Файл: Сядристый, Н. С. Тайны микротехники.pdf

О НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВАХ МАТЕРИАЛОВ

О том, как делаются микроминиатюры, написано в книге кратко. Но при их изготовлении возникает масса побочных про­ блем, которые приходится решать, исходя из свойств материа­ лов. Дело в том, что при микроразмерах твердые тела ведут себя не так, как мы привыкли их наблюдать в жизни.

Все твердые тела грубо делятся на хрупкие и пластичные. Пластичные до разрушения способны деформироваться и после снятия нагрузки не изменяют своей формы, хрупкие же разрушаются без видимой пластической деформации.

Но это разделение условно. В определенных условиях хруп­ кие тела могут вести себя как пластичные и наоборот. Такими условиями могут быть, например, повышение или понижение температуры, изменение формы испытуемого образца или ско­ рости нагрузки, когда пластичное тело может стать хрупким (смола). Даже струя воды при очень быстром ударе по ней разрушается хрупко. К числу условий, при которых хрупкие тела могут стать пластичными, относится и всестороннее сжатие. Опытами И. Кармана, П. Бриджмена, Л. Верещагина установ­ лено, что при большом всестороннем сжатии (в несколько десятков или сотен тысяч атмосфер) многие хрупкие, тела приобретают пластичность. Ссылка на эти широко известные опыты стала в какой-то мере даже традиционной, когда речь идет о пластичности или хрупкости твердых тел.

Таким образом, поскольку разделение материалов на хруп­ кие и пластичные условно, то всякое твердое тело мы называем или хрупким или пластичным, исходя из его свойств в данных конкретных условиях в один и тот же момент.

Казалось бы, все ясно. Но на самом деле все обстоит гораздо сложнее. При микроскопических размерах твердые тела сплошь и рядом ведут себя как пластичные, тогда как видимое разрушение кажется хрупким. Поэтому разделение тел

101

на хрупкие и пластичные условно вдвойне. Эти понятия можно назвать инженерными или бытовыми. Разделение же тел на хрупкие и пластичные при микроскопических и субмикроскопи­ ческих размерах ведет к большим неопределенностям.

Приведем пример подобного типического смешения поня­ тий. В книге «Прочность и разрушение высокоэластичных мате­ риалов», в которой рассматриваются теории по механизму раз­ рушения и деформации твердых тел, включая твердые полиме­ ры, довольно жестко и свободно тела делятся на хрупкие и пластичные, хотя само разрушение рассматривается в свете современных представлений, то есть при допуске микропластичных деформаций при хрупком разрушении. Но тем не менее читаем: «Происхождение и форма трещины прежде всего зави­ сит от того, с хрупким или пластичным телом мы имеем дело»1. На самом же деле мы можем говорить лишь о хрупком или пластичном разрушении данного тела, микроскопическая тре­ щина которого может быть какой угодно и не зависеть от того, каким считается тело —хрупким или пластичным.

Влияние многовековых представлений о свойствах мате­ риалов на научную литературу по этому вопросу огромно. Оче­ видная микропластичность «хрупких» материалов воспринима­ ется как нечто новое и очень часто оговаривается словами «может быть», «по-видимому», «представляется возможным, если допустить» и т. д. Например, в статье «Исследование микротвердости монокристаллов карбида кремния методом царапания», напечатанной в книге «Склерометрия», исследова­ тели приходят к следующему выводу: «Интерферограмма с кри­ сталла карбида кремния показала, что при данном режиме про­ исходит вспучивание (подъем) краев царапины, что обычно бывает при царапании пластичных материалов. Появление навалов у карбида кремния, по-видимому, характеризует его

1 Г. М. Б а р т е н е в, Ю. С. 3 у е в. Прочность и разрушение высокоэластичных материалов. М-Л., «Химия», 1964, с. 22.

102

«пластичность» Как видим, слово «пластичность» взято в ка­ вычки, кроме того, что перестраховано словом «по-видимому».

Обрабатывая на протяжении многих лет различные мате­ риалы, в том числе в обычном представлении самые твердые и самые хрупкие, я пришел к выводу, что все они, без исключения, при микрообработке пластичны. При комнатной температуре пластичны кубический нитрид бора и алмаз. Кубический нитрид бора — полученный впервые в 1957 году сверхтвердый синте­ тический материал и известный под разными торговыми марка­ ми — эльбор, боразон, кубонит, — в свое время даже считали более твердым, чем алмаз. Но являясь более мягким по срав­ нению с алмазом, кубический нитрид бора, конечно, материал очень твердый. И тем не менее при вдавливании и царапании алмазным резцом он ведет себя как пластичный материал. При­ чем одни пластические царапины пластично затирают другие в точке пересечения. Навалы, образующиеся вдоль выдавленных царапин, невозможно стереть калеными стальными иглами и стеклом. Мне удавалось получать такие пластические навалы как на всех гранях кристаллов кубического нитрида бора, так и на его микрошлифах. При этом выбирались кристаллы очень высокого качества.

