나노 절단 공정에서 단결정 구리의 물질 제거 및 표면 아래 결함 진화에 대한 유체 매체의 영향

결과 및 토론

수성 매체를 사용한 나노 절단 공정의 표면 아래 결함 진화

절단 시스템의 단면도는 그림 2에 나와 있으며, 여기에는 나노 절단 공정 중 절단 도구, 공작물 및 수성 매체가 포함됩니다. 공작물의 소성 변형을 명확하게 감지하기 위해 CSP 방법을 사용하여 결과를 분석합니다. 스냅샷은 그림 2와 같이 부분적으로 CSP 값으로 채색됩니다. 여기서 그림 2a는 5nm의 절단 거리에 있고 그림 2b는 15nm의 절단 거리에 있습니다. 그림 2a에서 “물의 단분자막”으로 나타낸 단결정 구리의 표면에 치밀한 수막층이 형성되어 있음을 알 수 있다. 산소 원자가 단결정 구리 격자의 중심을 차지하는 절삭 공구 및 공작물의 표면 전체에 수막이 퍼집니다. 물 분자의 규칙적인 배열은 물 분자와 구리 원자 사이에 장거리 쿨롱 힘과 반 데르 발스 힘이 결합된 결과입니다.

나노 절단 공정에서 수성 매체를 사용한 절단 시스템의 단면도(온라인 색상). 아 절단 거리 l =5nm. ㄴ 절단 거리 l =15nm

나노 절단 공정에서 슬립 변형은 절삭 공구의 초기 압축 전단 작용에 의해 발생하며 변형 에너지로 형성된 결정 격자에 저장됩니다. 변형 에너지 축적이 특정 수준에 도달하면 변형 에너지가 해제됩니다. 그런 다음 그림 2a와 같이 단결정 구리의 격자가 재배열되어 \( \left[1\overline{1}0\right] \) 방향으로 전위 핵 생성 및 확장이 발생합니다. Fig. 2a에서 물의 단분자막이 공작물 표면에 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한, 물 분자는 그림 2a의 오른쪽 상단 그림과 같이 도구 칩 인터페이스의 작업 영역에서 공작물의 표면 아래로 침투합니다. 절삭 공구와 공작물 사이에 존재하는 물 분자의 윤활 작용으로 인해 절삭 공구의 압축 전단 작용이 감쇠됩니다. 그리고 변형 에너지 축적이 감소하고 전위가 불충분하게 확장됩니다. 또한 수성 매체는 절단 열을 많이 빼앗아 핵 전위 팽창 에너지가 충분하지 않습니다. 따라서 그림 2a와 같이 전위 확장이 불충분하고 공작물의 표면 아래 전위 라인이 눈에 띄지 않습니다.

절삭 공구가 전진하면서 가공물은 절삭 공구의 측면에서 발생하는 압출 및 마찰 작용을 받았습니다. 절삭 공구의 압출 및 마찰 작용으로 많은 수의 전위가 공작물의 표면 아래에서 핵 생성 및 확장됩니다. 이러한 전위의 일부는 경사면을 따라 위쪽으로 이동하고 궁극적으로 그림 2b와 같이 절단 칩으로 제거됩니다. 이러한 전위의 다른 부분은 절삭공구의 경사면을 따라 아래쪽으로 이동하고 절삭공구 측면의 압출 마찰 작용 후에 거칠기 가공된 표면으로 변형되며, 이는 그림 2b에서 "가공된 표면의 물 배열"로 표시됩니다. " 전위의 다른 부분은 \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) 및 \( \left[1\overline{1}0\right] \) 슬립 평면을 따라 안쪽으로 이동합니다. 그림 2b와 같이 나사 전위가 형성되어 공작물 내부에서 사라집니다. 칩 높이가 점차 증가하기 때문에 칩 앞의 물 분자는 나중에 절삭 공정에서 칩 위로 절삭 공구 뒤로 흐를 수 없습니다. 그리고 절삭 공구 뒤의 수중 매체의 밀도와 압력이 급격히 감소하여 나노 절삭 공정 중에 절삭 열이 제때 제거됩니다. 따라서 핵 생성 전위는 그림 2b와 같이 공작물 내부로 확장하기에 충분한 에너지를 갖습니다.

