Einfluss von Kühlflüssigkeiten auf Materialabtrag und Unterflächenfehlerbildung beim Nanobeschneiden von einkristallinem Kupfer

Zusammenfassung

Der Einfluss von Flüssigkeitsmedien auf Materialabtrag und Unterflächenfehlerentwicklung beim Nanobeschneiden von einkristallinem Kupfer wird mittels Molekulardynamik-Simulation untersucht. In dieser Arbeit werden der Abtragmechanismus des Spans und der Bildungsmechanismus der bearbeiteten Oberfläche durch Analyse der Atomwanderung und Versetzungsentwicklung des Werkstücks während des Nanobeschneidens mit wässrigen Medien untersucht. Die Verteilung der Temperatur und die kristallographische Transformation von Unterflächenfehlern werden mittels Centro-Symmetrie-Parameter und Common-Neighbor-Analysis-Methoden analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Werkstückmaterial durch die Extrusions-Scherschneidwirkung des Schneidwerkzeugs abgetragen wird. Die Schmierung der wässrigen Medien kann die Schneidkraft verringern und die Spanhöhe reduzieren. Besonders bewirkt die Kühlwirkung der Flüssigkeitsmedien die Bildung eines typischen Defekts „ähnlich einer Korngrenze“ im Unterflächenbereich des Werkstücks. Und die Temperatur des Werkstücks nimmt während des Nanobeschneidens mit Flüssigkeitsmedien deutlich ab.

Hintergrund

Diamantschneiden gilt weithin als effektive Technik zur Erzeugung nanostrukturierter Oberflächen mit submicrometerter Maßgenauigkeit und nanometrischer Oberflächengüte [1]. Der Mechanismus des Materialabtrags und der Oberflächenbildung im Nanomaßstab ist entscheidend für die Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit im nanometrischen Schneidprozess. In frühen Studien konzentrierten sich Forscher auf die Verformung des Materials [2,3,4], die Oberflächenfehlerentwicklung [5,6,7], die Eigenspannungen [8, 9] und den Kristallphasenübergang [10, 11] während des Nanobeschneidens im Vakuum. In der tatsächlichen nanometrischen Bearbeitung von Metallmaterialien spielt die Rolle von Kühl- und Schmierflüssigkeiten jedoch eine entscheidende Rolle für die Verbesserung der Bearbeitungsleistung [12]. Daher ist es notwendig, den Einfluss von Flüssigkeitsmedien auf den Mechanismus des Materialabtrags und die Unterflächenfehlerentwicklung beim Nanobeschneiden zu untersuchen.

In den letzten Jahren wird der Bearbeitungsmechanismus des Nanobeschneidens häufig durch Molekulardynamik-Simulation (MD) untersucht, die sich als effektive Methode zur Untersuchung nanometrischer Schneidprozesse erwiesen hat. Beispielsweise untersuchte Fang [13] den Einfluss von Erholung und Seitenfluss auf die Oberflächenbildung und Phasentransformation beim Nanobeschneiden. Es wurde festgestellt, dass die Unterdrückung des Seitenflusses ein effektiver Weg zur Verbesserung der erzeugten Oberflächenrauheit beim Nanobeschneiden ist. Urbassek [14] nutzte MD-Simulation, um das Kratzen nanokristalliner Metalle zu untersuchen und fand, dass die Korngrößenorientierung einen dominierenden Einfluss auf die Form des Aufhäufens hat und den Reibungskoeffizienten stark beeinflusst. Sharma [15] untersuchte den Einfluss von sechs verschiedenen Kristallorientierungen auf den Materialverformungsmechanismus, Unterflächenfehler, Schneidkräfte, spezifische Schneidenergie, Schiebeffekt und Oberflächenrauheit im nanomaßstäblichen Schneiden. Luo [16] demonstrierte die Formübertragbarkeit durch Verwendung nanomaßstäblicher Mehrspitzen-Diamantwerkzeuge beim Diamantdrehen für die Skalierung der Nanostrukturherstellung.

Die Unterflächenfehlerbildung und die Oberflächenrauheit von Nanokomponenten können durch sinnvolle Auswahl von Schneidparametern wie Schneidrichtung, Schnitttiefe, Schneidgeschwindigkeit und Werkzeuggeometrie begrenzt werden. Es gelingt jedoch nicht, die Bildung von Oberflächenfehlern zu unterdrücken und die Oberflächenqualität vom Entstehungsmechanismus her zu verbessern. Außerdem konzentrierten sich diese Forschungen auf den Nanobeschneideprozess im Vakuum. Tatsächlich existieren in der Nanometerschneidung Atmosphäre und Kühlflüssigkeitsmedien zwischen Werkzeug und Werkstück, die den Nanobeschneidemechanismus und die Oberflächenqualität der Nanostruktur beeinflussen können.

Basierend auf diesen Überlegungen führten viele Wissenschaftler Forschungen zum Nanobearbeitungsprozess mit Flüssigkeitsmedien durch. Zum Beispiel untersuchte Mylvaganam [17] den Einfluss von O₂ auf die Nanoeindringung von diamantkubischem Silizium mittels MD-Simulation und fand, dass das O₂-Molekül in Sauerstoffatome dissoziiert und chemische Bindungen mit Siliziumatomen bildet. Rentsch [18] fand, dass Schneidflüssigkeit großen Einfluss auf die Verteilung von Spannung und Temperatur hat und darauf hinwies, dass Schneidflüssigkeit den Werkzeugverschleiß reduzieren kann. Liu [19] untersuchte den Einfluss von Atmosphärenmolekülen auf Oberflächenqualität und Werkzeugverschleiß beim Nanobeschneiden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Schneidkraft abnimmt und der Werkzeugverschleiß durch die Schmierung der Atmosphärenmoleküle reduziert wird. Singh [20] erforschte den Einfluss von Nanopartikel-Schneidflüssigkeit auf den Metallabtragsprozess. Wang [21] diskutierte den Einfluss von Wassermolekülen auf das tribologische Verhalten und Eigenschaftsmessungen in Nanoeindringprozessen und fand, dass die Teilnahme von Wassermolekülen die initiale Eindringkraft erhöht und die maximale Eindringkraft verringert. Chavoshi [22] untersuchte das Hochtemperatur-Nanokratzen von einkristallinem Silizium unter reduzierten Sauerstoffbedingungen, und es wurden keine Überreste von Hochdruck-Siliziumphasen in der Simulation beobachtet.

