УДК 621.9.02             

 

Ю.Г.Кабалдин, С.В.Серый, И.Л.Лаптев, Д.А.Шатагин

 

АТОМНО-ДИСЛОКАЦИОННЫЙ ПОДХОД К ПРОЦЕССУ РЕЗАНИЯ        МЕТАЛЛОВ

 

(Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева)

 

           Резание – динамический процесс упруго-пластической деформации. В зоне стружкообразования и зоне вторичной деформации ε степень деформации и έ скорость деформации могут достигать критических значений. В процессе обработки система резания эволюционирует, отклоняется от термодинамического равновесия и самоорганизуется. Рост энтропии приводит к образованию в системе резания новых диссипативных структур, которые определяют механизм деформации срезаемого слоя, вид стружки, устойчивость процесса резания, износ инструмента, качество поверхности и точность обработки.

            Высокие удельные нормальные  и касательные напряжения в прирезцовых слоях стружки вызывают движеие дислокаций, плавление локальных объемов, образование аморфных фаз  и формирование здесь наноструктур в результате высокоскоростного охлаждения. Аморфная фаза является термодинамически неустойчивой и в процессе сдвиговой  деформации испытывает динамический возврат и переходит в кристаллическую фазу. Движение и пересечение дислокаций сопровождается образованием вакансий, объединением их в поры, переходящие в вязкие микротрещины (вязкий скол) и разрывом межатомных связей. Оно сопостовимо с теплотами плавления и испарения. В этой связи установлена линейная связь между силами резания и Тпл температурой плавления ряда обрабатываемых материалов.

При аморфном состоянии металла дислокации беспрепятственно пронизывая его кристаллическую решетку, испуская при этом точечные дефекты, потоки которых в полях градиентов напряжений и температур осуществляют также массоперенос, скорость которого намного превышает скорость диффузии в жидком металле, вызывая структурные и фазовые превращения. Жидкоподобное состояние материала следует  рассматривать, находящееся в сильновозбкжденном состоянии (СВС), характеризующегося аномально высокой скоростью массопереноса. По-видимому, атомы в этих условиях находятся в ридберговском (ионизированнм) состоянии, т.е. в высоком реакционном состоянии, вызывая адгезионное взаимодействие при трении стружки с передней поверхностью инструмента, механизм которого нами рассмотрен ниже. В результате этих процессов прочность адгезионного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов возрастает.

           Описанные процессы существенно определяются типом кристаллической решетки, системами в ней скольжения и т.д. В этой связи процессы деформации при резании и образование типов стружек необходимо рассмотреть и  на атомном уровне. Сильные   атомные    связи  возникают   в   результате перекрытия внешних валентных d и s оболочек между ближайшими соседями в плотно упакованных рядах. Поэтому упругие модули в металлах должны быть максимальны именно в этих направлениях. Действительно, изучение анизо­тропии   упругих модулей, например, в ГЦК-металлах  показывает, что   модуль E вдоль плотно упакованных рядов (110), где перекрытие dорби­талей соседних атомов максимально, имеет наибольшее значение, а модуль E, отвечающий направлению (100), минимален.

    Атомная и дислокационная моды деформации взаимосвязаны и взаимообусловлены. В частности, дислокации как дефекты кристаллического строения сами имеют атомную (электронную) структуру. Имеется также связь плотности электронного состояния на уровне Ферми с энергией дефекта упаковки (э.д.у.). Как известно, э.д.у., наряду вектором Бюргерса, определяет подвижность дислокаций и способность их фрагментироваться.  Можно полагать, что атомы обрабатываемого металла, находящиеся в локальных зонах деформирования в окрестности режущего лезвия, где реализуются структурные переходы, разрыв и возникновении новых атомных связей, образуют единую квантовую систему, которую можно рассматривать как нанокластер.

          Когерентное поведение атомов с образованием нового электронно-энергетического состояния в этой квантовой системе (кластере) следует изучать на основе принципов квантовой механики. В этой связи, при внешнем воздействии в ней происходит смещение атомов, возрастание их амплитуды колебаний и рост энергии электронов, а следовательно, изменение степени перекрытия электронных орбиталей и изменение (увеличение) атомного объема и образование новой электронной конфигурации у атомов. В результате изменяется энергетическое состояние этой квантовой системы, которое следует рассматривать как новое разрешенное структурное (энергетическое) состояни в кристаллической решетке.

        Таким образом, при внешнем механическом нагружении (резании) атомы обрабатываемого  материала в окрестностях режущего лезвия (в зонах локализации деформации) изменяют квантовое состояние. Дислокации вызывают начальное «возбуждение»  состояния атомов в кристаллической решетке. В электронной подсистеме возбуждение  атомов обусловливают рост амплитуды их колебаний, образование волн смещения и увеличение объема атомов за счёт их изменения их квантового состояния.  Это обеспечивает дислокациям преодоление энергетического барьера Пайерсла-Набарро, смещение атомов и деформацию кристаллической решетки путем скольжения.   Поэтому при внешнем нагружении (резании) структурные переходы в кристалле реализуются как в дефектной подсистеме, так и в электронной.

         С ростом скорости резания в окрестности режущего лезвия (в квантовой системе), будет увеличиваться и число атомов, вовлекаемых в кластер, устойчивость которого будет уменьшаться вследствие снижения прочности межатомного взаимодействия (перекрытия волновых функций). Снижаются силы резания и степень пластической деформации срезаемого слоя, формируется ячеистая дислокационная структура, ограничивающая длину свободного пробега дислокаций. Формирование микротрещин происходит путём разрыва межатомных связей и образования хрупкого скола, в результате  шероховатость обработанной поверхности уменьшается.

  Как указывалось выше, дислокации являются линейными дефектами на наноуровне. Коллективное взаимодействие дислокаций, образование субграниц и ячеек – результат наноструктурирования. Поэтому группу дислокаций также можно рассматривать как нанокластер, т.е. как квантовую систему. В этой связи, существующий дислокационный механизм деформации материалов при внешнем воздействии путем образования субграниц, ячеек, при резании будет не полным, поскольку в нём не учтён атомный механизм деформации твердых тел, взаимодействие дефектной и электронной подсистем.

  На основе экспериментальных данных и изложенного атомного и дислокационного механизмов деформации металлов, образование  адгезионных связей при трении также следует рассматривать как результат перекрытия электронных облаков (внешних электронов) атомов взаимодействующих систем (например, ,  и т.д.).Выше уже указывалось, что дислокации имеют свою атомную (электронную) структуру. При внешнем трении в зоне вторичной деформации стружки выход дислокаций на контактных поверхностях стружки и инструмента приводит к перекрытию внешних валентных d и sэлектронов в ядрах дислокаций и образованию прочных металлических связей.  Поэтому именно дислокации выполняют роль активных центров адгезии. Влияние d-электронов на трение чистых металлов показано в работе /18/, где представлена зависимость  коэффициента трения от вклада d-орбиталей в металлическую связь. В этой связи, появляется возможность расчета их адгезионной связи на атомном уровне из первых принципов, используя программные продукты (Abinit, GAMESS и др.) теории функционала электронной плотности с определением полной энергии электронов, либо энергии связи электронов.

Изложен также механизм электронного взаимодействия атомов реагентов, являющихся активными компонентами СОТС (O, Cl, S) с металлами с образованием химических соединений. Валентные электроны оболочек 2s, 2p атомов реагентов перекрываются с внешними оболочками окружающих их металлических атомов, образуя металлические связи.