표면하 결함은 나노구조물의 정밀도와 성능에 큰 영향을 미칩니다. 본 논문에서는 분자 동역학 시뮬레이션으로 나노인덴테이션을 수행하여 가공 유도 표면하 결함이 전위 진화와 재료 기계적 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. 시료 모델은 현실에 부합하는 나노 절삭으로 표면하 결함을 포함하도록 구성했습니다. 표면하 결함 형성 메커니즘과 가공 유도 결함과 전위 진화 간 상호작용 메커니즘을 논의했습니다. 단결정 구리 시료의 경도와 영률을 계산했습니다. 시뮬레이션 결과 표면하에 원자 클러스터, 적층 결함 사면체, 계단-봉 전위 등 안정적 결함 구조 잔류가 존재함을 보였습니다. 나노인덴테이션 2차 가공으로 시료 내부 결함을 복원할 수 있으나, 2차 가공 영역의 표면하 손상은 악화됩니다. 표면하 결함 도입으로 나노인덴테이션 경도가 증가하여 가공 경화 효과가 발생합니다. 표면하 결함 존재는 재료의 탄성 변형 저항 능력을 약화시키며, 전위와 표면하 결함 간 상호 진화가 중요한 역할을 합니다.
나노미터 규모 초정밀 가공은 아미크론 치수 정밀도와 나노미터 표면 품질의 나노 부품 획득에 효과적인 방법으로 널리 인정받습니다[1]. 가공 후 시료 내부에 일부 안정적인 표면하 결함이 남습니다[2-5]. 표면하 결함은 가공 정밀도와 표면 품질에만 영향을 미치는 것이 아니라 나노 부품의 기계적 특성과 수명에도 결정적 영향을 미칩니다. 분자 동역학(MD) 법으로 표면하 결함에 대한 많은 연구가 수행되었으나, 주로 결함 형성과 진화[6,7], 표면하 결함(SSD) 층 두께[8,9], 표면 무결성에 미치는 영향[10,11]에 집중되었습니다. 그러나 표면하 결함이 시료 재료 기계적 특성에 미치는 영향은 덜 연구되었습니다. 나노구조물의 기계적 특성은 서비스 성능과 수명에 중요하므로, 표면하 결함이 재료 기계적 특성에 미치는 영향은 핵심 연구 이슈가 되었습니다.
나노 절삭 공정 MD 시뮬레이션으로 SSD 층을 규명하는 많은 연구가 수행되었습니다. Narayanan[12]은 단결정 금에서 적층 결함 사면체(SFT) 형성과 변형 유도 SFT 메커니즘을 연구했습니다. Inamura[13]는 나노 절삭 중 칩 형성과 재료 미끄럼 변형을 탐구하여 칩 형성이 주로 전단 미끄럼 변형에 의해 유도됨을 지적했습니다. Pei[14]는 절삭 파라미터가 전위 진화와 절삭 힘에 미치는 영향을 연구하여 시료 크기가 40nm 이상이면 크기 효과가 유의하지 않음을 발견했습니다. Dai[15]와 Liu[16]는 각각 MD 시뮬레이션과 실험법으로 다이아몬드 공구 구조와 크기 효과가 시료 표면하 결함 진화에 미치는 영향을 연구했습니다. 선행 연구들은 나노 절삭 후 시료에 안정적 표면하 결함이 존재하며, 절삭 파라미터와 공구 형상 파라미터가 표면 손상 층 두께와 진화, 가공 정밀도에 큰 영향을 미침을 보여줍니다. 그러나 나노 절삭으로 얻은 관련 데이터 분석만으로는 시료 재료 기계적 특성을 계산할 수 없습니다.
나노인덴테이션은 경도와 탄성 계수 등 기계적 특성을 특성화하는 효과적인 기술입니다[17]. 실험 및 이론 모델로 나노인덴테이션 연구가 많이 수행되어 기계적 성능을 평가했습니다. Zimmerman[18]은 미끄럼 벡터로 나노인덴테이션 중 전위 방출을 분석했습니다. Ruestes[19]는 단결정 Fe 나노인덴테이션 MD 시뮬레이션으로 표면하 전위 생성이 인덴테이션 영역 재료 제거에 필요함을 발견했습니다. Huang[20]은 단결정 다이아몬드 매트릭스 나노인덴테이션 MD 시뮬레이션으로 인덴테이션 하 다이아몬드 재료 변형이 〈110〉{111} 전위 루프 핵형성과 전파에 의해 지배됨을 발견했습니다. Sharma[21]는 구리 매트릭스에 인공적으로 단단한 입자 모델을 구성해 가공 공정에서 표면하 결함 진화에 미치는 단단한 입자 영향을 분석했습니다. Peng[22]은 나노인덴테이션으로 그래핀 코팅의 Cu 기판 강화 메커니즘을 연구했는데, 이는 계면에서 생성된 응력 균질화 효과 결과입니다. 위 분석에서 볼 수 있듯 표면하 결함 영향에 대한 선행 연구는 주로 완전 결정 재료나 인공적으로 구성된 가상 결함 기반으로, 실제 표면하 결함과는 거리가 멉니다. 따라서 현실적인 표면하 결함을 가진 시료 모델 구축이 시료 재료 기계적 특성 영향 분석에 필수적입니다.
