CC BY
57
УДК 006.82
ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ СВОЙСТВ НА ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА
Татьяна Вячеславовна Ларина
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]
Елена Юрьевна Кутенкова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]
Олег Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]
Игорь Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]
В статье рассмотрено влияние анизотропии свойств на изменение физических и механических свойств поверхности металла.
Ключевые слова: анизотропия свойств, монокристаллы, поликристаллы, свойства металлов.
THE INFLUENCE OF ANISOTROPY OF PROPERTIES ON THE CHANGES IN THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE METAL SURFACE
Tatiana V. Larina
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., senior teacher, Department of Metrology and Technology of Optical Production, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Elena Yu. Kutenkova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., senior teacher, Department of Metrology and Technology of Optical Production, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Oleg V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Prof. of Department Metrology and Technology of Optical Production, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Igor V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Prof. of Department Metrology and Technology of Optical Production, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
The article considers the influence of the anisotropy of the properties to modify the physical and mechanical properties of the metal surface.
Key words: anisotropy of properties, single crystals, polycrystalline metals properties.
Анизотропия - это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов (ионов, молекул) в пространстве[1]. Свойства кристаллов определяются взаимодействием атомов. В кристалле расстояния между атомами в различных кристаллических направлениях различны, а поэтому различны и свойства.
Анизотропия свойств проявляется у монокристаллов, полученных, например, при очень медленном контролируемом отводе тепла при кристаллизации. Монокристаллы представляют собой один кристалл, атомы которого расположены в геометрически правильном порядке в узлах кристаллической решетки.
Поликристаллы - технические металлы и сплавы, полученные в обычных
2 3
условиях, состоят из большого количества кристаллов (обычно 10- ...10- см). Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается. Но если ориентировка зерен будет одинакова, то свойства такого поликристаллического материала будут анизотропными.
Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях у монокристаллов может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3-4 раза, а прочности кристалла железа — более чем в два раза.А прочность и пластичность монокристаллов меди изменяются в зависимости от направления (ав = 350.180 МПа; 5 = 10.50 %). Для поликристаллической меди ав = 25 МПа; 5 = 40 %.
Модуль упругости, прочность и деформация напряжения у монокристаллов меди различны по осям кристалла [100], [110] и [111] соответственно равны 6800, 12000 и 18000 кПа / мм2 [2].
Созданы новые материалы на основе монокристаллов, у которых отсутствуют границы зерен и они обладают более высокой степенью однородности [3-5].Единичные элементы монокристаллов имеют одинаковую ориентацию по отношению к центральной оси полости. Единичные элементы могут быть ориентированы [001], [110], [111] или с любой другой желаемой кристаллографической ориентации, параллельной центральной оси полости. Следует отметить, что из-за анизотропного (направленного) характера монокристаллов, кристаллографическую ориентацию можно регулировать для оптимизации характеристик деформации при нагружении изделия.
Монокристалл имеет ряд уникальных характеристик, которые позволяют улучшить производительность по сравнению с традиционными поликристаллическими материалами.
Металлические отражатели для лазеров также рекомендуется изготавливать из монокристаллического материала вместо поликристаллического материала [6].
Монокристаллические отражатели с готовой отражающей полированной поверхностью оптического качества получают в тигле, не прибегая к механической обработке. Дальнейшее разделение монокристалла путем разрезания его на несколько более мелких отражателей не оказывает вредного влияния на отражающие поверхности.
Монокристаллические отражатели выдерживают намного более экстремальные тепловые нагрузки, вызванные лазерными лучами. И такие свойства отражающих монокристаллов, как коэффициент отражения и оптимальная проводимость, достигаются также за счет отсутствия границ зерен в кристаллической решетке.
Полированные поверхности монокристаллических отражателей гарантируют наибольшее сопротивление тепловому воздействию падающего лазерного излучения, так как в анизотропном материале, возможно, выбрать ориентацию кристалла с максимальной или минимальной теплопроводностью.
Полированные отражатели для высокоэнергетического излучения изготавливаются из меди, серебра или золота и применяются для лазерной техники. Новое зеркало состоит из монокристаллов с полированной поверхностью. В качестве альтернативы эта поверхность может быть получена из монокристаллов меди травлением с металлографическим направлением [100] - или [111]. Зеркала с протравленной поверхностью выдерживают более высокую энергию, чем лазерные зеркала с полированной поверхностью. В качестве защиты от лазерных лучей несколько монокристаллических зеркал могут быть объединены в массивы, а отражающая поверхность может быть плоской или изогнутой.
Отражатели, выполненные из электролитической меди, не имеют регулярную структуру. Таким образом, на полированной поверхности есть границы зерен, ограничивающие примеси, вызывающие поглощение света и рассеяние. Кроме того, известно, что плавление металла начинается по границам зерен.
