Искажения кристаллической решетки

(Остаточные напряжения третьeгo рода)

Деформационное упрочнение металла в связи с его пластической деформацией в большой мере зависит от напряженного состояния металла в субмикроскопической (т.е. в объёмах кристаллической решётки) и в микроскопической областях.

При осуществлении пластической деформации используется энергия, 75-90 % которой необратимо превращается в теплоту, а 10-15 % (а при динамическом приложении силы - 25 %) - поглощается кристаллической решёткой. Поглощённая металлом энергия переводит его из устойчивого, то есть неупрочненного, состояния в неустойчивое упрочнение. При этом практически вся накопленная в металле энергия (99,9 %) сохраняется в нём в виде искажений кристаллической решётки, имеющих масштабы атомных размеров (по классификации остаточных напряжений академика Н.Н.Давиденкова, называемых напряжениями третьего рода).

Напряжения кристаллической решётки формируются вокруг дислокаций и в прямолинейной дислокации уменьшаются пропорционально расстоянию от линии дислокации. На расстоянии 1 мкм от нее напряжение приблизительно равно пределу текучести отожженного металла. Другими источниками напряжений третьего рода, охватывающих область меньшего порядка чем у дислокаций, являются внедренные атомы. В зависимости от их размеров возможны как растяжения, так и сжатия решётки, создающие силовые поля, распространяющиеся по всем направлениям примерно на одинаковом расстоянии.

Остаточные напряжения третьего рода (искажения кристаллической решётки) определяются теоретическими расчётами или экспериментальными рентгенографическими исследованиями и другими методами и обычно характеризуются параметрами: плотностью дислокаций - r, см^-2, степенью искажения кристаллической решётки -1₃₁₀/1_ф; изменением параметра решётки и степенью дробления кристаллических блоков.

Плотность дислокаций – r, см^-2, определяемая общей длиной всех линий дислокаций в единице объёма кристалла, выражается формулой:

r=L/V,

где L - общая длина линий дислокаций, см; V - объём кристалла, см³.

В связи с тем, что участки выходов дислокаций на поверхность кристалла отличаются повышенной химической активностью, при травлении поверхности пластически деформированных кристаллов на ней появляются ямки травления, по числу которых на единицу поверхности также может экспериментально определяться плотность и расположение дислокаций.

Возникновение в радиоэлектронной промышленности технологии сверхпрецезионной обработки меди, алюминия, никеля и других цветных металлов, обеспечивающей достижение точности порядка 0,1 мкм при шероховатости поверхности 0,01 мкм, делает необходимым рассмотрение процессов деформации металла на субмикроскопическом уровне. Указанные величины меньше размеров линий скольжения примесей и кристаллов, поэтому размеры последних и дефекты структуры непосредственно влияют на протекание процесса обработки и достигаемую точность. Так как размеры зерен карбидов в керамических инструментах достигают 0,2 мкм, последние не могут примениться при сверхпрецезионной обработке и заменяются инструментами из природных алмазов. Имеются данные, что при снятии алмазным резцом слоя толщиной до 1 мкм при скорости 130 мм/мин наблюдаются две формы хрупкого разрушения чистого алюминия: разрушение связанное с чрезмерным переплетением дислокаций и разрушение, связанное с деформацией сдвига. При этом характер разрушения существенно влияет на шероховатость обработанной поверхности.

В связи с тем, что обработка резанием приводит к появлению в поверхностном слое большого количества дефектов структуры, резко снижающих прочность металлов, сверхпрецезионная обработка должна производиться при условиях, при которых напряжения среза распространяются в областях меньших интервала дислокаций. Это позволяет сохранять бездефектную структуру обрабатываемого металла.