본 논문에서는 나노 절삭 법으로 실제 특성에 부합하는 표면하 결함을 가진 시료 모델을 얻었습니다. 이를 기반으로 나노인덴테이션 시뮬레이션을 수행하여 가공 유도 표면하 결함이 단결정 구리 기계적 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. 첫째, 나노 절삭 공정 중 표면하 결함 형성과 진화 메커니즘을 논의하고 나노 절삭 후 시료 표면하 대표 결함 구조를 분석합니다. 둘째, 인덴테이션 중 가공 유도 표면하 결함과 전위 핵형성 간 상호작용 메커니즘을 분석합니다. 셋째, 나노인덴테이션으로 얻은 하중-변위 데이터로 단결정 구리 시료 경도와 영률을 계산합니다. 마지막으로 새로운 결론을 요약합니다.
나노 가공에서 표면하 결함이 재료 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 표면하 결함을 가진 시료 모델을 구성해야 합니다. 본 연구에서는 MD 시뮬레이션 나노 절삭 공정으로 이를 실현했습니다. 먼저 MD 시뮬레이션 모델을 구축하고 나노 절삭 공정 시뮬레이션을 수행했습니다. 그 후 시료와 절삭 공구를 MD 시뮬레이션에서 충분한 시간 동안 이완시켰습니다. 마지막으로 시료 표면하에 일부 안정적 결함이 잔류했습니다. 3차원 MD 시뮬레이션 모델 개략도는 그림 1에 나타나 있습니다. 나노 절삭 모델은 그림 1a, 표면하 결함을 가진 나노인덴테이션 모델은 그림 1b입니다. 그림 1에서 시료와 시편 재료는 단결정 구리, 공구와 인덴터는 다이아몬드 재료입니다. 나노 절삭에 아크 블레이드 다이아몬드 공구를 사용했으며 공구 날 반경은 3nm입니다. 나노인덴테이션에서 인덴터는 반구형이며 직경 6nm입니다. 시료와 시편은 뉴턴 층, 온도 층, 경계층 세 부분으로 나뉩니다. 크기 효과와 경계 효과를 줄이기 위해 시뮬레이션 시스템 [010] 방향에 주기적 경계 조건(PBC)을 적용했습니다. 공구와 시료 간 초기 상호작용을 피하기 위해 절삭 공구를 시료 오른쪽 위 3nm, 인덴터를 시편 위 6nm에 배치했습니다. 상세 시뮬레이션 파라미터는 표 1에 나와 있습니다.
본 연구에서 3차원 MD 시뮬레이션은 대규모 원자/분자 병렬 시뮬레이터(LAMMPS)로 수행했습니다. 병렬 계산은 메시지 전달 인터페이스 라이브러리 도움으로 실현했습니다. Morse 포텐셜, 매립 원자법(EAM) 포텐셜, Tersoff 포텐셜을 시뮬레이션에 사용했으며, LAMMPS 소프트웨어 패키지에서 호출했습니다. 시료 내 Cu 원자 간 상호작용과 공구 내 C 원자 간 상호작용은 식 1과 같은 Morse 포텐셜로 계산했습니다[23].
$$ u\left({r}_{ij}\right)=D\left[\exp \left(-2\alpha \left({r}_{ij}-{r}_0\right)\right)-2\exp \left(-\alpha \left({r}_{ij}-{r}_0\right)\right)\right] $$ (1)
여기서 r₀, α, D는 각각 원자 간격, 탄성 계수, 결합 에너지입니다. 값은 표 2에 나와 있습니다.