Пластичен и алмаз. Хотя о его пластичности говорят обычно предположительно и то в основном лишь при термических испытаниях. Работая с алмазом и занимаясь его огранкой, я пришел к убеждению, что даже те немногие известные в литера­ туре исследования по трению и износу алмаза не были бы столь неопределенными и противоречивыми, если бы более смело допускалась возможность пластичности этого материала.

Если подобрать два алмаза разной твердости и сгранить один в «мягком» направлении вплоть до середины кристалла,

1 М. Д. К а т р и ч, М. Б. Б е р к о в и ч, М. Б. Рейфман. М. П. Шаскопьская. Ис­

следование микротвердости монокристаллов карбида кремния методом царапания. — В сб. «Склерометрия». Под ред. д-ратехн. наук М. М. Хру­ щева. М., «Наука», 1968, с. 169—170.

103

где твердость всегда несколько меньше, а другой кристалл, более твердый, выгранить в виде очень тонкой пирамиды в «твердом» направлении, то на первом алмазе с помощью второго можно легко наносить пластические царапины. Про­ цесс царапания, наблюдаемый при больших увеличениях, зри­ тельно ничем не отличается от царапания пластических веществ в быту. И лишь усилие, необходимое для нанесения таких линий, напоминает о том, что это алмаз.

Регулируя усилие, легко можно получать такие выдавлен­ ные пластические линии-царапины, которые в точке пересече­ ния с другими пластично затирают их. Навалы вдоль линий нельзя стереть даже рубиновыми резцами. Это свидетельствует о том, что алмаз в «комнатных условиях», то есть без высокого нагрева, микропластичен, и предположение о том, что навалы могут явиться графитом или аморфным углеродом, образовав­ шимся вследствие высокого давления или возникшей высокой температуры при царапании, отпадает. Тем более что пластиче­ ские царапины получаются и при очень малых скоростях нане­ сения, когда о возникновении высоких температур говорить не приходится. К тому же у алмаза очень высокая теплопровод­ ность.

В пользу пластичности алмаза говорит и то, что соотноше­ ние между его твердостью и прочностью на сдвиг почти такое же, как и у пластичных материалов, например металлов. Кроме того, коэффициент трения алмаза при увеличении нагрузки несколько увеличивается, что тоже может в какой-то степени служить доказательством его пластичности. Износ алмаза за счет температурного окисления тоже не может быть главным, так как в кислородной среде он уменьшается, а в вакууме — повышается.

Исходя из определенной пластичности алмаза, можно пред­ положить, что при правильной его огранке стираемые или сре­ заемые частицы сгорают не непосредственно на поверхности кристалла, а полуотделившись от него. То есть процесс износа в таком случае должен несколько напоминать точение твердых материалов на наждачных кругах, когда срезаемый или стира-

104

При микроскопических размерах стекло является пластичным материалом и, подобно воску или меди, дает при обработке обыкно­ венную сливную стружку. Линейное увели­ чение — 400 раз. Фото автора

емый материал сгорает, уже полуотделившись от обрабатыва­ емой поверхности. Это сгорание, происходящее во времени, видим в виде искр, которые в большей или меньшей мере превращаются в микроскопические шарики сгоревшего мате­ риала. Таким «сгоревшим» материалом и может быть графит или аморфный углерод, который всегда можно найти у вершины ограниваемого алмаза. Говоря об этом, я не учитываю того, что возникающее при правильной огранке алмаза и хорошо наблю­ даемое под микроскопом свечение-искрение очень напоминает заточку твердых сплавов на мелких абразивных кругах.

Но какую бы природу ни имел износ алмаза, его пластич­ ность очевидна. И это при износе и трении алмаза не может не играть определенной роли.

Все другие «хрупкие» материалы: стекло, фарфор, ситаллы, топаз, корунд и т. д. — при микроскопической механической обработке пластичны до неузнаваемости. Их практически можно точить подобно меди на сверхмалых подачах, получая при этом безукоризненные микроскопические сливные беспре­ рывные стружки. Эти стружки имеют значительную упругость,

105

что говорит об их несомненно достаточной цельности. Они спо­ собны выдерживать значительные перегибы. Разумеется, полу­ чить их можно лишь в том случае, если резец значительно тверже испытуемого материала. На снимках показаны сливные стружки некоторых «хрупких» материалов. Хотя стружки микро­ скопичны, все же они являются гигантскими по сравнению с окисными пленками, которые могли образоваться на кремнии, германии, корунде и даже на стекле согласно известным термо­ динамическим расчетам. Тем более что стружки с одинаковым успехом получаются как на полированных, так и на свежесколотых поверхностях.

Деформация и разрушение всех твердых инструменталь­ ных сплавов при микрообработке тоже имеют пластический характер. Правда, образующиеся стружки обычно развалива­ ются на частички, что обусловлено структурой сплавов.

