1. Физические основы резания Сведения из физики твердого тела

Резание материалов – это сложный процесс, протекающий при высоких температурах, скоростях, давлении. Снимаемый слой подвергается упругим и пластическим деформациям, что в свою очередь сопровождается структурными изменениями, течением и разрушением снимаемого слоя, трением, большой усадкой стружки, образованием нароста на режущем инструменте. Большие изменения претерпевают обработанная поверхность изделия, в подповерхностном слое которого возникает остаточное напряжение различных знаков и интенсивности, наклеп. Все это определяет физико-механические свойства поверхностного слоя детали и срок ее службы в машине.

Металлы и сплавы имеют кристаллическую структуру, с правильным расположением атомов в узлах пространственной решетки, которая состоит из ряда параллельных кристаллографических плоскостей, отстоящих друг от друга на определенном расстоянии.

Плотность расположения атомов различна в различных плоскостях кристалла. Подобное строение называется анизотропным, т.е. в разных направлениях кристалла неодинаковые физико-механические свойства (твердость, прочность, тепловое расширение, электрическое сопротивление).

Отдельные зерна в виде кристалла с неправильной огранкой называют кристаллитами.

Всякие металлы представляют собой совокупность кристаллов – поликристалл. Кристаллы в нем ориентируются различно. Но средние физико-химические свойства в разных направлениях могут быть одинаковыми. Но если в результате пластической деформации в структуре металла создается одинаково направленная ориентация кристаллов (текстура), то появляется типичная анизотропия свойств. Этим пользуются для получения определенных физических свойств в необходимых направлениях. Также происходит и при резании пластичных материалов, где снимаемый слой в результате его деформации преобразуется в форму стружки с резко выраженной текстурой. Плоскостями скольжения обычно является плоскости с наиболее плотным расположением атомов.

Идеальные кристаллы представляют собой бесконечную совокупность атомов, периодически расположенных в пространстве. В реальном кристалле решетка разделяется на блоки размером см, повернутые относительно друг друга на небольшие углы. Они имеют несовершенства строения: точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты. Эти дефекты играют важную роль в определении свойства кристаллов и в поведении поликристаллических тел под нагрузкой. Точечные дефекты (вакансии) возникают при удалении одного атома из узла решетки.

Совокупность нескольких вакансий составляют линейные дефекты – дислокации. Они нарушают правильное чередование атомных плоскостей в кристалле. Дислокации образуются в процессе кристаллизации или пластического деформирования, концентрации напряжений. Дислокации могут быть статическими и динамическими. Движение и размножение дислокаций приводит к пластической деформации, а их взаимодействие в основном определяет совокупность механических свойств материалов.

Механизм пластической деформации

При высоких скоростях нагруженная пластическая деформация может осуществляться двойникованием – перемещением атомов на расстояния меньше межатомных. В этом случае кристаллическая решетка в деформированной области является зеркальным изображением решетки в недеформированной области. Плоскость, разделяющая эти решетки, называют плоскостью двойникования.

Кристаллы с дефектами имеют малую сдвиговую прочность, а большую прочность имеют кристаллы без дефектов. Сдвиг распространяется по кристаллу постепенно. Это постепенное перемещение есть перемещение дислокаций.

Если деформация мала – дислокации идут правильными рядами, а если велика, то получается скопление дислокации, которое разбивает кристалл на отдельные блоки. Если препятствий нет – дислокация идет легко.

Препятствиями для движения дислокаций являются:

1. Границы зёрен, так как поликристалл прочнее, чем кристалл.

2. Неподвижные скопления дислокаций при их большом количестве.

Плотность дислокаций увеличивается в сильно деформированном материале.

Максимальная плотность дислокаций может быть в том случае, если количество дислокаций будет такое, что ядра решётки будут соприкасаться, то есть решётка разрушается ( ).

3. Инородные выделения (например: старение). Состаренные сплавы обладают высокой сдвиговой прочностью.

4. Блокировка дислокаций примесями. Если в кристалле, есть атомы примесей, тогда они около дислокаций создают особые скопления. Дислокации, заблокированные примесями, становятся неподвижными.

Таким образом, для обеспечения высокой прочности надо препятствовать движению дислокаций, что достигается термомеханической обработкой. Но и теоретическая прочность для кристаллов без дислокаций очень велика.

Пластическая деформация не всегда идёт за счёт дислокаций. Она может идти за счёт точечных вакансий, но не является специфичной для кристаллических тел. Пластическая деформация может быть для аморфных тел, она идёт при высоких температурах и малых скоростях деформаций.

Второй путь повышения прочности – создание чистых поликристаллов.

Теория дислокаций позволяет принципиально ориентироваться, что происходит при резании. С помощью теории дислокаций можно объяснить механизмы упрочнения и разупрочнения материала, механические свойства металла (величины пределов упругости, текучести, прочности), процессы старения стали, внутреннего трения, усталости, ползучести. Разрабатывать рекомендуется по повышенной прочности материала или по организации их направленного разрушения при обработке резанием.

В поликристаллических телах одновременно с внутрикристаллической деформацией происходит относительное скольжение, поворот зёрен, дробление их, разрушение по границам зёрен. При повышенных температурах межкристаллические связи ослабляются, и разрушение материала происходит не только внутри зёрен, но и по границам. Изучение механизмов деформации показывает, что для реальных поликристаллических материалов трудно создать аналитические связи «напряжение – деформация – время – температура». При описанном процессе деформации материал заготовки рассматривается, как сплошное изотропное тело с усреднёнными физико-механическими свойствами.