시료 내 Cu 원자 간 원자간 함수는 식 2, 3과 같은 EAM 포텐셜로 기술합니다[24,25].
$$ E=\sum \limits_i^N\left[F\left({\rho}_i\right)+\sum \limits_{j>i}^Nu\left({r}_{ij}\right)\right] $$ (2)
$$ {\rho}_i=\sum \limits_jf\left({r}_{ij}\right) $$ (3)
다이아몬드 공구 내 탄소 원자 간 상호작용은 식 4, 5와 같은 Tersoff 포텐셜로 계산합니다[26].
$$ E=\frac{1}{2}\sum \limits_{i\ne j}{V}_{ij} $$ (4)
$$ {V}_{ij}={f}_c\left({r}_{ij}\right)\left[{V}_R^{\hbox{'}}\left({r}_{ij}\right)+{b}_{ij}{V}_A\left({r}_{ij}\right)\right] $$ (5)
여기서 f_c(r_ij)는 원자 간 절단 함수, V_A(r_ij)는 인력 항 이중 포텐셜, V_R(r_ij)는 반발 항 이중 포텐셜, r_ij는 원자 i와 j 간 원자 거리입니다.
단결정 구리 나노 절삭에서 변형과 전위는 시료 표면하에서 핵형성됩니다. 본 논문에서는 중심 대칭 매개변수(CSP)를 도입하여 시료 전위 핵형성과 결함 진화를 분석했습니다. 면심 입방(FCC) 재료의 CSP 값은 식 6으로 계산됩니다[27].
$$ CSP=\sum \limits_{i=1}^6{\left|{R}_i+{R}_{i+6}\right|}^2 $$ (6)
여기서 R_i는 같은 길이 이웃 원자, R_{i+6}은 반대 방향 이웃 원자입니다. FCC 결정, 부분 전위, 적층 결함, 표면 원자 CSP 값은 각각 0, 2.1, 8.3, 24.9입니다[27].
CSP 법은 원자 어긋남을 식별할 수 있으나 시료 국소 원자 결정 구조 상태를 인식할 수 없습니다. 따라서 공통 이웃 분석(CNA)을 도입하여 국소 결정 구조 결함을 식별했습니다. Honeycutt와 Andersen[28]이 제안한 원래 CNA 법에서 다양한 구조는 다이어그램으로 표현됩니다. 현재 OVITO[29]에는 다섯 가지 CNA 패턴이 있으며, 국소 결정 구조는 면심 입방(FCC), 조밀 육방(HCP), 체심 입방(BCC), 이코사헤드럴(ICO), 미상으로 식별됩니다. 본 논문에서는 전위 추출 알고리즘(DXA)[30]도 도입하여 전위 결함 진화를 분석했습니다. DXA로 시료 내 다양한 결정 구조를 다른 색으로 표시하고 전위 결함을 다른 색 선으로 표현했습니다.
나노 절삭 공정에서 절삭 공구의 압출과 전단 작용으로 절삭 깊이 두께의 시료 표면 재료가 제거되고, 일정 크기 정밀도와 표면 품질을 가진 새로운 가공 표면이 형성됩니다. 응력 변형과 열 변형을 포함한 복잡한 탄소-소성 변형이 에너지 변환과 응력 집중에 수반되어 시료 표면과 표면하에서 발생합니다. 따라서 표면하 손상 층이 형성되고 칩이 제거됩니다. 그림 2는 단결정 구리 나노 절삭 공정 중 표면하 결함 진화 순간 뷰와 재료 제거를 보여줍니다. 그림 2에서 원자들은 CSP 값과 CNA 분석 결과로 색칠되었습니다. 그림 2a, c에서 노란색, 녹색, 빨간색, 파란색 원자는 각각 표면 원자, 표면 결함 원자, 표면하 결함 원자, FCC 원자입니다. 그림 2에서 나노 절삭 공정 중 시료 표면하에 포인트 결함, 공공 결함, 적층 결함, 클러스터 결함, 프리즘 전위, 나사 전위 루프 등 대표적 결함 구조가 다수 형성됨을 알 수 있습니다.
절삭 공구의 압착과 전단 효과로 레이크 면 앞 원자에 전단 미끄럼 변형이 발생하여 시료 내 1차 전단 미끄럼 영역이 형성됩니다(그림 2b). 이들 원자 일부는 레이크 면을 따라 미끄러져 올라가 칩을 형성합니다(그림 2a). 일부는 아래로 이동하여 공구 플랭크 면 압착 마찰로 가공 표면이 형성됩니다(그림 2b). 다른 일부는 내부로 이동하여 적층 결함, 클러스터 결함, 프리즘 전위 등 표면하 결함을 형성합니다(그림 2a, b).