Aus der verfügbaren Literatur gehen frühere Forschungen zum Nanobeschneiden mit Flüssigkeitsmedien auf Simulationsmodellen mit wenigen Molekülen oder Nanopartikeln basieren, die im Bereich der Werkzeug-Span-Schnittstelle lokalisiert sind. In anderen Bereichen wird jedoch kein Flüssigkeitsmedium hinzugefügt, und die Schmierung der Flüssigkeitsmedien wird nur eingeschränkt analysiert. Aufgrund der Unzulänglichkeit der Flüssigkeitsmedien in den Modellen beeinflusst die Kühlwirkung der Flüssigkeitsmedien den Nanobeschneideprozess nicht, während die Kühlwirkung der Flüssigkeitsmedien ebenso wichtig wie die Schmierung für die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität ist.

Daher werden in dieser Arbeit das Schneidwerkzeug und das Werkstück vollständig von der Schneidflüssigkeit umgeben, die nicht nur im Wirkungsbereich der Werkzeug-Span-Schnittstelle, sondern auch in den Bereichen der Werkstückoberfläche, der bearbeiteten Oberfläche und dem hinteren Bereich des Werkzeugs existiert. Somit kann die adäquate Schmierung der Flüssigkeitsmedien zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück untersucht werden. Darüber hinaus werden die Flüssigkeitsmedien während des Nanobeschneideprozesses auf eine konstante Temperatur eingestellt, sodass die Kühlwirkung der Flüssigkeitsmedien gut untersucht werden kann. Wasserbasierte Schneidflüssigkeit wird in der Ultrapräzisionsbearbeitung weit verbreitet eingesetzt, die nicht nur Wasser, sondern auch lösliches Basisöl, Rizinusöl, Triethanolamin, Borsäure, Tensid, Polyethylenglykol und Natriumphosphat enthält. Dennoch ist der Hauptbestandteil der Schneidflüssigkeit das Wassermedium, und der Massenanteil von Wasser in der Schneidflüssigkeit beträgt etwa 70%. Aufgrund der Schwierigkeiten beim Aufbau von MD-Modellen aller anderen Substanzen und der unbekannten Potentialfunktionsparameter kann die Untersuchung des Nanobeschneidens mit wasserbasierter Schneidflüssigkeit nicht mit molekularen Dynamik-Rechenmethoden durchgeführt werden. Daher wird das Wassermedium, der Hauptbestandteil der Schneidflüssigkeit, in dieser Forschung zur Ersetzung der wasserbasierten Schneidflüssigkeit während der Nanobeschneidesimulation verwendet. Basierend auf dem etablierten MD-Modell wird der Nanobeschneideprozess durchgeführt, um den Einfluss des Wassermediums auf Materialabtrag und Unterflächenfehlerbildungsmechanismus zu untersuchen. Die Unterflächenfehlerentwicklung, die Variation der Schneidkraft, die Temperaturverteilung des Werkstücks und die kristallographische Transformation der Unterflächenfehler werden mittels Centro-Symmetrie-Parameter (CSP), Common-Neighbor-Analysis (CNA) und Dislocation-Extract-Algorithm (DXA) Methoden untersucht.

Methoden

Simulationsmodell

Um den Einfluss von Flüssigkeitsmedien auf Materialabtrag und Unterflächenfehlerentwicklung beim Nanobeschneiden zu untersuchen, werden MD-Modelle mit und ohne wässrige Medien erstellt, wie in Abb. 1 gezeigt. In den Modellen werden Wassermoleküle gemäß dem TIP4P-Modell [23,24,25] aufgebaut. Das CHARMM-Kraftfeld und das Lennard-Jones (L-J)-Potenzial werden verwendet, um die Bewegung der Wassermoleküle präzise zu berechnen. Es kann die Nichtbindungs-Potenzialenergie, Bindungsdehnungs-Potenzial, Biege-Potenzialenergie des Bindungswinkels und die Molekülschwingung umfassend analysieren, was die Simulation der Wassermoleküle genauer macht. Das Werkstückmaterial ist einkristallines Kupfer, und das Bearbeitungswerkzeug besteht aus Diamantmaterial. Es enthält 62835 Wassermoleküle, 368208 Cu-Atome und 2452 C-Atome. Das Werkstück wird in drei Teile unterteilt: Newton-Schicht, Temperaturschicht und Randschicht. Um den Größeneffekt zu reduzieren, wird die periodische Randbedingung (PBC) in [001]- und [010]-Richtung angewendet. Um den Druck und die Dichte der Wassermedien beizubehalten, werden reflektierende Wände an beiden Seiten der [001]-Richtung verwendet. Im tatsächlichen Bearbeitungsprozess führt das Kühlmittel den größten Teil der Schneidewärme ab, daher wird die Wasserumgebung in dieser Arbeit auf eine konstante Temperatur von 300 K eingestellt. Das MD-Simulationsmodell mit Vakuumumgebung ist in Abb. 1b dargestellt, wobei die initialen Simulationsbedingungen denen des Flüssigkeitsumgebungsmodells ähnlich sind. Die unterschiedlichen Einstellungen zwischen den beiden Modellen sind die relevanten Einstellungen für die wässrigen Medien. Die detaillierten Schneidparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die MD-Simulationsmodelle beim Nanobeschneiden. a Verwendung wässriger Medien. b Verwendung von Vakuumumgebung

Interatomare Potenzialfunktionen

In MD-Simulationen spielt die Potenzialfunktion eine entscheidende Rolle für die Simulationsergebnisse. Die Materialeigenschaften werden fundamental durch die Wechselwirkung zwischen Atomen gesteuert. In dieser Forschung wird das Modell in drei Teile unterteilt: Werkstück, Schneidwerkzeug und wässrige Medien, und enthält vier Atomtypen: Cu, C, H und O Atome. Die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Atomen werden durch Morse-Potenzial, Embedded-Atom-Method (EAM)-Potenzial, Lennard-Jones (L-J)-Potenzial und Tersoff-Potenzial berechnet. Die detaillierte Einführung der ausgewählten Potenzialfunktionen zwischen verschiedenen Atomen ist in Tabelle 2 dargestellt.

