Влияние угла удара на нанометрическое абразивное резание монокристаллической меди: молекулярно-динамическое моделирование

Аннотация

Абразивное потоковое полирование ключево в ультра-точной обработке, где нанометрические частицы, взвешенные в жидкости, удаляют материал на атомарном уровне. Это исследование использует трехмерные молекулярно-динамические (МД) симуляции для квантификации того, как угол удара SiC абразивных зерен влияет на резание монокристаллической меди. Используя LAMMPS, мы моделируем резание углами от 0° до 45° при постоянном коэффициенте трения. Результаты раскрывают прямую корреляцию между углом резания и силой резания, ведущую к увеличению дислокационной активности и поверхностного повреждения. Наоборот, малый угол удара снижает внутренние дефекты и улучшает финиш поверхности. Никакой четкой зависимости между углом резания и коэффициентом трения не наблюдалась.

Введение

Ультра-точная обработка лежит в основе современной микроэлектроники, микромеханики и производства оптических компонентов, требуя нанометровой размерной точности и безупречной финиш поверхности. Среди финишных техник абразивное потоковое полирование (AFP) выделяется своей способностью устранять подповерхностные повреждения при сохранении геометрических допусков. AFP включает ультратонкие абразивные частицы, диспергированные в жидкости, которые ударяют по поверхности заготовки, удаляя материал через повторяющиеся микро-резание события. В то время как обширная экспериментальная работа изучала макроскопические параметры — реологию жидкости, концентрацию абразива и параметры процесса — микромасштабные исследования остаются редкими, особенно касающиеся атомарной механики угла удара и генерации силы.

МД симуляции предлагают мощную атомистическую линзу для допроса этих феноменов. Предыдущие исследования использовали МД для изучения наномасштабного резания меди, кремния и других материалов, раскрывая понимание динамики дислокаций, фазовых трансформаций и диссипации энергии. Строя на этом фундаменте, мы моделируем взаимодействие между SiC абразивами и монокристаллической медь, фокусируясь на том, как угол удара модулирует силу резания, перенос энергии и эволюцию дефектов.

Методы/Экспериментальная часть

Мы построили реалистичную SiC абразивную модель (радиус 15 Å, 1406 атомов: 681 C + 725 Si) и монокристаллическую медную пластину, содержащую 159 020 атомов. Симуляционная коробка равновесилась за 10 000 шагов релаксации (Δt = 0,001 пс) перед началом резания. Две SiC частицы ударяли по медной поверхности углами от 0° до 45°, каждая со скоростью 80 м/с. Общая симуляция включала 100 000 шагов резания, позволяя запечатлеть эволюцию напряжения, температуры и плотности дислокаций в процессе.

Межатомные потенциалы выбирали для отражения различных материалов взаимодействий: Морзе для Cu–SiC контактов, Embedded Atom Method (EAM) для Cu–Cu взаимодействий и Терсофф для SiC–SiC связи. Эта комбинация была подтверждена в предыдущих наномашининг исследованиях и обеспечивает точное представление эластичного, пластичного и разрушительного поведения.

Рисунок 1. Схема абразивного резания сценария, иллюстрирующая угол удара относительно медной поверхности.

Результаты и обсуждение

Механика резания и анализ силы

SiC зерна удаляют материал, разрушая медную решетку, генерирующие сдвиговые напряжения, проявляющиеся как силы резания. Рис. 6 демонстрирует, что величина силы резания растет как с глубиной, так и с углом удара, особенно вдоль кристаллографических направлений [010] и [001]. При малых углах (≤ 15°) силы остаются умеренными и относительно стабильными, тогда как большие углы индуцируют более высокие напряжения и более выраженные флуктуации, указывая на увеличенную искаженность решетки и нуклеацию дефектов.

Рисунок 6. Сила резания как функция шага симуляции для разных углов удара: (а) [100], (б) [010], (в) [001] направления.

Перенос энергии при резании

Энергетический анализ раскрывает, что кинетическая энергия растет стабильно по мере контакта абразива с медью, достигая пика, когда частица полностью проникает в решетку. Потенциальная энергия увеличивается с углом до ~20°, после чего плато, отражая начало дислокационных и фазовых переходных событий. Общая энергия остается относительно постоянной по углам, потому что кинетические и потенциальные компоненты компенсируют друг друга.

Рисунок 7. Эволюция кинетической энергии для варьирующихся углов удара.

Рисунок 8. Вариация потенциальной энергии с углом удара.

Рисунок 9. Профиль полной энергии для всех протестированных углов.

Атомное смещение и эволюция дислокаций

Карты атомного смещения (рис. 10) иллюстрируют, что более высокие углы удара производят более глубокое проникновение и более обширное расстройство решетки. Переход от гранецентрированной кубической (FCC) к гексагонально-близкоупакованной (HCP) и конечной аморфной структурам очевиден, особенно для углов ≥ 25°. Плотность дислокаций, идентифицированная через анализ угла связи (рис. 11), резко растет с углом, указывая на то, что большие углы удара усугубляют пластическую деформацию и накопление дефектов.

Рисунок 10. Поля атомного смещения для углов удара 0°–45°.

Рисунок 11. Карты линий дислокаций для углов удара 0°–45°.

Оценка коэффициента трения

Рассчитанные коэффициенты трения (отношение касательной к нормальной силе) остаются во многом инвариантными по всем углам удара (рис. 13). Это предполагает, что поверхностное адгезионное и атомарное зацепление доминируют в трении поведении, а не макроскопическая геометрия резания.

Рисунок 13. Тренды коэффициента трения для варьирующихся углов удара.

Заключение

МД симуляции подтверждают, что угол удара является решающим фактором в нанометрическом AFP резании. Углы между 0° и 15° генерируют умеренные силы резания, ограниченную дислокационную активность и превосходную целостность поверхности. Более крупные усиливают решетковое повреждение, увеличивая плотность дефектов и ухудшая материальную производительность. Коэффициент трения нечувствителен к углу, подчеркивая доминирование атомарного адгезионного над геометрическими факторами. Соответственно, поддержание малого угла удара рекомендуется для оптимизации качества поверхности и минимизации внутренних дефектов при абразивном потоковом полировании монокристаллической меди.