공구 플랭크 면 마찰과 압출로 플랭크 면 근처 원자에 에너지 축적이 발생하여 고에너지 원자가 됩니다. 원자 에너지가 특정 수준을 넘으면 고에너지 원자가 가진 에너지가 방출되고 고에너지 원자 구동으로 전위가 형성됩니다. 따라서 플랭크 면 마찰 영역에 다량 전위가 형성됩니다(그림 2d). 가공 표면이 형성됨에 따라 표면하에서 전위가 핵형성, 확장, 소멸합니다. 최종적으로 적층 결함, SFT, 공공 결함 등이 표면하에 잔류합니다(그림 2d). 적층 결함은 절삭 공구 아래 전단 미끄럼 영역에서 핵형성되어 시료 내부로 확장된 후 시료 자유 표면에서 소멸합니다. 결국 시료 표면에 전위 선이 형성됩니다. 전위 선은 [1̄01̄], [1̄01], [101] 방향으로 확장됩니다. 전단 미끄럼 영역 가장자리에 위치한 나사 전위 루프는 여러 적층 결함과 일련의 나사 전위로 구성됩니다. 나사 전위는 전단 미끄럼 영역 압축 응력 상태 구동 하에 형성됩니다[11].
나노 절삭 공정에서 전위는 절삭 공구 작용 하에 핵형성되고 확장됩니다. 에너지 축적과 방출에 수반되어 절삭 힘은 절삭 거리 증가에 따라 3차원에서 변동합니다(그림 3). 그림 3에서 검은색, 빨간색, 파란색 곡선은 각각 이송력(Fx), 백력(Fy), 접선력(Fz)입니다. 그림 3에서 절삭 공정은 초기 절삭 단계와 안정 절삭 단계 두 기간으로 나뉩니다. 초기 절삭 단계에서 이송력과 백력이 급격히 선형 증가합니다. 이송력 최대값은 1100nN 이상, 백력은 약 600nN에 도달합니다. 공구 팁이 시료에 완전히 절입되면 가공 표면이 형성됩니다(그림 3 첫 번째 작은 그래프 'Machined surface'). 이후 나노 절삭 공정은 안정 절삭 단계로 넘어갑니다. 안정 단계에서 세 힘이 모두 평형 위치에서 변동합니다. 평균 이송력은 약 1000nN, 평균 백력은 약 500nN입니다. 그림 3에서 절삭 거리 20nm에서 이송력이 급격히 감소합니다. 에너지 축적이 임계 격자 변형 에너지에 도달했기 때문입니다(그림 3 두 번째 작은 그래프). 동시에 공구에 큰 저항이 작용해 절삭 힘이 피크에 도달합니다. 이후 에너지 방출로 전위 방출이 일어나 절삭 힘이 감소합니다(그림 3 세 번째 작은 그래프). 따라서 안정 절삭 단계에서 절삭 힘이 변동합니다. 전위 핵형성, 확장, 소멸이 절삭 힘 변동을 유도하고 최종적으로 시료에 표면하 결함이 존재하게 됩니다.
나노 절삭 공정 중 시료 표면하 전위 결함 진화와 운동을 상세히 조사하기 위해 CNA 법으로 전위 분포와 절삭 거리에 따른 변화를 미세 분석했습니다. 시료 특정 영역 표면하 결함 진화를 그림 4에 나타냈습니다. 그림 4a~f 절삭 거리는 각각 8, 10, 12, 20, 24, 32nm입니다. 그림 4a에서 절삭 공구 압출 전단 작용으로 절삭 공정 초기에 전단 미끄럼 영역에서 다량 전위 결함이 핵형성됩니다. 특히 원자 응력과 에너지 구동으로 전단 미끄럼 영역 아래 V자형 전위와 결함이 형성됩니다(그림 4b). 이후 공정에서 공구 지속 전진으로 전단 미끄럼 영역이 전진합니다. 변형 에너지 감소로 결함이 점차 소멸합니다. 공구 계속 전진으로 플랭크 면 마찰 영역이 결함 근처로 이동합니다. 플랭크 면 압출 마찰로 거친 가공 표면이 형성됩니다. 이후 결함은 계속 소멸하며 시료 표면에서 점차 분리됩니다(그림 4d). 최종적으로 결함은 시료 표면하에 안정적으로 존재하는 클러스터 결함으로 변환됩니다. 유사하게 형성된 V자형 전위는 두 적층 결함과 전위 잠금 상호작용으로 점차 SFT로 진화합니다. 이러한 안정적 결함들이 함께 표면하 변형 층을 구성합니다(그림 4e, f).