Morse-Potenzial

Die Wechselwirkung zwischen Cu-Atomen im Werkstück und C-Atomen im Schneidwerkzeug wird durch Morse-Potenzial berechnet, wie in Gleichung (1) gezeigt [26].

$$ u\left({r}_{ij}\right)=D\left[\exp \left(-2\alpha \left({r}_{ij}-{r}_0\right)\right)-2\exp \left(-\alpha \left({r}_{ij}-{r}_0\right)\right)\right] $$ (1)

wobei r₀, α und D jeweils Atomabstand, Elastizitätsmodul und Bindungsenergie sind. Die Werte von r₀, α und D sind in Tabelle 3 aufgeführt.

EAM-Potenzial

Die interatomare Funktion unter Cu-Atomen im Werkstück wird durch EAM-Potenzial beschrieben, wie in Gleichungen (2) und (3) gezeigt [27, 28].

$$ E\kern0.5em =\kern0.5em \sum \limits_i^N\left[F\left({\rho}_i\right)\kern0.5em +\kern0.5em \sum \limits_{j\kern0.5em >\kern0.5em i}^Nu\left({r}_{ij}\right)\right] $$ (2)

$$ {\rho}_i\kern0.5em =\kern0.5em \sum \limits_jf\left({r}_{ij}\right) $$ (3)

Lennard-Jones-Potenzial

Das Lennard-Jones-Potenzial ist ein Dual-Potenzial, das die Wechselwirkung sowohl der langreichweitigen Coulomb-Kraft als auch der kurzreichweitigen Van-der-Waals-Kraft zwischen Atomen umfasst. Das L-J-Potenzial wird oft zur Simulation von Flüssigkeitsmaterialien verwendet. In dieser Arbeit wird das Lennard-Jones-Potenzial zur Berechnung der Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen und anderen Atomen verwendet, wie in Gleichung (4) gezeigt [29].

$$ {U}_{L-J}(r)\kern0.5em =\kern0.5em 4\varepsilon \left[{\left(\frac{\sigma }{r}\right)}^{12}\kern0.5em -\kern0.5em {\left(\frac{\sigma }{r}\right)}^6\right] $$ (4)

wobei σ der Gleichgewichtsabstand ist, wenn die Wechselwirkungspotenzialenergie null beträgt, und ε die Tiefe der Potenzialenergiefalle ist.

Für verschiedene Materialien können σ und ε durch Gleichungen (5) und (6) berechnet werden [29].

$$ {\sigma}_{\alpha \beta}\kern0.5em =\kern0.5em \frac{\sigma_{\alpha \alpha}\kern0.5em +\kern0.5em {\sigma}_{\beta \beta}}{2} $$ (5)

$$ {\varepsilon}_{\alpha \beta}\kern0.5em =\kern0.5em \sqrt{\varepsilon_{\alpha \alpha}\cdot {\varepsilon}_{\beta \beta}} $$ (6)

Die in dieser Forschung verwendeten interatomaren L-J-Potenzialparameter sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Tersoff-Potenzial

Die Wechselwirkung zwischen Kohlenstoffatomen im Diamantwerkzeug wird durch Tersoff-Potenzial berechnet, wie in Gleichungen (7) und (8) gezeigt [30].

$$ E\kern0.5em =\kern0.5em \frac{1}{2}\sum \limits_{i\ne j}{V}_{ij} $$ (7)

$$ {V}_{ij}\kern0.5em =\kern0.5em {f}_c\left({r}_{ij}\right)\left[{V}_R^{\hbox{'}}\left({r}_{ij}\right)\kern0.5em +\kern0.5em {b}_{ij}{V}_A\left({r}_{ij}\right)\right] $$ (8)

wobei f_c(r_ij) die Abschneidefunktion zwischen Atomen ist, V_A(r_ij) das Dual-Potenzial des Absorptionsterms, V_R(r_ij) das Dual-Potenzial des Repulsionsterms und r_ij der Atomabstand zwischen Atom i und Atom j ist.

Fehleranalysemethoden

Beim Nanobeschneiden von einkristallinem Kupfer werden Verformungen und Versetzungen im Unterflächenbereich des Werkstücks nucleiert. In dieser Arbeit wird der Centro-Symmetrie-Parameter (CSP) eingeführt, um die Versetzungsnukleation und Fehlerentwicklung des Werkstücks zu analysieren. Für flächenzentriert-kubische (FCC) Materialien kann der CSP-Wert durch Gleichung (9) berechnet werden [31].

$$ CSP\kern0.5em =\kern0.5em \sum \limits_{i\kern0.5em =\kern0.5em 1}^6{\left|{R}_i\kern0.5em +\kern0.5em {R}_{i+6}\right|}^2 $$ (9)

wobei R_i die Nachbaratome mit gleichem Abstand und R_{i + 6} die Nachbaratome in entgegengesetzter Richtung sind. Die CSP-Werte von FCC-Kristall, Teilversetzung, Stapelungsfehlern und Oberflächenatomen betragen 0, 2,1, 8,3 und 24,9 [32]. Der Bereich der CSP-Werte für typische Kristallstrukturen und atomare Färbung sind in Tabelle 5 dargestellt.

