流體介質對納米切割工藝中單晶銅材料去除和次表面缺陷演變的影響

文 | 檐前語

編輯 |檐前語

金剛石切割被廣泛認為是生成具有亞微米尺寸精度和納米表面光潔度的納米結構表面的有效技術。納米級材料去除和加工表面形成機理對於納米切削工藝加工精度的提高至關重要。

然而，在金屬材料的實際納米切割中，冷卻和潤滑液的作用對於提高加工性能非常重要。因此，有必要研究流體介質對納米切削過程中材料去除和亞表面缺陷演化機理的影響。

因此，採用作為切削液主要成分的水介質，在納米切削工藝模擬中替代水基切削液。基於已建立的MD模型，採用納米切割工藝研究了水介質對材料去除和亞表面缺陷形成機理的影響。採用中心對稱參數、共鄰分析和位錯提取演算法等方法研究了工件的次表面缺陷演化、切削力的變化、工件溫度分布和次表面缺陷晶體的轉變。

在納米切削過程中，滑移變形是由切削刀具的早期壓縮剪切作用引起的，並作為應變能儲存在形成的晶格中。當應變能積累達到一定水平時，應變能被釋放出來。

當切削刀具向前移動時，工件遭受切削刀具後刀面產生的擠壓和摩擦作用。在切削刀具的擠壓和摩擦作用下，大量的位錯在工件的次表面成核和延伸。這些位錯的一部分沿前刀面向上移動，最終作為切削切屑被移除。

這些位錯的另一部分沿著切削刀具的前刀面向下移動，並在切削刀具後刀面的擠壓摩擦作用下轉化為粗糙度加工表面。滑動平面向內移動並消失在工件內部，導致形成螺釘位錯。

由於切屑高度逐漸增加，切屑前的水分子在切削過程後期不能流過切屑流到切削刀具後面。並且刀具後面水介質的密度和壓力迅速下降，導致在納米切削過程中切削熱量被不及時帶走。因此，有核位錯有足夠的能量延伸到工件內部。

其中不顯示水介質，觀察位錯缺陷演化更清楚。黃色、綠色、紅色和橙色區域分別表示表面原子、表面缺陷原子、位錯原子和次表面缺陷原子。無水介質的納米切削過程中工件的位錯分布和延伸。

在水介質的納米切割過程中，有核位錯沿滑移矢量遷移，但在真空介質下納米切割過程中沿滑移矢量延伸。切削刀具的剪切作用使位錯沿方向相對於刀具向前延伸，即滑移矢量。切削刀具的摩擦作用導致位錯沿正動力學刀具運動方向遷移，為滑移矢量。

在真空環境下的納米切削過程中，切削刀具對工件的作用是前刀面的剪切作用和後刀面的摩擦作用，而後刀面的摩擦作用會觸發加工表面和次表面缺陷的形成。

因此，在真空納米切割過程中，位錯延伸沿滑移矢量擴散。由於刀具和工件之間存在水分子的潤滑，切削刀具的摩擦作用降低。因此，剪切作用在加工表面和次表面缺陷的形成中起著重要作用。因此，在水介質納米切割中，位錯主要沿滑移矢量延伸。

實際上，錯位缺陷遍布整個加工區域，並延伸到工件內部深處。切削熱被水介質帶走，缺陷原子的能量降低。因此，地下缺陷沒有足夠的能量被湮滅。

因此，位錯缺陷殘留物增加。對於含水介質的納米切割工藝，亞表面缺陷層的深度相對較高。由於水分子、碳原子和銅原子之間的相互作用，在加工表面的形成過程中，切削刀具與工件之間的擠壓摩擦減弱，加工表面的原子無序性加劇。此外，地下缺陷殘留物加劇，地下殘餘應力增加。

因此，研究了缺陷演化過程的形成，並且認為在缺陷形成的早期瞬間，許多肖克利局部位錯在切削刀具後刀面的摩擦作用下成核。這些肖克利位錯在切削刀具前進的過程中演變成V形位錯環。

隨後，V形位錯逐漸演變為系列肖克利局部位錯。最後，部分位錯轉化為地下殘餘缺陷。由於切削熱被水介質帶走，有缺陷的原子的能量太少而無法湮滅，並轉化為加工表面下方的不動缺陷。加工表面的粗糙度會增加，次表面的殘餘應力會導致更多的惡化。此外，缺陷還會引起表面微裂紋。

