Молекулярно-динамическое исследование ультраточного алмазного резания церия

Аннотация

Связь между структурными фазовыми переходами и динамикой дислаций усложняет понимание наномасштабной деформации церия. В данной работе методом молекулярной динамики (МД) изучен механизм ультраточного алмазного резания церия. Построена МД-модель с эмпирическими потенциалами Ce–Ce и Ce–C, оценена эластическая отклик двух фцц-фаз церия. Моделирование показало, что пластическая деформация доминирует за счет скольжения дислаций, в то время как анализ радиальной функции распределения (РФР) выявил лишь незначительные γ→δ фазовые переходы на обрабатываемой поверхности и в стружке. Параметрические исследования позволили определить оптимальные режимы обработки для получения высококачественной поверхности.

Введение

Церий (Ce, Z=58) — ланثанид, ценный своими уникальными механическими, физическими и химическими свойствами. Поверхностная морфология критически влияет на производительность, коррозионную стойкость и водородосorptionное поведение деталей из церия [1–3]. Ультраточное алмазное резание позволяет получать сверхгладкие поверхности с минимальным подповерхностным повреждением [6,7], однако экспериментальных или теоретических работ по резанию церия практически нет. Поскольку радиус режущего края инструмента при ультраточной резке сравним с глубиной резания, свойства материала доминируют в процессе, что делает механизм резания церия особенно сложным.

Церий демонстрирует богатую фазовую диаграмму давление-температуру, обусловленную делокализацией 4f-электронов. При атмосферном давлении и <110 К стабильна α-Ce (фцц), которая при 45–275 К переходит в β-Ce (dgcp), при 270–999 К — в γ-Ce (фцц), а при 999–1071 К — в δ-Ce (обцц) [8–11]. Особого внимания заслуживает γ→α переход при 295 К и 8 кбар, сопровождающийся коллапсом объема ~20% [12–14], а также γ→δ переход, индуцируемый высокой температурой и давлением. Эти превращения изменяют связывание и эластические свойства, влияя на деформацию. Металлический церий также dúкtilен, его пластичность определяется активностью дислаций [15]. Однако взаимосвязь фазовых превращений и дислаций при алмазном резании до сих пор мало изучена.

МД-моделирование открывает мощный путь для изучения фундаментальных механизмов обработки на атомном уровне. Предыдущие работы рассматривали наноскрабирование и ортогональное резание Cu, Al, Fe и высокоэнтропийных сплавов, раскрывая нюансы нуклеации дислаций, образования навалов на поверхности и трения [16–27]. Эти исследования подчеркнули важность кристаллографической ориентации, угла наклона инструмента и взаимодействующих потенциалов. Тем не менее, ни одно МД-исследование не было посвящено механической обработке церия, что и мотивировало настоящую работу.

Методы

МД-модель алмазного резания

На рис. 1 показана схема расчетной ячейки: одно кристаллическое заготовка из Ce (41 × 25 × 31 нм), содержащая ~1×10⁶ атомов γ-Ce, и алмазный резак (0,1×10⁶ атомов C) с углом заднего схода 9°. Заготовка разделена на фиксированный нижний слой толщиной 2 нм и подвижный слой, движение атомов которого описывается уравнениями Ньютона с шагом по времени 1 фс. Периодические граничные условия применяются только вдоль направления резания. Рассмотрены три кристаллографические ориентации — (010), (110) и (111). Протестировано семь углов наклона резака (−30°, −20°, −10°, 0°, 10°, 20°, 30°). Алмазный резак рассматривается как абсолютно твердое тело, поэтому взаимодействия C–C не учитываются.

Атомные взаимодействия моделируются следующим образом: силы Ce–Ce описаны методом вложенного атома (EAM) с параметризацией Sheng et al. [29], точно воспроизводящей эластические константы фцц-Ce. Взаимодействия Ce–C задаются потенциалом Морзе:

$$E_{\text{tot}}=\sum_{ij}D_0\left[e^{-2\alpha(r-r_0)}-2e^{-\alpha(r-r_0)}\right]$$

с параметрами D₀=0,087 эВ, α=5,14, r₀=2,93 Å; отсечение 1,0 нм [30].

Система сначала равновесивается при 30 К, 0 бар в NPT-ансамбле, затем подвергается алмазному резанию со скоростью 100 м/с и глубиной резания 4 нм в NVT-ансамбле. Силы резания проецируются на направление резания (красные стрелки на рисунках). Несмотря на то, что смоделированные размеры и скорости резания на порядки меньше экспериментальных ультраточных условий, МД-модель улавливает сущностную физику процесса. Анализ по методу общих соседей (CNA) отличат фцц, упцц, обцц и дефектные атомы [31]. Расчеты выполнены в LAMMPS (шаг 1 фс), визуализация — в OVITO [32,33].

Характеристика фаз церия

Пять фаз церия — γ, α, β, ε и δ — смоделированы с решетками из литературы [8–11]. Объемные конфигурации подвергались уникаксиальному растяжению, сдвигу и сжатию для извлечения эластичных констант и механических свойств (таблица 2). Расчитанный модуль Юнга γ-Ce (24,17 ГПа) согласуется с экспериментальными данными наноиндентирования (36,7 ГПа) [10], а эластичные константы — с результатами неэластического рассеяния нейтронов [34]. Более плотная α-Ce демонстрирует значительно большую жесткость по сравнению с γ-Ce.