Die CSP-Methode kann die atomare Konfiguration identifizieren, aber den lokalen atomaren Kristallstrukturzustand des Werkstücks nicht erkennen. Daher wird die Common-Neighbor-Analysis (CNA) eingeführt, um die lokale Kristallstruktur des Werkstücks zu identifizieren. Im ursprünglichen CNA-Verfahren von Honeycutt [33] werden die verschiedenen Strukturen durch Diagramme dargestellt. Derzeit ist es verbessert worden, um fünf Arten von Strukturen in der OVITO-Software [34, 35] schnell zu identifizieren, nämlich flächenzentriert-kubisch (FCC), hexagonal-dichteste-packung (HCP), raumzentriert-kubisch (BCC), ikosaedrisch (ICO) und unbekannt. In dieser Arbeit wird auch der Dislocation-Extract-Algorithm (DXA) [36] eingeführt, um die Entwicklung von Versetzungsfehlern zu analysieren. Mit der DXA-Methode werden die verschiedenen Kristallstrukturen im Werkstück mit verschiedenen Farben markiert und die Versetzungsfehler im Werkstück durch farbige Linien dargestellt.

Ergebnisse und Diskussion

Unterflächenfehlerentwicklung beim Nanobeschneiden mit wässrigen Medien

Der Querschnitt des Schneidsystems ist in Abb. 2 dargestellt, der das Schneidwerkzeug, das Werkstück und die Wassermedien während des Nanobeschneideprozesses enthält. Um die plastische Verformung des Werkstücks klar wahrzunehmen, wird die CSP-Methode zur Analyse der Ergebnisse verwendet. Die Momentaufnahmen sind teilweise nach dem CSP-Wert gefärbt, wie in Abb. 2 gezeigt, wobei Abb. 2a bei 5 nm Schneidweg und Abb. 2b bei 15 nm Schneidweg ist. Man kann sehen, dass ein kompakter Wassermoleküllayer auf der Oberfläche des einkristallinen Kupfers gebildet wird, der als „Monomolekularfilm von Wasser“ in Abb. 2a bezeichnet ist. Der Wasserfilm breitet sich über alle Oberflächen des Schneidwerkzeugs und Werkstücks aus, wobei die Sauerstoffatome das Zentrum des einkristallinen Kupfergitters einnehmen. Die regelmäßige Anordnung der Wassermoleküle ist das Ergebnis der kombinierten Wirkung von langreichweitiger Coulomb-Kraft und Van-der-Waals-Kraft zwischen Wassermolekülen und Kupferatomen.

Querschnittsansicht des Schneidsystems mit wässrigen Medien beim Nanobeschneiden (Farben online). a Schneidweg l = 5 nm. b Schneidweg l = 15 nm

Im Nanobeschneideprozess resultiert die Gleitverformung aus der frühen kompressiven Scherwirkung des Schneidwerkzeugs und wird als Dehnungsenergie im gebildeten Kristallgitter gespeichert. Wenn die Dehnungsenergieakkumulation ein bestimmtes Niveau erreicht hat, wird die Dehnungsenergie freigesetzt. Dann wird das Gitter des einkristallinen Kupfers umgeordnet, was Versetzungsnukleation und -ausdehnung entlang der \( \left[1\overline{1}0\right] \) Richtung verursacht, wie in Abb. 2a gezeigt. Aus Abb. 2a geht hervor, dass der Monomolekularfilm von Wasser auf der Werkstückoberfläche gebildet wird. Darüber hinaus dringen Wassermoleküle in den Unterflächenbereich des Werkstücks im Wirkungsbereich der Werkzeug-Span-Schnittstelle ein, was als rechte obere Illustration in Abb. 2a gezeigt wird. Aufgrund der Schmierwirkung der zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück existierenden Wassermoleküle wird die kompressive Scherwirkung des Schneidwerkzeugs abgeschwächt. Und die Dehnungsenergieakkumulation nimmt ab und die Versetzungen dehnen sich unzureichend aus. Zusätzlich führt das wässrige Medium viel Schneidewärme ab, und die Energie der nucleierten Versetzungsausdehnung ist unzureichend. Daher ist die Versetzungsausdehnung unzureichend und die Versetzungslinie im Unterflächenbereich des Werkstücks unauffällig, wie in Abb. 2a gezeigt.

Wenn sich das Schneidwerkzeug vorwärts bewegt, leidet das Werkstück unter der Extrusions- und Reibungswirkung, die von der Flankenfläche des Schneidwerkzeugs erzeugt wird. Unter der Extrusions- und Reibwirkung des Schneidwerkzeugs nucleieren und dehnen sich eine große Anzahl von Versetzungen im Unterflächenbereich des Werkstücks. Ein Teil dieser Versetzungen bewegt sich entlang der Spanfläche nach oben und wird schließlich als Span abgetragen, wie in Abb. 2b gezeigt. Ein anderer Teil dieser Versetzungen bewegt sich entlang der Spanfläche des Schneidwerkzeugs nach unten und wird nach der Extrusions-Reibwirkung der Flankenfläche des Schneidwerkzeugs in eine raue bearbeitete Oberfläche transformiert, was in Abb. 2b als „Wasseranordnung auf bearbeiteter Oberfläche“ gezeigt wird. Andere Teile der Versetzungen bewegen sich nach innen entlang der \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) und \( \left[1\overline{1}0\right] \) Gleitebene und verschwinden im Inneren des Werkstücks, was zur Bildung von Schraubenversetzungen führt, wie in Abb. 2b gezeigt. Aufgrund der allmählich zunehmenden Spanhöhe können die Wassermoleküle vor dem Span im späteren Stadium des Schneideprozesses nicht über den Span hinter das Schneidwerkzeug fließen. Und die Dichte und der Druck der Wassermedien hinter dem Schneidwerkzeug nehmen rapide ab, was dazu führt, dass die Schneidewärme während des Nanobeschneideprozesses nicht rechtzeitig abgeführt wird. Daher haben die nucleierten Versetzungen genug Energie, um sich im Inneren des Werkstücks auszudehnen, wie in Abb. 2b gezeigt.

Um die zugrunde liegende Verformung von Versetzungen und den lokalen atomaren Kristallstrukturzustand von einkristallinem Kupfer während des Nanobeschneideprozesses zu erläutern, werden die CSP- und DXA-Analysemethoden eingeführt. Die Analyseergebnisse sind in Abb. 3, 4, 5 und 6 dargestellt, wobei Abb. 3 und 4 nach CSP-Wert gerendert sind und Abb. 5 und 6 nach DXA-Analyseergebnis gefärbt sind.