나노 절단 공정 중 단결정 구리의 전위 변형 및 국부적 원자 결정 구조를 설명하기 위해 CSP 및 DXA 분석 방법이 도입되었습니다. 분석 결과는 도 5에 도시된 바와 같이 나타내었다. 3, 4, 5, 6, 그 중 Fig. 도 3 및 도 4는 CSP 값 및 도 3 및 도 4에 따라 렌더링된다. 5번과 6번은 DXA 분석 결과로 채색됩니다.

나노 절단 공정에서 수성 매체를 사용한 공작물의 표면 결함 분포. a의 절단 거리 , b , ㄷ , 및 d 각각 5nm, 8nm, 12nm, 15nm입니다.

진공 환경에서 나노 절단 공정 중 공작물의 표면 아래 결함 분포. a의 절단 거리 , b , ㄷ , 및 d 각각 5nm, 8nm, 12nm, 15nm입니다.

나노 절단 초기 단계의 공작물의 DXA 이미지. 전위는 다음 구성표에 따라 색상이 지정됩니다. 완전한 전위는 진한 파란색, Shockley 전위는 녹색, Stair-rod 전위는 분홍색, Hirth 전위는 노란색, Frank 전위는 하늘색, 미확인 전위는 빨간색입니다. a의 절단 거리 , b , ㄷ , 및 d 각각 7 nm, 8 nm, 9 nm 및 10 nm입니다.

나노 절단 후기의 공작물 DXA 이미지. 전위의 채색 방식은 그림 5와 같습니다. a의 절단 거리 , b , ㄷ , 및 d 각각 17 nm, 18 nm, 19 nm 및 20 nm입니다.

수성 매체를 사용한 나노 절단 공정에서 공작물의 표면 아래 결함 분포가 그림 3에 나와 있으며, 여기서 물 매체는 전위 결함 전개를 보다 명확하게 관찰하기 위해 표시되지 않습니다. 노란색, 녹색, 빨간색 및 주황색 영역은 각각 표면 원자, 표면 결함 원자, 전위 원자 및 표면 아래 결함 원자를 나타냅니다. 수성 매체 없이 나노 절단 공정에서 가공물의 전위 분포와 확장은 그림 4와 같다. 두 그림에서 핵 전위가 \( \left[\overline{1}10 \right] \) 수성 매체를 사용한 나노 절단 과정에서 슬립 벡터, 그러나 진공 매체에서 나노 절단에서 \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) 슬립 벡터를 따라 확장 . 우리가 알고 있는 바와 같이, 절삭 공구의 전단 작용은 전위가 공구 전방 방향을 따라 확장되도록 하며, 이는 \( \left[\overline{1}10\right] \) 슬립 벡터입니다. 절삭 공구의 마찰 작용은 \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) 슬립 벡터인 직교 공구 이동 방향을 따라 이동하는 전위로 이어집니다. 진공 환경에서 나노 절단 공정 중 공작물에 대한 절삭 공구의 작용은 경사면의 전단 작용과 측면 마찰 작용이며 가공면 및 표면 아래 결함의 형성은 측면 마찰 작용에 의해 유발됩니다. 따라서 전위 확장은 진공에서 나노 절단 공정 동안 \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) 슬립 벡터를 따라 퍼집니다. 공구와 공작물 사이에 존재하는 물 분자의 윤활로 인해 절삭 공구의 마찰 작용이 감소합니다. 따라서 전단 작용은 가공된 표면 및 표면 아래 결함의 형성에 중요한 역할을 합니다. 따라서 전위는 주로 수성 매체를 사용한 나노 절단에서 \( \left[\overline{1}10\right] \) 슬립 벡터를 따라 확장됩니다.

