техн. наук : 05.03.07 / О. В. Матвєєв. – Харків, 2019. – 185 с.
Kostyuk G. I. Influence of the method of setting thermophysical and thermomechanical characteristics of B3 hard alloy on the nature and efficiency of nanostructure formation / G. I. Kostyuk, O. D. Semenenko // Вісник НТУ «ХПІ». – 2018. – № 34 (1310). – С. 40–46.
Sadeghi, B. Experimental study on the effect of CNT-enriched nanofluid lubrication on the performance of textured cutting tool / B. Sadeghi [et al.] // Scientific Reports. – 2023. – Vol. 13. – P. 22350.
Baranova, T. A. Microarc synthesis of nanostructured radiation-absorbing coatings / T. A. Baranova [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2017. – Vol. 286.
Kostyuk, G. Improving the resource and reliability of details from zirconium alloys / G. Kostyuk, V. Popov // Вісник НТУ «ХПІ». – 2019. – № 19. – С. 40–50.
Fox-Rabinvich, G. An effective way to improve the cutting performance of coated tools through annealing / G. Fox-Rabinvich [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 2001. – Vol. 148. – P. 373–380.
Baranov, O. Hierarchical nanomaterials by selective deposition of noble metal nanoparticles / O. Baranov [et al.] // Advanced Theory and Simulations. – 2023. – Vol. 6, № 9. – P. 2300288.
Широкий, Ю. В. Теоретичне дослідження теплових процесів у зоні дії лазерного випромінювання / Ю. В. Широкий, О. В. Торосян, П. Р. Жидєєв // Матеріали конф. – Чернігів, 2024. – Т. 2. – С. 79.
DOI: https://doi.org/10.32620/oikit.2026.108.06
Refbacks
- There are currently no refbacks.