Unterflächenfehlerverteilung des Werkstücks mit wässrigen Medien beim Nanobeschneiden. Die Schneidwege von a, b, c und d betragen 5 nm, 8 nm, 12 nm und 15 nm.

Unterflächenfehlerverteilung des Werkstücks beim Nanobeschneiden in Vakuumumgebung. Die Schneidwege von a, b, c und d betragen 5 nm, 8 nm, 12 nm und 15 nm.

DXA-Bild des Werkstücks im frühen Stadium des Nanobeschneidens. Versetzungen sind nach folgendem Schema gefärbt: dunkelblau für perfekte Versetzung, grün für Shockley-Versetzungen, rosa für Treppenstufen-Versetzungen, gelb für Hirth-Versetzungen, hellblau für Frank-Versetzungen und rot für nicht identifizierte Versetzungen. Die Schneidwege von a, b, c und d betragen 7 nm, 8 nm, 9 nm und 10 nm.

DXA-Bild des Werkstücks im späteren Stadium des Nanobeschneidens. Das Farbschema der Versetzungen ist dasselbe wie in Abb. 5. Die Schneidwege von a, b, c und d betragen 17 nm, 18 nm, 19 nm und 20 nm.

Die Unterflächenfehlerverteilung des Werkstücks beim Nanobeschneiden mit wässrigen Medien ist in Abb. 3 dargestellt, wobei die Wassermedien nicht angezeigt werden, um die Versetzungsfehlerentwicklung deutlicher zu beobachten. Die gelben, grünen, roten und orangefarbenen Bereiche repräsentieren Oberflächenatome, Oberflächenfehleratome, Versetzungsatome und Unterflächenfehleratome. Die Versetzungsverteilung und -ausdehnung des Werkstücks beim Nanobeschneiden ohne wässrige Medien ist in Abb. 4 dargestellt. Aus den beiden Abbildungen geht hervor, dass die nucleierten Versetzungen während des Nanobeschneideprozesses mit wässrigen Medien entlang des \( \left[\overline{1}10\right] \) Gleitvektors migrieren, aber entlang des \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) Gleitvektors beim Nanobeschneiden unter Vakuum ausgedehnt werden. Wie bekannt, bewirkt die Scherwirkung des Schneidwerkzeugs, dass sich Versetzungen entlang der Richtung entgegen der Werkzeugvorwärtsbewegung ausdehnen, was der \( \left[\overline{1}10\right] \) Gleitvektor ist. Die Reibwirkung des Schneidwerkzeugs führt zur Versetzungsmigration entlang der Richtung orthogonal zur Werkzeugbewegung, was ein \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) Gleitvektor ist. Während des Nanobeschneideprozesses in Vakuumumgebung sind die Wirkungen des Schneidwerkzeugs auf das Werkstück die Scherwirkung der Spanfläche und die Reibwirkung der Flankenfläche, während die Bildung der bearbeiteten Oberfläche und Unterflächenfehler durch die Reibwirkung der Flankenfläche ausgelöst wird. Daher dehnt sich die Versetzungsausdehnung entlang des \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) Gleitvektors beim Nanobeschneiden im Vakuum aus. Aufgrund der Schmierung der zwischen Werkzeug und Werkstück existierenden Wassermoleküle wird die Reibwirkung des Schneidwerkzeugs reduziert. Somit spielt die Scherwirkung eine wichtige Rolle bei der Bildung der bearbeiteten Oberfläche und Unterflächenfehler. Daher dehnen sich die Versetzungen hauptsächlich entlang des \( \left[\overline{1}10\right] \) Gleitvektors beim Nanobeschneiden mit wässrigen Medien aus.

Aus Abb. 3 und 4 lässt sich feststellen, dass der Maßstab der Unterflächenfehler in Wassermedien größer ist als im Vakuum während des Nanobeschneideprozesses. Tatsächlich breiten sich die Versetzungsfehler über den gesamten bearbeiteten Bereich aus und reichen tief ins Werkstück hinein. Die Schneidewärme wird von den Wassermedien abgeführt, und die Energie der defekten Atome nimmt ab. Daher haben die Unterflächenfehler nicht genug Energie, um vernichtet zu werden. Daher nimmt der Versetzungsfehlerrest zu. Die Tiefe der Unterflächenfehlerschicht ist beim Nanobeschneiden mit Wassermedien relativ höher. Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Wassermolekülen, Kohlenstoffatomen und Kupferatomen wird die Extrusionsreibung zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück abgeschwächt und die atomare Unordnung der bearbeiteten Oberfläche verschlimmert sich im Bildungsprozess der bearbeiteten Oberfläche. Darüber hinaus wird der Fehlerrest im Unterflächenbereich verschärft und die Unterflächen-Eigenspannung erhöht.

Um den Einfluss der Wassermedien auf den Versetzungsfehlerentwicklungsprozess besser zu enthüllen, wird die DXA-Methode verwendet, um das Werkstück beim Nanobeschneiden mit wässrigen Medien zu analysieren, wobei das frühe Stadium und die späte Periode in Abb. 5 und 6 dargestellt sind. Ein stabiler Kristalldefekt wird in mehreren Atomlagen unter der bearbeiteten Oberfläche im frühen Stadium des Nanobeschneideprozesses gefunden, der zwischen zwei Stapelungsfehlern liegt, wie in Abb. 5d gezeigt. Die Existenz der Kristalldefekte wird die Qualität der bearbeiteten Oberfläche beeinflussen und sogar zur Erzeugung von Mikrorissen auf der bearbeiteten Oberfläche führen. Daher wird der Bildungsprozess der Fehlerentwicklung untersucht. Aus Abb. 5a geht hervor, dass in der frühen Phase der Fehlerbildung viele Shockley-Teilversetzungen unter der Reibwirkung der Flankenfläche des Schneidwerkzeugs nucleieren. Diese Shockley-Versetzungen entwickeln sich während des Vorwärtsbewegens des Schneidwerkzeugs zu einer V-förmigen Versetzungs-Schleife, wie in Abb. 5b gezeigt. Anschließend entwickelt sich die V-förmige Versetzung allmählich zu seriellen Shockley-Teilversetzungen. Schließlich werden die Teilversetzungen in Restfehler im Unterflächenbereich transformiert. Da die Schneidewärme von den Wassermedien abgeführt wird, haben die defekten Atome zu wenig Energie, um vernichtet zu werden, und werden in immobile Defekte unter der bearbeiteten Oberfläche transformiert. Die Rauheit der bearbeiteten Oberfläche wird erhöht, und die Eigenspannung im Unterflächenbereich verursacht weitere Verschlimmerung. Darüber hinaus kann ein Oberflächenmikroriss durch den Defekt induziert werden.