무화과에서. 도 3 및 도 4를 참조하면, 나노 절단 공정에서 수중 매체의 표면 아래 결함의 규모가 진공에서보다 더 크다는 것을 알 수 있다. 실제로 전위 결함은 가공 영역 전체에 퍼져 공작물 내부 깊숙이 확장됩니다. 절단 열은 수성 매체에 의해 제거되고 결함 원자의 에너지가 감소합니다. 따라서 표면 아래 결함은 소멸될 에너지가 충분하지 않습니다. 따라서, 전위 결함 잔류물이 증가한다. 표면 아래 결함층의 깊이는 수성 매체를 사용한 나노 절단 공정에서 상대적으로 더 큽니다. 물 분자, 탄소 원자 및 구리 원자의 상호 작용으로 인해 절삭 공구와 공작물 사이의 압출 마찰이 약화되고 가공면의 형성 과정에서 가공면의 원자 무질서가 악화됩니다. 또한, 표면 아래의 결함 잔류물이 악화되고 표면 아래 잔류 응력이 증가합니다.

물 매체가 전위 결함 전개 과정에 미치는 영향을 더 잘 나타내기 위해 DXA 방법을 사용하여 수성 매체를 사용한 나노 절단 공정에서 공작물을 분석했으며 초기 단계와 후기 단계는 그림 5와 같습니다. 및 6, 각각. 그림 5d와 같이 두 개의 적층 결함 사이에 위치하는 나노 절단 공정의 초기 단계에서 가공된 표면 아래의 여러 층의 원자에 안정적인 결정 결함이 존재하는 것으로 나타났습니다. 결정 결함의 존재는 가공면의 품질에 영향을 미치고 가공면에 미세 균열이 발생하기도 합니다. 따라서 결함 진화 과정의 형성이 연구됩니다. Fig. 5a에서 볼 수 있듯이, 결함 형성 초기에 절삭공구 측면의 마찰 작용에 의해 많은 Shockley 부분 전위가 핵 생성됨을 알 수 있다. 이러한 Shockley 전위는 그림 5b와 같이 절삭 공구가 전진하는 동안 V자형 전위 루프로 진화합니다. 그 후, V자형 전위는 점진적으로 일련의 Shockley 부분 전위로 진화합니다. 마지막으로 부분 전위는 표면 아래의 잔류 결함으로 변환됩니다. 절단 열이 수성 매체에 의해 제거되기 때문에 결함이 있는 원자는 소멸되기에는 너무 적은 에너지를 가지며 가공된 표면 아래에 있는 움직이지 않는 결함으로 변형됩니다. 가공된 표면의 거칠기가 증가하고 표면 아래의 잔류 응력이 더 악화됩니다. 또한, 결함에 의해 표면 미세균열이 유발될 수 있다.

칩 제거 공정 중 절삭 공구의 전단 슬립 작용에 대한 수성 매체의 영향은 DXA 방법으로 조사되었으며, 이는 그림 6과 같습니다. 그림 6a에서 많은 Shockley 부분 전위가 핵 생성됨을 알 수 있습니다. 절단 도구의 전면입니다. 그리고 전단 슬립 평면은 이러한 전위에 의해 구성됩니다. 다음 절단 공정에서 연속 적층 결함 및 부분 전위가 핵 생성되고 전단 슬립 평면에서 확장됩니다. 절삭공구 앞의 전위의 핵형성과 움직임에 따라 절삭칩은 그림 6c와 같이 전단슬립면을 따라 점차적으로 제거된다. 한편, 공구 경사면의 압출 마찰 효과는 수성 매체의 윤활 작용으로 인해 감소됩니다. 그림 6a-d와 같이 전위 핵 생성 및 전파가 불충분하고 표면 아래 결함 잔류물이 나노 절단 공정 중에 명확하지 않습니다. 이에 따라 공작물에 대한 절삭 공구의 전단 작용이 더욱 중요해집니다. 따라서 형성된 칩은 나노 절단 공정에서 수성 매체의 참여하에 더 쉽게 제거됩니다. 그리고 동시에 주 절삭력이 감소합니다. 이에 대해서는 이 백서 뒷부분에서 자세히 설명합니다.