알려진 바와 같이 시료는 에이징 처리 후 잔류 응력 방출과 내부 결함 회복이 발생합니다. 실제 나노 가공에서 가공 중 형성된 일부 표면하 결함은 가공 후 사라집니다. 가공 후 에이징 처리 상태를 시뮬레이션하기 위해 절단 시스템에 장시간 MD 이완을 수행했습니다. 장시간 MD 이완 후 시료 표면하 잔류 결함 분포도를 그림 5에 나타냈습니다. 원자들은 CSP와 CNA 분석 결과에 따라 색칠되었습니다. 그림 5에서 1차 전위들은 이완 후 소멸했습니다. 공공 결함, 적층 결함, 원자 클러스터, 프리즘 전위, 나사 전위, SFT, 계단-봉 전위가 표면하에 존재합니다(그림 5). 위 분석에 따르면 복잡한 내부 응력 유도와 전위 결함 상호작용으로 형성된 이러한 결함들은 나노 가공 후 시료 크기 정밀도와 표면 품질에 영향을 미칩니다.
가공 유도 표면하 잔류 결함은 표면 기계적 특성, 특히 경도와 영률을 지배합니다. 따라서 인덴테이션 중 전위 핵형성과 상호작용 조사가 매우 필요합니다. 가공 유도 표면하 결함이 단결정 구리 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 나노 절삭 후 시편 나노인덴테이션 공정을 나노 절삭 시뮬레이션과 동일한 파라미터로 수행했습니다. 시뮬레이션 결과는 그림 6~10에 나와 있습니다. 나노인덴테이션 초기 상태 표면하 결함 분포 순간 원자 이미지는 그림 6에 있습니다. 그림에서 인덴터 아래 여러 SFT, V자형 전위, 일부 프리즘 전위, 클러스터 결함이 있음을 볼 수 있습니다. 이러한 표면하 결함은 나노인덴테이션 공정 중 시료 전위 핵형성과 확장에 영향을 미쳐 시료 재료 기계적 특성을 변화시킵니다.
나노인덴테이션 로딩 공정 중 표면하 전위 원자 진화 이미지는 그림 7에 있습니다. 그림 7a에서 인덴터가 시편 표면에 접촉할 때 시편 표면에서 전위 초기 핵형성이 발생합니다. 인덴터 하향 압력에 따라 핵형성된 전위가 점차 확장됩니다. 동시에 인덴터 가하는 응력 영향으로 다량 전위가 미끄럼 시스템을 따라 핵형성되고 이동합니다(그림 7b). 새로 형성된 전위와 원래 표면하 결함 간 상호작용으로 일부 단순 결함이 점차 소멸하고, V자형 전위는 계속 진화하고 소멸합니다. 인덴터 아래 SFT가 점차 감소합니다(그림 7c). 인덴테이션 진행에 따라 새로 핵형성된 전위 결함 규모가 증가하고, 인덴터 아래 V자형 전위와 SFT1이 점차 소멸합니다. 동시에 인덴테이션 중 형성된 전위 결함이 점차 프리즘 전위 루프로 진화하며 적층 결함이 점차 소멸합니다(그림 7d). 새로 형성된 프리즘 전위 루프는 인덴터 오른쪽 아래 SFT2까지 계속 확장됩니다. 안정한 구조로 인해 SFT2는 전위 결함 이동과 간섭 동안 변형되지 않고 유지됩니다(그림 7e). 인덴터가 아래로 눌리면서 프리즘 전위 루프는 계속 아래로 확장되고 표면하 영역 전위 결함 규모는 점차 증가합니다. SFT2 구조는 시료 표면하에 안정적으로 존재하며 전위 결함 이동과 간섭 동안 변화가 없습니다(그림 7f).
인덴테이션 공정 중 표면하 결함 진화와 분포를 더 명확히 보이기 위해 DXA 법으로 인덴테이션 후 시편을 분석했습니다. 그림 7 해당 시간별 표면하 전위 분포 이미지를 DXA 분석으로 얻어 그림 8에 나타냈습니다. 전위는 다음 색상으로 구분: 진한 파란색(완전 전위), 녹색(쇼클리 전위), 분홍색(계단-봉 전위), 노란색(허스 전위), 연한 파란색(프랭크 전위), 빨간색(미확인 전위).