Анализ радиальной функции распределения (РФР) характеризует структурные различия между фазами. На рис. 2а показаны четкие пики РФР для каждой фазы, соответствующие расстояниям до ближайших соседей (например, γ-Ce: 3,64; 5,13; 6,30 Å; α-Ce: 3,41; 4,85; 5,92 Å). Однородное сжатие γ-Ce до коллапса объема 20% дает РФР, совпадающую с α-Ce (рис. 2б), что подтверждает γ→α переход [12–14].

Результаты и обсуждение

Механизмы обработки церия

МД-моделирование алмазного резания Ce(010) с углом наклона 0° выявило три режима сил (рис. 3). Изначально адгезивные силы создают отрицательные силы резания и нормальные силы; затем следует упругая деформация, вызывающая быстрый рост сил. При длине резания ~2,3 нм происходит резкое падение сил, указывающее на начало пластичности, доминируемой нуклеацией 1/6<112> частичных дислаций Шокли рядом со свободной поверхностью и их скольжением на плоскостях {111}. Силы резания и нормальные силы стабилизируются на участке 10–35 нм, пока дислации накапливаются перед резаком и под ним. После 35 нм резак отходит от заготовки, вызывая снижение сил. На всем протяжении нормальная сила остается ниже силы резания.

Рис. 4 иллюстрирует эволюцию дефектной структуры и морфологии поверхности в ключевых моментах. Частичные дислации Шокли образуют стакующие ошибки, ограниченные ядрами дислаций. По мере продвижения резака плотное облако частичных дислаций эманципирует от передней поверхности, формируя стружку по передней грани резака (рис. 4f). Дислокации за резаком поднимаются к верхней поверхности, способствуя восстановлению поверхности. При приближении резака к левой границе распространение дислаций затрудняется, что увеличивает объем стружки (рис. 4г). После отделения стружки плотность дислаций снижается за счет аннигиляции на свободной поверхности (рис. 4д).

Анализ РФР дефектных зон подтверждает ограниченность γ→δ фазового перехода. РФР дефектной зоны под поверхностью совпадает с пиками δ-Ce, указывая на незначительный γ→δ переход, вызванный локальным нагревом (рис. 5а). Подобные признаки δ-Ce наблюдаются и в стружке (рис. 5б), но их общее количество незначительно, что свидетельствует о том, что фазовые превращения не доминируют при резании.

Влияние угла наклона резака

Рис. 6 показывает, что обе силы — резания и нормальные — уменьшаются с увеличением угла наклона, что согласуется с теорией Мерчанта о энергетике сдвиговой плоскости [37]. Более крупные углы наклона также уменьшают разницу сил и повышают стабильность обработки.

Анализ дефектов (рис. 7а,б) показывает, что отрицательный угол наклона (−30°) дает более высокую плотность дислаций, чем положительный (30°). Число сегментов дислаций (рис. 7в) монотонно убывает с ростом угла наклона, отражая меньшую сложность пластической деформации и более слабое закачивание.

Морфология обрабатываемой поверхности (рис. 8) подтверждает эти выводы: отрицательные углы наклона создают асимметричные, выраженные навалы, тогда как угол 30° дает минимальный объем навала и симметричный профиль. Следовательно, угол наклона 30° оптимален для достижения низкой силы резания, минимальной плотности дислаций и наилучшего качества поверхности.

Влияние кристаллографической ориентации

При оптимальном угле наклона 30° сравниваются ориентации Ce(010), Ce(110) и Ce(111) (рис. 9). Ce(010) демонстрирует наименьшую силу резания и число дислаций. Хотя Ce(111) дает меньше всего дислаций, его плоскость {111}, параллельная поверхности, способствует образованию навалов, увеличивая сопротивление резанию. Морфология обрабатываемой поверхности (рис. 10) показывает, что Ce(010) обеспечивает наименьший объем навала и самый симметричный профиль, в то время как Ce(110) страдает от наибольшего навала.

Заключение

Разработана МД-платформа с EAM и потенциалами Морзе для моделирования ультраточного алмазного резания церия. Эластичные константы, механические свойства и поведение фазовых переходов фаз Ce провалидированы, подтверждая прогностическую способность модели. Моделирование показало, что нуклеация и скольжение дислаций доминируют в пластичности, в то время как наблюдаются лишь незначительные γ→δ фазовые изменения. Оптимальные условия обработки — угол наклона 30° и ориентация (010) — обеспечивают минимальные силы резания, низкую плотность дислаций и наивысшее качество поверхности.

Список литературы

[1]–[38] (см. полный список в оригинальной статье)

Рисунки

Рис. 1. МД-модель алмазного резания Ce. (а) Вид спереди, (б) вид сверху. Красные = нижние атомы Ce, синие = подвижные атомы Ce, серые = атомы C.

Рис. 2. (а) РФР фаз церия. (б) РФР до и после сжатия γ-Ce с коллапсом объема 20%.

Рис. 3. Зависимость сил резания и нормальных сил от длины резания. Внутририсунки показывают дефектные конфигурации в соответствующих зонах.

Рис. 4. Дефектные структуры и морфология поверхности при различных длинах резания.

Рис. 5. Анализ РФР дефектной зоны (а) и стружки (б) после резания.

Рис. 6. Зависимость средних сил резания и нормальных сил от угла наклона.

Рис. 7. Дефектные структуры для углов наклона −30° (а) и 30° (б); число дислаций (в).

Рис. 8. Морфология обрабатываемой поверхности для углов наклона −10°, −20°, −30°, 10°, 20°, 30°.

Рис. 9. Сила резания и число дислаций в зависимости от кристаллографической ориентации.

Рис. 10. Морфология обрабатываемой поверхности для Ce(010), Ce(110), Ce(111).