절단력 및 절단 열의 변화에 ​​대한 물 매체의 영향

절단 공정에서 절삭 공구의 압출 및 전단 작용에 의해 재료 제거가 실현됩니다. 금속 재료의 강도, 강성 및 인성으로 인해 절삭 공구의 경사면은 재료 제거 과정에서 피삭재의 변형에 대한 저항으로 인해 생성된 반력이 발생합니다. 그리고 공구의 측면 표면은 가공된 표면의 마찰력 저항에 의해 영향을 받습니다. 이 힘이 함께 절삭력을 구성했습니다. 동시에 절삭칩의 전단변형과 절삭공구와 피삭재 사이의 마찰작용에 의해 가해진 가공물이 절삭열로 변환되어 가공물의 온도가 상승합니다. 재료 변형 에너지의 축적 및 방출과 함께 가공물의 표면 아래층에서 전위 핵 생성 및 팽창이 발생하여 절삭 거리에 따른 절삭력 및 절삭 열의 변동을 유발했습니다.

본 연구에서 수성 매체의 참여는 절삭력과 절삭열의 변화에 ​​큰 영향을 미친다. 수성 매체를 사용하거나 사용하지 않은 나노 절단 공정에서 절단 거리에 따른 절단력의 변화 곡선은 그림 1 및 2와 같습니다. 도 7 및 도 8에서 흑색, 적색 및 청색 곡선은 각각 이송력(Fx), 후방력(Fy) 및 접선력(Fz)이다. 시뮬레이션에서 Z 방향에서 PBC가 채택되고 다이아몬드 공구가 Z 방향을 따라 기둥형이기 때문에 평균 접선력(Fz)은 두 그림 모두에서 0nN 수준에 있습니다. 7과 8.

진공 환경에서 나노 절단에서 절단력의 변화 곡선

수성 매체를 사용한 나노 절단에서 절단력의 변화 곡선

절단공정은 그림 7과 같이 초기절삭단계와 안정절삭단계로 구분된다. 초기절삭단계에서는 이송력과 배력이 직선으로 급격히 증가한다. 그리고 절삭 공구가 공작물을 완전히 절단했을 때 최대값에 도달했습니다. 안정적인 절단 단계에서 절단력은 평형 위치에서 위아래로 변동하고 이송력은 200nN 이상에 도달하고 평균 절단력은 약 180nN입니다. 역력은 매우 작으며 후반 안정 절단 단계에서 점차 감소합니다. 소성력의 최대값은 100nN 미만이고 평균값은 약 50nN입니다. Generally speaking, the specific value between average back force and average feed force (Fy/Fx) represents the friction coefficient between tool material and workpiece material in machining process. In this research, the friction coefficient between diamond and monocrystal copper is 0.278 under vacuum environment.

The feed force and the back force are decreased in nano-cutting with water media compared with vacuum environment, as shown in Fig. 8. The maximum feed force reaches 150 nN, and the mean feed force fluctuates at 120 nN. The variation tendency of back force is similar with the back force in vacuum environment, and the mean force is at about 25 nN. In nano-cutting process with the use of water medium, the friction coefficient between the cutting tool and the workpiece is reduced due to the lubrication of water. And then the frictional resistance suffered by the flank surface of cutting tool is reduced, which effectively enhances the extrusion shearing action of the rake surface of cutting tool. The removal of the workpiece material is easier to be removed. Hence, the cutting force is reduced. It can be seen from the foregoing analysis that the water molecules acted as a lubricant to prevent the friction between the cutting tool and the workpiece. Therefore, the values of feed force and back force are reduced in the water media. The specific value between the feed force and the back force is 0.208. In another words, the frictional coefficient between diamond and copper in water media is 0.208, much fewer than they are in vacuum environment (0.278).