그림 8에서 초기 인덴테이션 상태 시료 표면하는 주로 쇼클리 전위와 계단-봉 전위로 구성됩니다. 표면하에 존재하는 SFT는 6개 계단-봉 전위로 이루어진 정사면체 구조입니다. 인덴터가 시료에 접촉하면 시료 표면 전위 핵형성은 노란색 허스 전위입니다(그림 8a). 인덴터가 아래로 눌리면서 다량 전위가 핵형성되어 미끄럼 시스템을 따라 이동합니다. 노란색 허스 전위가 점차 녹색 쇼클리 전위로 변합니다(그림 8b). 새로 형성된 전위와 원래 SFT1 상호작용으로 일부 단순 전위가 점차 소멸합니다(그림 8c). 인덴터가 더 내려가면서 결함 규모가 증가하고 새로 형성된 전위는 주로 녹색 쇼클리 전위입니다. 쇼클리 전위와 SFT1 상호작용으로 SFT1 크기가 점차 감소하여 결국 소멸합니다(그림 8d). 결함 규모 증가로 시료 표면하 전위 수와 유형이 증가합니다. 빨간색 미확인 유형 전위가 형성되고 여러 쇼클리 전위가 프리즘 전위 루프를 구성합니다(그림 8e). 쇼클리 전위와 계단-봉 전위 상호작용으로 인덴터 작용에서 먼 SFT2와 SFT3는 약한 압출로 최종까지 소멸하지 않습니다(그림 8f).
나노인덴테이션 언로딩 공정 중 표면하 전위 진화 이미지는 그림 9에 있습니다. 그림 10은 그림 9 해당 표면하 전위 분포 이미지입니다. 두 그래프에서 인덴터 상승 공정 중 표면하 결함 규모가 처음 증가하다 점차 감소함을 볼 수 있습니다. 이는 재료 변형 에너지 지속 방출과 인덴터가 시편에 가하는 부착력의 종합적 기능 때문입니다. 언로딩 초기 단계에서 인덴터 상승 흡착력이 시편에 미치는 영향은 유의하지 않습니다. 표면하 결함 진화는 주로 재료 변형 에너지에 의해 구동되어 표면하 결함 규모가 증가합니다. 이 단계 주요 전위 유형은 녹색 쇼클리 전위와 분홍색 사다리 전위입니다(그림 9a, b, 10a, b). SFT2와 인근 쇼클리 전위 상호작용으로 인덴터에서 먼 영역 분홍색 계단-봉 전위가 녹색 쇼클리 전위로 변하고, SFT2는 더 작은 결함인 SFT3로 변환됩니다(그림 9c, 10c). 인덴터 지속 상승으로 인덴터가 시편에 가하는 결합과 흡착 효과가 점차 증가합니다. 변형 에너지 방출과 함께 표면하 전위 크기와 유형이 증가합니다. 더 많은 완전 전위, 허스 전위, 미확인 전위가 형성됩니다(그림 9d, 10d). 언로딩 후기 단계에서 재료 변형 에너지가 기본적으로 방출되고 표면하 결함 진화는 인덴터 흡착이 지배합니다. 따라서 표면하 결함이 급격히 소멸하고 규모가 급감합니다. 인덴터 상승 방향으로 대표적 허스 전위가 형성됩니다(그림 9e, f, 10e, f). 최종적으로 표면하 결함 규모가 크게 감소하고 SFT, 원자 클러스터 등 대표적 표면하 결함이 점차 소멸합니다. 위 분석에서 2차 가공(나노인덴테이션)이 나노 절삭 중 형성된 대표적 내부 결함을 복원할 수 있으나, 2차 가공 영역 표면하 손상은 더 심각해짐을 알 수 있습니다. 이러한 표면하 결함 특성은 재료 기계적 특성에 영향을 미치므로 표면하 결함이 재료 기계적 특성에 미치는 영향 연구가 필요합니다.
