Проблема повышения эффективности процессов механообработки обусловливает необходимость углубленных исследований физических закономерностей, сопровождающих отделение срезаемого слоя от заготовки.
Современный уровень достижений области физики твердого тела, физики металлов, квантовой механики позволяет рассмотреть процессы деформации и разрушения срезаемого слоя при резании на атомном уровне, в частности, путем моделированием прочности межатомной связи в различных материалах, определяющих сопротивлению сдвигу элемента стружки при резании.
В этой связи, целью работы явилось исследование механизмов пластической деформации на атомном уровне и определение связи параметров, характеризующих сопротивление сдвигу при резании, с параметрами, определяющими механизмы деформации различных типов кристаллической решетки.
Наши исследования показывают, что на сопротивление пластической деформации срезаемого слоя большое влияние оказывает тип кристаллической решетки обрабатываемого материала, его энергия дефекта упаковки (э.д.у.), наличие примесей на границах зерен и способность материала релаксировать на границах зерен. Влияние этих параметров проявляется через виды диссипативных структур, формирующихся в процессе деформации срезаемого слоя и определяющих ее локализацию. В этой связи, вид стружки будет существенно определяться указанными факторами.
Разработана модель зоны стружкообразования [1] с учетом атомной структуры материалов. Перед нижней границей зоны стружкообразования обрабатываемый материал имеет как исходную (начальную) плотность дислокаций, так и электронную структуру. На нижней границе электронная структура обрабатываемого материала деформируется упруго (т.е. без разрыва межатомных связей). По мере деформации срезаемого слоя происходит рост плотности дислокаций и разрыв межатомных связей, т.е. обрабатываемый материал испытывает деформационное упрочнение. В работе указывается, что размер ячеистой дислокационной структуры оказывается запрограммированным уже на пределе упругости. В этой связи, обнаруживается и зависимость tсдв при резании от предела упругости.
В целом, склонность обрабатываемых материалов к деформационному упрочнению будет зависеть как от его электронной, так и дислокационной структуры, ее энергии дефекта упаковки, наличия примесей, скорости деформирования, температуры, типа кристаллической решетки и т. д., а также от скорости протекания процессов разупрочнения.
В углеродистых сталях основная примесь — это углерод, который, располагаясь на границах зерен, может способствовать их охрупчиванию. С ростом температуры диффузионная подвижность углерода возрастает, что облегчает проскальзывание зерен, увеличивает и изменяет форму стружки. Как отмечалось выше, дислокации не подвержены термической активации и в результате степень деформации срезаемого слоя и силы резания снижаются.
Установлено, что чем выше э.д.у. металла, тем больше tсдв и степень деформационного упрочнения — e. Такая зависимость обусловлена влиянием э.д.у. на расщепление дислокаций и на их способность к фрагментации зерен. Чем выше э.д.у., тем больше склонность дислокаций к расщеплению и фрагментации, что способствует повышению tсдв. В металлах с ОЦК решеткой взаимодействие дислокаций с примесями (углеродом) очень сильное, а винтовые дислокации склонны к поперечному скольжению. Примеси, сегрегируя на субграницы дислокационной структуры, повышают их устойчивость и сопротивление скольжению дислокации. В результате tсдв при резании высокоуглеродистых сталей увеличивается. В этой связи низкие tсдв при резании титановых сплавов следует связать с наличием примесей (водорода и т.д.) на границах зерен и прежде всего, с его низкой э.д.у., вследствие закрепления дислокаций примесями.
Сопротивление сдвигу tсдв зависит и от e степени деформации. Это обусловлено тем, что металлы с низкой э.д.у., по сравнению с металлами с высокой, имеют большую продолжительность в уровне упрочнения, достигаемом при деформации: чем ниже э.д.у., тем позже наступает динамический возврат, тем при прочих равных условиях до более высоких значений может быть упрочнен металл или сплав при пластической деформации. Поэтому при обработке низкоуглеродистых сталей наблюдаются наибольшие значения e и наименьшие b углы сдвига. С ростом скорости резания степень деформации срезаемого слоя снижается.