Compared with the fluctuation of the Fy in Figs. 7 and 8, it is indicated that the Fy component decreases considerably after 15 nm of cutting distance in both cases with vacuum and water media while the Fx value is almost stable until 20 nm of cutting distance. The dynamic balance between dislocation nucleation and annihilation is achieved, and the chip is removed steadily in nano-cutting process, which results in the cutting force almost stable with the cutting distance before 20 nm. When the cutting process is carried out at a certain distance (15 nm in this research), the dynamic equilibrium between the new dislocation nucleation and the previous dislocation annihilation is established. And the scale of the internal defects of the workpiece is stabilized at a certain level. The dislocation nucleation and annihilation applied an effect on cutting tool along +Y direction, which leads to the Fy component decrease. Besides, the stable cutting chip is removed after 15 nm of cutting distance, and the applied force on the cutting tool from the chip is decreased along the Y direction. Thereby, the value of Fy is reduced. However, when the cutting distance is greater than 15 nm till 20 nm, the emotion of dislocation defect and the removal of chip cannot bring a different influence on the cutting tool along the X direction. Therefore, the value of main cutting force (Fx) is almost stable.

The temperature distribution of the workpiece during the nano-cutting process with and without the use of aqueous media is shown as Fig. 9. The cutting distances of Figs. 9a and b and Figs. 9c and d are 5 nm and 12 nm, respectively. It can be seen from Figs. 9b and d that the temperature of workpiece is distributed as a concentric gradient. The highest temperature is spread all over shear-slip zone and friction zone of the workpiece in a vacuum environment, which is above 420 K. The temperature of the chip and machined surface is higher than other regions, which is ranged from 360 to 390 K. For the whole workpiece, the temperature is at a high level, which is ranged from 340 to 360 K. From Figs. 9a and c, the temperature of the workpiece is also distributed as a concentric gradient and the highest temperature is distributed at the top area of the chip, which is around 370 K. The temperature value of the whole workpiece is at a lower level which is lower than 320 K. The temperature of the shear-slip area, the friction zone, and the machined surface are higher than other areas, which is ranged from 320 to 340 K.

Temperature distribution of workpiece in nano-cutting. 아 및 c are in water media, b 그리고 d are in vacuum environment

The highest temperature area of workpiece is transferred from the friction area to the cutting chip during nano-cutting process with water media as shown in Fig 9. And the highest and whole temperature of the workpiece are significantly reduced with the additional use of water media, and the temperature drop reached about 40–60 K. Due to the lubrication effect of water molecules, the friction between cutting tool and machined surface is reduced during nano-cutting process with water media. Hence, the temperature of the friction area declined dramatically. Meanwhile, the maximum shearing deformation occurred at the chip area and the maximum lattice deformation energy is stored in the chip, which makes the temperature of the chip higher than the friction area. Therefore, the highest temperature area is transferred from friction area to the cutting chip. Synchronously, a large amount of cutting heat is taken away by the water media which play a role in cooling the tool, workpiece, and cutting area. And the thermal movement of the monocrystal copper molecules is weakened. Furthermore, the kinetic energy of atomic thermal motion and the lattice deformation energy are decreased significantly. Therefore, the overall temperature and the highest temperature of the workpiece is reduced, whose degree of reduction arrived at 40–60 K. Finally, the thermal stress and thermal deformation of the workpiece are significantly reduced. Because of the participation of water media, the friction action between the flank surface of cutting tool and workpiece is weakened in cutting process. Then, the generation of heat by friction between cutting tool and workpiece is reduced. Thereby, the highest temperature area of the workpiece is transferred from the friction area of flank surface to the chip area. More importantly, the cooling effect and lubrication of water media will affect the nucleation, expansion, and annihilation of the dislocation in subsurface of the workpiece and ultimately affect the formation and evolution of the subsurface damage layers of the workpiece.