Именно пластичностью и объясняется, на мой взгляд, тот факт, что любые «хрупкие» вещества невозможно дробить до бесконечности, так как при определенном размере частичек вещество начинает вести себя пластично во всем микроскопи­ ческом объеме, а не только по поверхности, как предполагал П. А. Ребиндер. Хотя, конечно, поверхность микрочастичек и может быть более уплотненной.

Так как всякая теория проверяется на практике, то недо­ оценка пластичности «хрупких» тел, конечно, в какой-то мере делает несовершенными многие теории по деформации и раз­ рушению упругих тел, где математические расчеты построены на моделях идеально упругих или идеально хрупких тел, кото­ рые подчиняются закону Гука.

Если все виды свойств материалов связаны между собой, то, очевидно, антикоррозийные свойства материалов при микро­ скопических величинах тоже как-то изменяются. По этому во­ просу исследовательских работ очень мало, а те, что име­ ются,— противоречивы по результатам. Поэтому лучше всего для микроскопических изделий применять химически устойчи­ вые материалы и высококачественные антикоррозийные лаки и покрытия.

106

При микроскопической обработке оказы­ ваются пластичными и такие «хрупкие» мате­ риалы, как германий и кремний, кристалли­ ческая решетка которых имеет строение алмаза. Вверху стружка, полученная при обработке германия, внизу — пластическая царапина со стружками, полученная из кремния. Линейное увеличение в 600 раз.

Фото автора

Учитывая пластичность при микроразмерах даже очень твердых материалов, из которых изготавливаются микроскопи­ ческие резцы, можно в известной степени подправлять их рабо­ чие кончики прикосновением к ровным поверхностям более твердых тел. Говоря об этом, заметим, что так как и в природе среди трущихся тел нет идеально ровных твердых поверхно­ стей, то микропластические процессы при трении на определен-

107

Сливная микроскопическая стружка полу­ чается также и при механической обработке корунда, который s классической шкале Мооса уступает по твердости только алма­ зу. Линейное увеличение в 600 раз.

Фото автора

ном масштабном уровне общи как для «хрупких» тел. так и для пластинных.

Методы обработки твердых материалов можно сделать более совершенными, если учитывать их микропластичность.

Известно, что существующие теории шлифовки и поли­ ровки строятся на основе динамики работы единичного зерна, которое ничем в данном случае не отличается от микрорезца В принципе все самые разнообразные теории шлифовки и полировки твердых материалов отражают большее или мень­ шее признание их микропластичности. Проявляясь при микро­ скопических величинах, пластичность часто имеет решающее значение даже тогда, когда она, казалось бы, играет второсте­ пенную роль. Например, при гладком строгании «хрупких» мате­ риалов закрепленным абразивом. Но интересно, что многие исследователи, признающие подобный вариант обработки очень твердых и «хрупких» материалов, отрицают их пластич­ ность и ее роль при этом (например, Томпсон ’).

'Thompsen Є. The optician, 1922, vol. 31.

108

Подобным образом другие исследователи, отвергая воз­ можность пластичных процессов во время обработки «хрупких» тел, в частности стекла, ссылаются на то, что при царапании его остроугольным алмазом по краям царапины не образуется навалов, а значит и нет пластического смещения вещества. При этом ссылаются на опыты Боудена и Скотта, авторитет которых общепризнан

Так как процесс микрорезания всех твердых материалов единичным резцом представляет суть их обработки при изго­ товлении любой микроминиатюры, постараюсь объяснить отсутствие навалов в таких случаях в пользу пластичности сте­ кла и других «хрупких» материалов.

Для каждого «хрупкого» материала существует определен­ ная зависимость между его пластичностью и формой резца. Поэтому иногда даже значительный нажим на резец не приво­ дит к образованию навалов по краям царапин или порезов. При этом большую роль играет форма резца, его острота и, особенно, величина переднего угла. Если резец или царапа­ ющее зерно очень остры, то при определенной положительной величине переднего угла резца материал сначала деформиру­ ется внутрь объема, словно жидкость при погружении в нее твердого тела. При дальнейшем погружении острия деформа­ ция происходит в глубине материала без образования навалов. Этот опыт можно провести, делая порезы наклоненным лез­ вием ножа даже таких пластичных материалов, как воск или пластилин. При этом никаких навалов не получается.

То есть такие опыты не типичны для основной массы шлифующих зерен, и, наоборот, они говорят о чрезмерной микропластичности исследуемых «хрупких» веществ, каким является в данном случае стекло. Этот эффект я всегда испо­ льзую при микрогравировке «хрупких» материалов, когда навалы по краям линий-царапин нежелательны. Если же такой резец наклонить в сторону, противоположную движению, то, если он достаточно остр, а передняя грань не совсем округла, сразу же получим сливную стружку. Но при шлифовке и поли­ ровке, как известно, основная масса абразивных зерен цара­

109