文 | 檐前语
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金刚石切割被广泛认为是生成具有亚微米尺寸精度和纳米表面光洁度的纳米结构表面的有效技术。纳米级材料去除和加工表面形成机理对于纳米切削工艺加工精度的提高至关重要。
然而，在金属材料的实际纳米切割中，冷却和润滑液的作用对于提高加工性能非常重要。因此，有必要研究流体介质对纳米切削过程中材料去除和亚表面缺陷演化机理的影响。
因此，采用作为切削液主要成分的水介质，在纳米切削工艺模拟中替代水基切削液。基于已建立的MD模型，采用纳米切割工艺研究了水介质对材料去除和亚表面缺陷形成机理的影响。采用中心对称参数、共邻分析和位错提取算法等方法研究了工件的次表面缺陷演化、切削力的变化、工件温度分布和次表面缺陷晶体的转变。
在纳米切削过程中，滑移变形是由切削刀具的早期压缩剪切作用引起的，并作为应变能储存在形成的晶格中。当应变能积累达到一定水平时，应变能被释放出来。
当切削刀具向前移动时，工件遭受切削刀具后刀面产生的挤压和摩擦作用。在切削刀具的挤压和摩擦作用下，大量的位错在工件的次表面成核和延伸。这些位错的一部分沿前刀面向上移动，最终作为切削切屑被移除。
这些位错的另一部分沿着切削刀具的前刀面向下移动，并在切削刀具后刀面的挤压摩擦作用下转化为粗糙度加工表面。滑动平面向内移动并消失在工件内部，导致形成螺钉位错。
由于切屑高度逐渐增加，切屑前的水分子在切削过程后期不能流过切屑流到切削刀具后面。并且刀具后面水介质的密度和压力迅速下降，导致在纳米切削过程中切削热量被不及时带走。因此，有核位错有足够的能量延伸到工件内部。
其中不显示水介质，观察位错缺陷演化更清楚。黄色、绿色、红色和橙色区域分别表示表面原子、表面缺陷原子、位错原子和次表面缺陷原子。无水介质的纳米切削过程中工件的位错分布和延伸。
在水介质的纳米切割过程中，有核位错沿滑移矢量迁移，但在真空介质下纳米切割过程中沿滑移矢量延伸。切削刀具的剪切作用使位错沿方向相对于刀具向前延伸，即滑移矢量。切削刀具的摩擦作用导致位错沿正动力学刀具运动方向迁移，为滑移矢量。
在真空环境下的纳米切削过程中，切削刀具对工件的作用是前刀面的剪切作用和后刀面的摩擦作用，而后刀面的摩擦作用会触发加工表面和次表面缺陷的形成。
因此，在真空纳米切割过程中，位错延伸沿滑移矢量扩散。由于刀具和工件之间存在水分子的润滑，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着重要作用。因此，在水介质纳米切割中，位错主要沿滑移矢量延伸。
实际上，错位缺陷遍布整个加工区域，并延伸到工件内部深处。切削热被水介质带走，缺陷原子的能量降低。因此，地下缺陷没有足够的能量被湮灭。
因此，位错缺陷残留物增加。对于含水介质的纳米切割工艺，亚表面缺陷层的深度相对较高。由于水分子、碳原子和铜原子之间的相互作用，在加工表面的形成过程中，切削刀具与工件之间的挤压摩擦减弱，加工表面的原子无序性加剧。此外，地下缺陷残留物加剧，地下残余应力增加。
因此，研究了缺陷演化过程的形成，并且认为在缺陷形成的早期瞬间，许多肖克利局部位错在切削刀具后刀面的摩擦作用下成核。这些肖克利位错在切削刀具前进的过程中演变成V形位错环。
随后，V形位错逐渐演变为系列肖克利局部位错。最后，部分位错转化为地下残余缺陷。由于切削热被水介质带走，有缺陷的原子的能量太少而无法湮灭，并转化为加工表面下方的不动缺陷。加工表面的粗糙度会增加，次表面的残余应力会导致更多的恶化。此外，缺陷还会引起表面微裂纹。