Der Einfluss der Wassermedien auf die Scher-Gleitwirkung des Schneidwerkzeugs während des Spanabtragsprozesses wird durch die DXA-Methode untersucht, was in Abb. 6 dargestellt ist. Aus Abb. 6a geht hervor, dass eine große Anzahl von Shockley-Teilversetzungen vor dem Schneidwerkzeug nucleiert wird. Und die Scher-Gleitebene wird durch diese Versetzungen konstituiert. Im folgenden Schneideprozess werden serielle Stapelungsfehler und Teilversetzungen nucleiert und auf der Scher-Gleitebene ausgedehnt. Unter der Nukleation und Bewegung der Versetzungen vor dem Schneidwerkzeug wird der Schneidespan allmählich entlang der Scher-Gleitebene abgetragen, wie in Abb. 6c gezeigt. Gleichzeitig wird der Extrusionsreibungseffekt der Werkzeug-Spanfläche durch die Schmierwirkung der Wassermedien abgeschwächt. Die Versetzungsnukleation und -ausbreitung ist unzureichend und der Unterflächenfehlerrest ist während des Nanobeschneideprozesses unauffällig, wie in Abb. 6a–d gezeigt. Entsprechend wird die Scherwirkung des Schneidwerkzeugs auf das Werkstück signifikanter. Daher wird der gebildete Span unter der Teilnahme von Wassermedien beim Nanobeschneiden leichter abgetragen. Und die Hauptschneidkraft wird gleichzeitig abnehmen, was später in dieser Arbeit detailliert besprochen wird.

Einfluss der Wassermedien auf die Variation der Schneidkraft und Schneidewärme

Im Schneideprozess wird der Materialabtrag durch die Extrusions- und Scherwirkung des Schneidwerkzeugs realisiert. Aufgrund der Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit des Metallmaterials erfährt die Spanfläche des Schneidwerkzeugs die Reaktionskraft, die durch den Widerstand gegen die Verformung des Werkstückmaterials während des Materialabtragsprozesses erzeugt wird. Und die Flankenfläche des Werkzeugs wird durch die Reibkraft-Widerstand der bearbeiteten Oberfläche beeinflusst. Diese Kräfte bilden zusammen die Schneidkraft. Synchron wird die aufgebrachte Arbeit durch die Scherverformung der Schneidespäne sowie die Reibwirkung zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück in Schneidewärme umgewandelt, was zu einer Erhöhung der Werkstücktemperatur führt. Begleitet von der Akkumulation und Freisetzung der Materialdehnungsenergie treten Versetzungsnukleation und -ausdehnung in der Unterflächenschicht des Werkstücks auf, was Schwankungen der Schneidkraft und Schneidewärme mit dem Schneidweg induziert.

In dieser Forschung hat die Teilnahme der Wassermedien großen Einfluss auf die Variation der Schneidkraft und Schneidewärme. Die Variationskurven der Schneidkraft mit dem Schneidweg beim Nanobeschneiden mit und ohne wässrige Medien sind in Abb. 7 und 8 dargestellt, wobei die schwarze, rote und blaue Kurve jeweils die Vorschubkraft (Fx), Rückkraft (Fy) und Tangentialkraft (Fz) sind. Aufgrund der PBC in Z-Richtung und des säulenförmigen Diamantwerkzeugs entlang der Z-Richtung in der Simulation beträgt die durchschnittliche Tangentialkraft (Fz) in Abb. 7 und 8 etwa 0 nN.

Variationskurve der Schneidkraft beim Nanobeschneiden in Vakuumumgebung

Variationskurve der Schneidkraft beim Nanobeschneiden mit Wassermedien

Der Schneideprozess wird in den initialen Schneidestadium und das stabile Schneidestadium unterteilt, wie in Abb. 7 gezeigt. Im initialen Schneidestadium steigen Vorschubkraft und Rückkraft steil linear an. Und sie erreichen ihre Maximalwerte, wenn das Schneidwerkzeug vollständig in das Werkstück eindringt. Im stabilen Schneidestadium schwanken die Schneidkräfte um ihre Gleichgewichtsposition auf und ab, und die Vorschubkraft erreicht mehr als 200 nN und die mittlere Schneidkraft beträgt etwa 180 nN. Die Rückkraft ist sehr klein und nimmt im späten stabilen Schneidestadium allmählich ab. Der Maximalwert der Rückkraft liegt unter 100 nN, und der Mittelwert liegt bei etwa 50 nN. Allgemein stellt der spezifische Wert zwischen mittlerer Rückkraft und mittlerer Vorschubkraft (Fy/Fx) den Reibungskoeffizienten zwischen Werkzeugmaterial und Werkstückmaterial im Bearbeitungsprozess dar. In dieser Forschung beträgt der Reibungskoeffizient zwischen Diamant und einkristallinem Kupfer in Vakuumumgebung 0,278.