採用DXA方法研究了水介質對切削刀具排屑過程中剪切滑移作用的影響。表示大量肖克利局部位錯在切削刀具前成核。剪切滑移平面是由這些位錯構成的。在接下來的切割過程中，連續堆垛斷層和部分位錯被成核並在剪切滑移平面上延伸。

在切削刀具前方位錯的成核和運動下，切削切屑沿剪切滑移平面逐漸去除。同時，由於水介質的潤滑作用，刀具前刀面的擠壓摩擦效應減弱。納米切割過程中位錯成核和擴展不足，亞表面缺陷殘留不明顯。

相應地，切削刀具對工件的剪切作用變得更加顯著。因此，在納米切割過程中，在水介質的參與下，形成的切屑更容易被去除。並且主切削力將同時減小。

在切削過程中，通過切削刀具的擠壓和剪切作用實現材料去除。由於金屬材料的強度、剛度和韌性，切削刀具的前刀表面在材料去除過程中承受工件材料變形阻力產生的反作用力。並且刀具的後刀面受加工表面的摩擦力阻力的影響。這些力共同構成了切削力。

同時，切削切屑的剪切變形以及切削刀具與工件之間的摩擦作用所施加的功轉化為切削熱，導致工件溫度升高。伴隨著材料應變能的積累和釋放，工件次表層發生位錯成核和膨脹，引起切削力和切削熱隨切削距離的波動。

在這項研究中，水介質的參與對切削力和切削熱的變化有很大的影響。在納米切割過程中，在不使用水性介質的情況下，切削力隨切削距離的變化曲線。其中黑色、紅色和藍色曲線分別是進給力、背力和切向力。由於在 Z 方向採用 PBC，並且模擬中金剛石工具沿 Z 方向呈柱狀，因此兩個圖中的平均切向力均處於 0 nN 的水平。

在納米切削過程中，在切削刀具的擠壓，剪切和摩擦作用下，工件產生劇烈變形。產生大量的變形能量和切削熱。次表面的原子晶格重構是由切削熱和應變能的釋放產生的。並形成亞表面缺陷和局部晶體結構轉變。當水介質參與納米切割過程時，大部分熱量和能量被帶走。

因此，脫位缺陷沒有足夠的能量來延伸和運動。此外，堆垛故障在晶體缺陷結構留在工件的次表面被湮滅。此後這些晶體缺陷結構作為一個整體連接起來，由次表面損傷層和新形成的位錯組成。

經過後續MD弛豫後，一些次表面位錯缺陷消失並轉化為FCC結構，在加工表面和亞表面缺陷層之間形成類似於「晶粒」的結構，同時將原始的次表面缺陷轉化為典型的結構「類似於晶界」。在SGB結構上，形成典型的V形位錯環。

變質層顯然是在工件次表面SGB形成和「晶粒」結構的影響下形成的。此外，與多晶材料相似的新形成的晶體結構會影響單晶材料的力學性能和加工性能。此外，它甚至會影響機加工納米部件的性能。

基於已建立的單晶銅MD模型，對納米切割過程進行了模擬。分析了流體介質對材料去除和次表面缺陷演變的影響。採用CSP、DXA和CNA方法研究了工件的次表面缺陷演變、切削力變化、溫度分布和亞表面缺陷晶體結構轉變。

通過切削刀具對工件的剪切擠壓作用實現工件的材料去除;水介質的參與對材料去除機理沒有影響。由於切削刀具與工件之間存在的水分子的潤滑作用，工件變形減小，切削力減小，切削切屑高度和次表面損傷層深度降低。

在納米切割過程中，通過額外使用水介質，將最高溫度區域從摩擦區域轉移到切割切屑。並且工件的最高和整體溫度明顯降低，溫降達到40-60K左右，從而減少了工件的熱變形，減少了亞表面缺陷原子的數量。

在工件的次表層中，有核位錯的晶體結構轉化為BCC，延伸位錯轉化為HCP。剪切滑動區域中的原子晶體結構正在變成BCC。在流體介質的作用下，SSD層中將次表面缺陷轉化為典型的缺陷結構「近晶界」，從而影響單晶材料的力學性能和加工性能。此外，它甚至會影響機加工納米部件的性能。