Effect of Aqueous Media on Subsurface Defects Structural Transformation

In order to clearly identify the subsurface defects of the workpiece in nano-cutting, the CNA method is used to analyze the workpiece after nano-cutting. The workpiece is colored by different atomic structure. The defect structural distribution of the workpiece during nano-cutting process with and without the use of aqueous media is shown as Figs. 10 and 11, in which the green, red, blue, and grey are FCC, HCP, BCC, and unknown structure, respectively.

Subsurface defect evolution of workpiece in nano-cutting without aqueous media. The green, red, blue, and grey area are representative of FCC, HCP, BCC, and unknown structure. The cutting distances of a, b, c, and d are 1 nm, 3 nm, 8 nm, and 15 nm, respectively

Surface and subsurface defect distribution in nano-cutting for workpiece with water media. The green, red, blue, and grey area are representative of FCC, HCP, BCC, and unknown structure. The cutting distances of a, b, c, d, e, and f are 3 nm, 8 nm, 12 nm, 15 nm, 18nm, and 20nm respectively

In nano-cutting process under vacuum environment, dislocation nucleation occurred at the subsurface of workpiece under the extrusion and shearing action of the cutting tool, and the crystal structure is transformed into BCC, which is shown as Fig. 10a. The nucleated dislocation is extended along \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) direction, and the crystal structure is transformed into HCP. The crystal structure of many atoms in the shear-slip region become BCC, as shown in Fig. 10b. Two partial dislocations are extended along the \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) and \( \left[1\overline{1}0\right] \) directions, hindered each other, and be composed of Lomer-Cottrell dislocation lock. Finally, a typical V-shaped dislocation loop is formed, as shown in Fig. 10c. Part of the atoms in the shear-slip zone are moved upward along the rake face and are removed as cutting chip. The other part of the atoms are migrated downward along the flank face and are formed into the roughness machined surface by the extrusion and friction of the cutting tool, as shown in Fig. 10d.

The subsurface defect distribution and evolution of workpiece in nano-cutting with the use of water media is shown as Fig. 11. It can be seen from the figure that the mechanisms of dislocation nucleation and crystal structure transformation are similar with the cutting process in vacuum environment. The main difference is that the dislocation nucleation and expansion is insufficient in the nano-cutting process of water media. Besides, there are many stacking faults nucleated in the subsurface of the workpiece. The structure of stacking faults is transformed into HCP structure. Nevertheless, a typical defect “similar-to-grain boundary (SGB)” is formed in the subsurface of the workpiece.

In nano-cutting process, under the action of extrusion, shearing and friction by cutting tool, intense deformation of the workpiece is generated. Plenty of deformation energy and cutting heat are produced. The atomic lattice reconfiguration of subsurface is produced by the release of cutting heat and strain energy. And the subsurface defects and local crystal structure transformation are formed, as shown in Fig. 11a and 11b. When the water media participated in the nano-cutting process, most of the heat and energy is taken away. Hence, the dislocation defects have inadequate energy to extension and movement. Furthermore, the stacking faults are annihilated in the subsurface of the workpiece where the crystal defect structure stayed behind, as shown in Fig. 11c, whereafter these crystal defect structures are connected as a whole and are composed of the subsurface damage (SSD) layer together with the newly formed dislocations, as shown in Fig. 11d. After the following MD relaxation, some subsurface dislocation defects are disappeared and transformed into FCC structure, and the structure similar to “grain” is formed between machined surface and subsurface defects layer, as shown in Fig. 11e, while the original subsurface defects are transformed into a typical structure “similar-to-grain boundary (SGB),” as shown in Fig. 11f. On the SGB structure, a typical V shape dislocation loop is formed, as shown in Fig. 11e, f.

The metamorphic layer is obviously formed by the influence of the formation of SGB and “grain” structure in the subsurface of workpiece. Moreover, the new formed crystal structures which are similar with polycrystalline material can influence the mechanical performance and processability of single-crystal materials. Besides, it will affect even the performance of machined nano-components.