Die Vorschubkraft und die Rückkraft sind beim Nanobeschneiden mit Wassermedien im Vergleich zur Vakuumumgebung verringert, wie in Abb. 8 gezeigt. Die maximale Vorschubkraft erreicht 150 nN, und die mittlere Vorschubkraft schwankt bei 120 nN. Die Variationstendenz der Rückkraft ist ähnlich wie die der Rückkraft in Vakuumumgebung, und die mittlere Kraft liegt bei etwa 25 nN. Im Nanobeschneideprozess mit Wassermedium wird der Reibungskoeffizient zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück durch die Schmierung des Wassers reduziert. Und dann wird der Reibungswiderstand, den die Flankenfläche des Schneidwerkzeugs erleidet, reduziert, was die Extrusions-Scherwirkung der Spanfläche des Schneidwerkzeugs effektiv verstärkt. Der Abtrag des Werkstückmaterials wird leichter entfernt. Daher wird die Schneidkraft reduziert. Aus der vorstehenden Analyse geht hervor, dass die Wassermoleküle als Schmiermittel wirkten, um die Reibung zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück zu verhindern. Daher sind die Werte von Vorschubkraft und Rückkraft in den Wassermedien reduziert. Der spezifische Wert zwischen Vorschubkraft und Rückkraft beträgt 0,208. Mit anderen Worten, der Reibungskoeffizient zwischen Diamant und Kupfer in Wassermedien beträgt 0,208, viel geringer als in Vakuumumgebung (0,278).

Verglichen mit der Fluktuation von Fy in Abb. 7 und 8 zeigt sich, dass die Fy-Komponente nach 15 nm Schneidweg in beiden Fällen mit Vakuum und Wassermedien erheblich abnimmt, während der Fx-Wert bis 20 nm Schneidweg fast stabil bleibt. Das dynamische Gleichgewicht zwischen Versetzungsnukleation und -vernichtung wird erreicht, und der Span wird beim Nanobeschneiden stabil abgetragen, was dazu führt, dass die Schneidkraft vor 20 nm Schneidweg fast stabil bleibt. Wenn der Schneideprozess bei einer bestimmten Distanz (15 nm in dieser Forschung) durchgeführt wird, wird das dynamische Gleichgewicht zwischen der neuen Versetzungsnukleation und der vorherigen Versetzungsvernichtung hergestellt. Und der Maßstab der inneren Fehler des Werkstücks stabilisiert sich auf einem bestimmten Niveau. Die Versetzungsnukleation und -vernichtung übten einen Effekt auf das Schneidwerkzeug in +Y-Richtung aus, was zum Abfall der Fy-Komponente führt. Außerdem wird der stabile Schneidespan nach 15 nm Schneidweg abgetragen, und die auf das Schneidwerkzeug vom Span ausgeübte Kraft nimmt in Y-Richtung ab. Daher wird der Wert von Fy reduziert. Wenn der Schneidweg jedoch größer als 15 nm bis 20 nm ist, können die Emotion des Versetzungsfehlers und die Spanabtragung keinen unterschiedlichen Einfluss auf das Schneidwerkzeug in X-Richtung ausüben. Daher ist der Wert der Hauptschneidkraft (Fx) fast stabil.

Die Temperaturverteilung des Werkstücks während des Nanobeschneideprozesses mit und ohne wässrige Medien ist in Abb. 9 dargestellt. Die Schneidwege von Abb. 9a und b sowie Abb. 9c und d betragen 5 nm und 12 nm. Aus Abb. 9b und d geht hervor, dass die Temperatur des Werkstücks als konzentrischer Gradient verteilt ist. Die höchste Temperatur erstreckt sich über die gesamte Scher-Gleitzone und Reibzone des Werkstücks in Vakuumumgebung, was über 420 K beträgt. Die Temperatur des Spans und der bearbeiteten Oberfläche ist höher als in anderen Bereichen, was zwischen 360 und 390 K liegt. Für das gesamte Werkstück liegt die Temperatur auf einem hohen Niveau, das zwischen 340 und 360 K reicht. Aus Abb. 9a und c ist die Temperatur des Werkstücks ebenfalls als konzentrischer Gradient verteilt und die höchste Temperatur verteilt sich im oberen Bereich des Spans, was etwa 370 K beträgt. Der Temperaturwert des gesamten Werkstücks liegt auf einem niedrigeren Niveau, das unter 320 K liegt. Die Temperatur des Scher-Gleibereichs, der Reibzone und der bearbeiteten Oberfläche sind höher als in anderen Bereichen, was zwischen 320 und 340 K reicht.

Temperaturverteilung des Werkstücks beim Nanobeschneiden. a und c in Wassermedien, b und d in Vakuumumgebung

Der höchste Temperaturbereich des Werkstücks wird während des Nanobeschneideprozesses mit Wassermedien vom Reibbereich zum Schneidespan verlagert, wie in Abb. 9 gezeigt. Und die höchste und gesamte Temperatur des Werkstücks werden mit der zusätzlichen Verwendung von Wassermedien signifikant reduziert, und der Temperaturabfall erreichte etwa 40–60 K. Aufgrund des Schmiereffekts der Wassermoleküle wird die Reibung zwischen Schneidwerkzeug und bearbeiteter Oberfläche beim Nanobeschneiden mit Wassermedien reduziert. Daher sank die Temperatur des Reibbereichs dramatisch. Gleichzeitig trat die maximale Scherverformung im Spanbereich auf und die maximale Gitterverformungsenergie wird im Span gespeichert, was die Temperatur des Spans höher als die des Reibbereichs macht. Daher wird der höchste Temperaturbereich vom Reibbereich zum Schneidespan verlagert. Gleichzeitig wird eine große Menge Schneidewärme von den Wassermedien abgeführt, die eine Rolle bei der Kühlung von Werkzeug, Werkstück und Schneidebereich spielen. Und die thermische Bewegung der einkristallinen Kupfermoleküle wird abgeschwächt. Darüber hinaus werden die kinetische Energie der atomaren thermischen Bewegung und die Gitterverformungsenergie signifikant verringert. Daher werden die Gesamttemperatur und die höchste Temperatur des Werkstücks reduziert, deren Reduktionsgrad 40–60 K erreichte. Schließlich werden der thermische Stress und die thermische Verformung des Werkstücks signifikant reduziert. Aufgrund der Teilnahme der Wassermedien wird die Reibwirkung zwischen der Flankenfläche des Schneidwerkzeugs und dem Werkstück im Schneideprozess abgeschwächt. Dann wird die Wärmeerzeugung durch Reibung zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück reduziert. Dadurch wird der höchste Temperaturbereich des Werkstücks vom Reibbereich der Flankenfläche zum Spanbereich verlagert. Noch wichtiger ist, dass der Kühleffekt und die Schmierung der Wassermedien die Nukleation, Ausdehnung und Vernichtung der Versetzungen im Unterflächenbereich des Werkstücks beeinflussen und letztendlich die Bildung und Entwicklung der Unterflächenschadensschichten des Werkstücks beeinflussen.