采用DXA方法研究了水介质对切削刀具排屑过程中剪切滑移作用的影响。表示大量肖克利局部位错在切削刀具前成核。剪切滑移平面是由这些位错构成的。在接下来的切割过程中，连续堆垛断层和部分位错被成核并在剪切滑移平面上延伸。
在切削刀具前方位错的成核和运动下，切削切屑沿剪切滑移平面逐渐去除。同时，由于水介质的润滑作用，刀具前刀面的挤压摩擦效应减弱。纳米切割过程中位错成核和扩展不足，亚表面缺陷残留不明显。
相应地，切削刀具对工件的剪切作用变得更加显着。因此，在纳米切割过程中，在水介质的参与下，形成的切屑更容易被去除。并且主切削力将同时减小。
在切削过程中，通过切削刀具的挤压和剪切作用实现材料去除。由于金属材料的强度、刚度和韧性，切削刀具的前刀表面在材料去除过程中承受工件材料变形阻力产生的反作用力。并且刀具的后刀面受加工表面的摩擦力阻力的影响。这些力共同构成了切削力。
同时，切削切屑的剪切变形以及切削刀具与工件之间的摩擦作用所施加的功转化为切削热，导致工件温度升高。伴随着材料应变能的积累和释放，工件次表层发生位错成核和膨胀，引起切削力和切削热随切削距离的波动。
在这项研究中，水介质的参与对切削力和切削热的变化有很大的影响。在纳米切割过程中，在不使用水性介质的情况下，切削力随切削距离的变化曲线。其中黑色、红色和蓝色曲线分别是进给力、背力和切向力。由于在 Z 方向采用 PBC，并且模拟中金刚石工具沿 Z 方向呈柱状，因此两个图中的平均切向力均处于 0 nN 的水平。
在纳米切削过程中，在切削刀具的挤压，剪切和摩擦作用下，工件产生剧烈变形。产生大量的变形能量和切削热。次表面的原子晶格重构是由切削热和应变能的释放产生的。并形成亚表面缺陷和局部晶体结构转变。当水介质参与纳米切割过程时，大部分热量和能量被带走。
因此，脱位缺陷没有足够的能量来延伸和运动。此外，堆垛故障在晶体缺陷结构留在工件的次表面被湮灭。此后这些晶体缺陷结构作为一个整体连接起来，由次表面损伤层和新形成的位错组成。
经过后续MD弛豫后，一些次表面位错缺陷消失并转化为FCC结构，在加工表面和亚表面缺陷层之间形成类似于“晶粒”的结构，同时将原始的次表面缺陷转化为典型的结构“类似于晶界”。在SGB结构上，形成典型的V形位错环。
变质层显然是在工件次表面SGB形成和“晶粒”结构的影响下形成的。此外，与多晶材料相似的新形成的晶体结构会影响单晶材料的力学性能和加工性能。此外，它甚至会影响机加工纳米部件的性能。
基于已建立的单晶铜MD模型，对纳米切割过程进行了模拟。分析了流体介质对材料去除和次表面缺陷演变的影响。采用CSP、DXA和CNA方法研究了工件的次表面缺陷演变、切削力变化、温度分布和亚表面缺陷晶体结构转变。
通过切削刀具对工件的剪切挤压作用实现工件的材料去除;水介质的参与对材料去除机理没有影响。由于切削刀具与工件之间存在的水分子的润滑作用，工件变形减小，切削力减小，切削切屑高度和次表面损伤层深度降低。
在纳米切割过程中，通过额外使用水介质，将最高温度区域从摩擦区域转移到切割切屑。并且工件的最高和整体温度明显降低，温降达到40-60K左右，从而减少了工件的热变形，减少了亚表面缺陷原子的数量。
在工件的次表层中，有核位错的晶体结构转化为BCC，延伸位错转化为HCP。剪切滑动区域中的原子晶体结构正在变成BCC。在流体介质的作用下，SSD层中将次表面缺陷转化为典型的缺陷结构“近晶界”，从而影响单晶材料的力学性能和加工性能。此外，它甚至会影响机加工纳米部件的性能。