재료 기계적 특성은 하중-변위 곡선으로 계산 가능합니다: 경도, 탄성 계수, 항복 강도 등. 본 연구에서는 단결정 구리 경도와 영률을 조사했습니다. 나노인덴테이션 공정 중 인덴터에 가해지는 하중 변화를 모니터링하여 나노인덴테이션 하중-변위 곡선을 그렸습니다(그림 11). 빨간색과 검은색 곡선 최대 인덴테이션 깊이는 각각 2nm, 3nm로 로딩과 언로딩 공정 모두 포함합니다. 하중 상향을 양의 방향으로 정의하여 로딩 공정에서 하중-변위 곡선은 모두 영선 위에 있으며, 언로딩 중 인덴터 하중은 양에서 음으로 변합니다. 변형된 매트릭스 재료 탄성 복원이 인덴터에 상향 힘을 가합니다. 따라서 인덴터를 균일 속도로 상승시키기 위해 하향 힘(양수)이 필요합니다. 변형이 점차 회복됨에 따라 힘이 점차 감소하여 사라집니다. 이후 인덴터에 가해지는 힘이 음수가 되고 절대값이 먼저 증가했다 감소합니다. 그래프에서 로딩 공정 중 시편은 탄성 변형 단계에 있으며 하중은 변위에 비례해 증가합니다. 인덴터 변위 1nm에서 인덴터 하중이 급격히 변동합니다(그림 11 왼쪽 화살표). 이는 인덴터가 그림 7에 보인 SFT1까지 눌려 더 큰 저항을 받기 때문입니다. 인덴터 변위 2~3nm 범위에서 하중 변동 진폭이 증가합니다. 인덴터가 SSD 층까지 눌려 시편 표면하 결함에 대한 저항이 더 유의해지기 때문입니다.
Oliver-Pharr 법[31]에 따라 나노인덴테이션 경도는 인덴테이션 하중을 인덴터와 시편 사이 접촉 면적으로 나눈 값으로 정의되며 식 7로 계산합니다.
$$ H={F}_{\mathrm{max}}/{A}_c $$ (7)
여기서 F_max는 하중 피크값, A_c는 인덴터와 시편 투영 접촉 면적으로 식 8로 구합니다.
$$ {A}_c=\pi {r}^2 $$ (8)
여기서 r은 인덴터 접촉 반경입니다. 인덴터가 반구형이므로 r은 인덴테이션 깊이와 근사합니다.
인덴터 가하는 하중으로 단결정 구리 재료 탄성 변형이 발생합니다. 이전 하중-변위 곡선 기반으로 단결정 구리 영률(E)은 식 9로 계산합니다.
$$ E=\frac{\sigma }{\varepsilon }=\frac{F/S}{DL/L}=\frac{F/\pi {r}^2}{DL/L} $$ (9)
여기서 F는 가해지는 하중, S는 접촉 면적, r은 인덴터 투영 반경, DL은 하중 방향 재료 변형으로 인덴테이션 깊이와 같고, L은 하중 방향 재료 총 길이입니다. 본 연구에서 L=30nm입니다.
Oliver-Pharr 법과 하중-변위 데이터로 식 7, 8, 9 기반 표면하 결함이 있는 단결정 구리 나노인덴테이션 경도와 영률을 계산했습니다. 표 3에 인덴터가 시편에 가하는 다양한 인덴테이션 깊이별 하중을 나타냈습니다.
표 3 데이터와 식 7, 8로 단결정 구리 나노인덴테이션 경도를 계산했습니다. 최대 깊이 2nm에서 F_max=190.67nN, 그림 11에서 r=2.75nm입니다. 계산된 나노인덴테이션 경도 H2는 8.029GPa입니다. 최대 깊이 3nm에서 F_max=244.66nN, r=3nm입니다. 계산된 경도 H3는 8.675GPa로 2nm 깊이보다 약간 큽니다. 이는 인덴터가 3nm 깊이에서 표면하 결함 영역까지 눌려 표면하 결함 변형 저항이 증가하기 때문입니다. 따라서 표면하 결함으로 가공 표면이 더 단단해지며 가공 경화 현상이 나타납니다.
단결정 구리 영률 E는 표 3 데이터와 식 9로 계산했습니다. 계산 결과는 표 4에 있습니다. 인덴테이션 깊이가 1.5nm보다 작을 때 영률이 뚜렷이 높습니다. 나노인덴테이션 초기 단계에서 인덴터는 표면하 잔류 결함 영역에 접촉하지 않습니다. 그러나 가공 경화 효과로 시편 재료가 탄성 변형되기 어렵기 때문에 초기 인덴테이션 단계에서 단결정 구리 영률이 더 큽니다. 인덴테이션 깊이 2nm에서 영률 값은 119.4GPa로 Zhang 연구(120.4GPa)[14]와 거의 일치합니다. 인덴테이션 깊이 증가에 따라 단결정 구리 시편 영률은 점차 감소하며 재료 탄성 변형 저항 능력이 약화됩니다. 이는 영구 탄성 변형이 전위 운동과 표면하 결함 상호작용에서 유래하기 때문입니다. 나노 절삭 유도 표면하 결함이 단결정 구리 재료 물리고 기계적 특성에 영향을 미침을 알 수 있으며, 이는 다른 FCC 재료에도 적용 가능합니다. 표면하 결함 존재는 가공 표면 경도를 높이고 재료 탄성 변형 저항 능력을 약화시키며, 전위와 표면하 결함 간 상호 진화가 중요한 역할을 합니다. 따라서 표면하 변형 층 두께 예측과 나노 가공 표면 특성 연구가 매우 중요합니다.