При высокой плотности дислокаций становится возможным возникновение нового типа субструктуры — полос скольжения, т.е. процесс пластической деформации становится локализованным. Локализованные полосы скольжения экспериментально обнаруживаются в толще стружки. Подобная эволюция дислокационной структуры от исходной к хаотической, далее к фрагментированной (ячеистой) и последующее образование полос скольжения характерно для различных видов механических испытаний (при сжатии, растяжении, усталостных испытаниях и т.д.).
Анализ показывает, что tсдв также находится в линейной зависимости от теплоты образования обрабатываемого материала. Теплота образования характеризует количество тепла, которое необходимо сообщить веществу, чтобы перевести его из кристаллического состояния в жидкое путем разрыва межатомных связей. Экспериментальные данные подтверждают высказанное положение. Подобно tсдв, удельная сила трения также является константой при варьировании условий резания.
Влияние охрупчивания границ зерен при сегрегации на них примесей, в частности углерода, в сталях на вид стружки изучалось путем моделирования на основе квантово — механических расчетов [2].
Размер кластера обеспечивал необходимую точность воспроизведения явления сегрегации и достаточное время расчетов. В качестве рассчитываемых характеристик были выбраны Eо — общая энергия связи в кластере и межатомные расстояния.
Энергия связи кластера, взятая с обратным знаком, представляет собой энергию, которую нужно затратить на разрыв всех межатомных связей в кластер, т.е. разделить его на отдельные атомы. Энергия связи, приходящаяся на один атом равна Eа=Eо/n, где n-число атомов в кластере.
Таблица 1.
Общая энергия, энергия на атом и межатомные расстояния в кластерах
|
Вид кластера |
Число атомов | Об.энергия кластера, эВ | Энергия на один атом, эВ | Расстояние Ао между атомами | Энергия дислокации, эВ |
|
атомы железа железо-углерод |
30 30 |
-138,4 -142,2 |
-4,61 -4,74 |
1,56 1,54 |
6
|
Из таблицы видно, что прочность связей межатомного взаимодействия Fe — C выше, чем у системы Fe — Fe, а длина связи в системе Fe — C также ниже по сравнению с длиной связи в системе Fe — Fe. Следовательно, границы зерен при наличии примесей припятствуют эстафетной передачи деформации из зерна в зерно. Деформация локализуется в микрообъемах, а сопротивление деформации возрастает. При этом атомы примеси закрепляют дислокации, повышая сопротивление пластическому течению по границам зерен, а следовательно, создают трудности поворота зерен. Таким образом, углерод уменьшает подвижность дислокаций и охрупчивает границы зерен в сталях и тем самым влияет на образование элементной стружки при низких скоростях резания.
С увеличением скорости, а следовательно, с ростом температуры, формируется сливная стружка. Этому способствуют диффузионные процессы на границах зерен, облегчающие поворот зерен и межзеренную деформацию. При дальнейшем росте скорости резания формирование элементной стружки связано с запаздыванием пластических деформаций. При обработке титановых сплавов и нержавеющих сталей и сплавов формирование элементной стружки также обусловлено охрупчиванием границ зерен примесями и вид стружки с ростом скорости резания не изменяется.
Список литературы:
- Компьютерное моделирование и исследование наноструктур в процессах обработки резанием на основе квантово-механических расчетов: учеб. пособие / Ю.Г. Кабалдин [и др.]; НГТУ им.Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2014. – 119 с.
- Атомный подход к процессам деформации и разрушения срезаемого слоя при резании / Ю.Г. Кабалдин, А.М. Кузьмишина // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2014. №2. С.78-88.[schema type=»book» name=»КВАНТОВО — МЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ ПРИ РЕЗАНИИ» description=»Изложен атомный подход к процессам деформации и разрушению стружки при резании. Установлена связь сопротивлению сдвигу, вида стружки с параметрами, характеризующими энергетическое состояние кристаллической решетки, ее энергии дефекта упаковки, теплоту плавления. Приведены результаты квантово — механических расчетов, показывающих роль примесей в процессах деформации и формирования вида стружки, а также изменение дислокационной структуры при сдвиге элемента стружки. Показано, что постоянство сдвигу при изменении режимов резания связано с достижением в кристаллической решетке предельной плотности дислокаций. Указаны пути повышения эффективности процесса резания.» author=» Кузьмишина Анастасия Михайловна » publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-28″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_04(13)» ebook=»yes» ]