Данные монокристаллические отражатели, применяемые в лазерной технике, обладают более высокой эффективностью и они пригодны для высоких нагрузок энергии. Монокристаллы изготавливают из меди, серебра и золота 99,999% чистоты.
Результаты экспериментов с участием монокристаллических отражателей различных диаметров и форм показали, что:
1 В настоящее время лазеры достигают энергию порядка нескольких ГВт /см2. Лазерные лучи покрывают очень маленькие площади поперечного сечения, например, 0,6 х 0,4 мм. Такая высокая энергия приводит к разрушению всех традиционных отражателей. А монокристаллические отражатели представляют собой единую структуру кристалла с однородной полированной поверхностью и высокой отражательной способностью. Остаточная энергия, не отражается, и поглощенная радиация рассеивается быстрее в силу лучшего от-
вода тепла и распространяется на окружающие области, так как нет границ зерен в одном кристалле.
2 Сравнительные испытания электролитических медных отражателей с монокристаллическими медными отражателями дали отражения лучше около 1 %.
Монокристаллические отражатели из серебра или золота, производимого отражения лучше около 1,9 %.
3 Дополнительным преимуществом является более длительный срок службы монокристаллических отражателей вследствие меньшей склонности к окислению.
4 При одинаковом проведении полировки, получают улучшение отражательной способности поверхности и приведение к минимуму поглощения излучаемой энергии у кристаллических структур монокристаллов.
5 Самый высокий коэффициент отражения лазерных лучей был получен в зеркалах, у которых отражающая поверхность представляет собой [100] - или [111] - ориентацию плоскостей протравленных монокристаллов меди.
Кроме того, анизотропные свойства металла проявляются и в зависимости величины проводимости металла в зависимости от ориентации кристалла, а значит и величины отражения оптического излучения от поверхности металла [7-8].
К настоящему времени разработан ряд оптоэлектронных приборов для определения изменений физических и механических свойств поверхности металла оптическими методами. Также предлагается математическая модель анализа состояния поверхностей конструкционных материалов построенная с использованием свойств отражения от поверхности [9-10].
Влияние анизотропии на физико-механические свойства металлов также проявляется и для диэлектриков. Например, известно, что алмаз используется в качестве материала для линз высокоэнергетического излучения и имеет различную теплопроводность в зависимости от ориентации кристалла. Что открывает возможность для создания новых изделий в оптическом приборостроении.
Таким образом, рассмотрено влияние анизотропии свойств на изменение физических и механических свойств поверхности металла на примере монокристаллов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Физический энциклопедический словарь / глав. редак. А.М.Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1983. - 382 с.
2. US4875414; Explosivecharge with a projectile-formingmetallicinsert; (Пат. US 4875414 США 07/151713; Заряд взрывчатого вещества с снаряда формирования металлической вставкой) [Текст] / США 07/151713; заявл. 03.02.1988; опубл. 24.10.1989. - 6 с.
3. US4598643; Explosive charge liner made of a single crystal; (Пат. US4598643 США102/307; 102/476; Взрывная лайнер заряд изготовлен из монокристалла) [Текст] / США 07/151713; заявл. 18.12.1984; опубл. 08.07.1986. - 7 с.
4. US4192695; Metal crystals and process; (Пат. US4192695 США 05/898799; Металлические кристаллы и процесс) [Текст] 05/898799 / США; заявл. 24.04.1978; опубл. 11.03.1980. - 6 с.
5. US4896332; Monocrystalrefleci'ors for laser applications (Пат. US4896332 США 07/172306; Монокристалл отражатели для лазерных применений) [Текст] 05/898799 / США; заявл. 10.03.1988; опубл. 23.01.1990. - 5 с.
6. US5243620 High power refleci'ors for laser technology (Пат. US5243620 США 07/281945; Высокие отражатели питания для лазерной техники) [Текст] / США 07/281945; заявл. 06.12.1988; опубл. 07.09.1993. - 4 с.
7. Адамеску, Р.А. Анизотропия физических свойств металлов / Р.А. Адамеску, П.В. Гельд, Е.А. Митюшов. — М.: Металлургия, 1985. - 136 с.
8. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М: Наука Главная редакция физико-математической литературы изд-во «Наука» 1973, Справочное пособие, 720 с.
9. Возможность определения изменений физических и механических свойств поверхности металла оптическими методами / Ларина Т. В., Кутенкова Е. Ю., Минин О. В., Минин И. В. // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. - С. 219-226.
10. Математическая модель анализа состояния поверхности конструкционных материалов / Ларина Т. В., Кутенкова Е. Ю., Тымкул В. М., Минин О. В., Минин И. В. // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 98-103.
© Т. В. Ларина, Е. Ю. Кутенкова, О. В. Минин, И. В. Минин, 2016