나노 절삭 후 시료에 안정적으로 존재하는 표면하 결함은 기계적 특성에 영향을 미치며, 이는 나노구조물 서비스 성능과 수명에 중요합니다. 선행 연구는 주로 완전 결정 재료나 인공적 가상 결함 기반으로 실제 표면하 결함과 거리가 멉니다. 본 논문에서는 분자 동역학 나노 절삭 시뮬레이션으로 표면하 결함을 가진 시료 모델을 구성했습니다. 구축된 MD 모델 기반으로 나노인덴테이션 시뮬레이션을 수행하여 가공 유도 표면하 결함이 단결정 구리 재료 물리고 기계적 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. 나노인덴테이션 중 전위와 복합 결함 간 상호작용 메커니즘을 연구했습니다. 단결정 구리 재료 나노인덴테이션 경도와 영률을 계산했습니다. 위 분석 기반으로 다음과 같은 흥미로운 결론을 도출했습니다.
나노 절삭 공정 중 시료 표면하 전위 핵형성과 확장은 절삭 공구 압출과 전단 작용에 의해 구동되어 절삭 힘 변동을 초래합니다. 나노 절삭 후 시료 표면하에 공공 결함, 적층 결함, 원자 클러스터, SFT, 계단-봉 전위 등 안정적 결함 구조 잔류가 존재하며 이들이 함께 시료 표면하 결함 층을 구성합니다.
표면하 결함 존재는 나노인덴테이션 공정 중 전위 핵형성과 확장에 영향을 미칩니다. 인덴터 바로 아래 V자형 전위, SFT1 등 일부 안정적 결함은 인덴테이션 후 소멸합니다. 인덴테이션 영역에서 먼 SFT2는 더 작은 것으로 변환됩니다. 나노인덴테이션 2차 가공으로 시료 대표적 내부 결함을 복원할 수 있으나, 2차 가공 영역 표면하 결함은 악화됩니다.
시편 나노인덴테이션 경도는 표면하 결함 도입으로 증가하여 가공 경화 효과가 형성됩니다. 단결정 구리 영률은 인덴테이션 초기 단계에서 더 크고 인덴테이션 깊이 증가에 따라 점차 감소합니다. 표면하 결함 존재는 재료 탄성 변형 저항 능력을 약화시키며, 전위와 표면하 결함 간 상호 진화가 중요한 역할을 합니다.
본 원고 결론은 본 논문에 모두 제시되고 보여진 데이터를 기반으로 합니다.
나노물질
Kraiburg 그룹 소속 Gummiwerk KRAIBURG GmbH(독일 Waldkraiburg)는 7월 27일 Kraibon 엘라스토머 제품을 소개했다. 비가황 엘라스토머로 만든 얇은 필름으로, 추가 공정 단계 없이 다양한 소재와 화학적으로 결합해 하이브리드 소재를 형성한다. 자동차, 건설, 스포츠, 풍력, 항공, 철도 차량, 의료 산업과 호환된다고 한다. FRP 통합 시 효과 Gummiwerk에 따르면 엘라스토머를 섬유강화 플라스틱(FRP) 구성에 통합하면 경질과 연질 소재가 교대하는 구조로, FRP의 우수한 기계적 물성과
소재의 기계적 특성이란? 소재의 기계적 특성은 외부 힘(하중)이 작용할 때 소재의 거동을 정의합니다. 이는 소재의 강도와 내구성 특성을 측정하는 척도이며, 공구, 기계, 구조물 설계에 매우 중요합니다. 기계적 특성은 구조 민감성을 가지는데, 이는 결정 구조와 결합 과정, 특히 결정 내부나 입계에 존재하는 불완전함의 성격과 거동에 의존하기 때문입니다. 가장 중요하고 유용한 소재의 기계적 특성을 아래에 간략히 설명하여 독자가 주어진 설계에 적합한 소재를 빠르고 현명하게 선택할 수 있도록 했습니다. 1. 강도(Strength) 소재의