Einfluss der wässrigen Medien auf die strukturelle Transformation von Unterflächenfehlern

Um die Unterflächenfehler des Werkstücks beim Nanobeschneiden klar zu identifizieren, wird die CNA-Methode verwendet, um das Werkstück nach dem Nanobeschneiden zu analysieren. Das Werkstück wird nach verschiedenen atomaren Strukturen gefärbt. Die Fehlerstrukturverteilung des Werkstücks während des Nanobeschneideprozesses mit und ohne wässrige Medien ist in Abb. 10 und 11 dargestellt, wobei grün, rot, blau und grau für FCC, HCP, BCC und unbekannte Struktur stehen.

Unterflächenfehlerentwicklung des Werkstücks beim Nanobeschneiden ohne wässrige Medien. Die grünen, roten, blauen und grauen Bereiche repräsentieren FCC, HCP, BCC und unbekannte Struktur. Die Schneidwege von a, b, c und d betragen 1 nm, 3 nm, 8 nm und 15 nm.

Oberflächen- und Unterflächenfehlerverteilung beim Nanobeschneiden für Werkstück mit Wassermedien. Die grünen, roten, blauen und grauen Bereiche repräsentieren FCC, HCP, BCC und unbekannte Struktur. Die Schneidwege von a, b, c, d, e und f betragen 3 nm, 8 nm, 12 nm, 15 nm, 18 nm und 20 nm.

Beim Nanobeschneiden unter Vakuumumgebung trat Versetzungsnukleation im Unterflächenbereich des Werkstücks unter der Extrusions- und Scherwirkung des Schneidwerkzeugs auf, und die Kristallstruktur transformiert sich in BCC, wie in Abb. 10a gezeigt. Die nucleierte Versetzung dehnt sich entlang der \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) Richtung aus, und die Kristallstruktur transformiert sich in HCP. Die Kristallstruktur vieler Atome im Scher-Gleibereich wird zu BCC, wie in Abb. 10b gezeigt. Zwei Teilversetzungen dehnen sich entlang der \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) und \( \left[1\overline{1}0\right] \) Richtungen aus, behindern sich gegenseitig und bilden einen Lomer-Cottrell-Versetzungsverschluss. Schließlich wird eine typische V-förmige Versetzungs-Schleife gebildet, wie in Abb. 10c gezeigt. Ein Teil der Atome im Scher-Gleibereich bewegt sich entlang der Spanfläche nach oben und wird als Schneidespan abgetragen. Der andere Teil der Atome migriert entlang der Flankenfläche nach unten und wird durch die Extrusion und Reibung des Schneidwerkzeugs in eine raue bearbeitete Oberfläche gebildet, wie in Abb. 10d gezeigt.

Die Unterflächenfehlerverteilung und -entwicklung des Werkstücks beim Nanobeschneiden mit Wassermedien ist in Abb. 11 dargestellt. Aus der Abbildung geht hervor, dass die Mechanismen der Versetzungsnukleation und Kristallstrukturtransformation denen des Schneideprozesses in Vakuumumgebung ähneln. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Versetzungsnukleation und -ausdehnung im Nanobeschneideprozess mit Wassermedien unzureichend ist. Außerdem sind viele Stapelungsfehler im Unterflächenbereich des Werkstücks nucleiert. Die Struktur der Stapelungsfehler transformiert sich in HCP-Struktur. Dennoch wird ein typischer Defekt „ähnlich einer Korngrenze (SGB)“ im Unterflächenbereich des Werkstücks gebildet.

Im Nanobeschneideprozess wird unter der Wirkung von Extrusion, Scherung und Reibung durch das Schneidwerkzeug eine intensive Verformung des Werkstücks erzeugt. Viel Verformungsenergie und Schneidewärme werden produziert. Die atomare Gitterumkonfiguration des Unterflächenbereichs wird durch die Freisetzung von Schneidewärme und Dehnungsenergie erzeugt. Und die Unterflächenfehler und lokale Kristallstrukturtransformation werden gebildet, wie in Abb. 11a und 11b gezeigt. Wenn die Wassermedien am Nanobeschneideprozess teilnehmen, wird der größte Teil der Wärme und Energie abgeführt. Daher haben die Versetzungsfehler unzureichende Energie für Ausdehnung und Bewegung. Darüber hinaus werden die Stapelungsfehler im Unterflächenbereich des Werkstücks vernichtet, wo die Kristallfehlerstruktur zurückbleibt, wie in Abb. 11c gezeigt, woraufhin diese Kristallfehlerstrukturen als Ganzes verbunden werden und zusammen mit den neu gebildeten Versetzungen die Unterflächenschadensschicht (SSD) bilden, wie in Abb. 11d gezeigt. Nach der folgenden MD-Relaxation verschwinden einige Unterflächenversetzungsfehler und transformieren sich in FCC-Struktur, und die Struktur ähnlich einem „Korn“ wird zwischen bearbeiteter Oberfläche und Unterflächenfehlerschicht gebildet, wie in Abb. 11e gezeigt, während die ursprünglichen Unterflächenfehler in eine typische Struktur „ähnlich einer Korngrenze (SGB)“ transformiert werden, wie in Abb. 11f gezeigt. Auf der SGB-Struktur wird eine typische V-förmige Versetzungs-Schleife gebildet, wie in Abb. 11e, f gezeigt.

Die metamorphe Schicht wird offensichtlich durch den Einfluss der Bildung von SGB und „Korn“-Struktur im Unterflächenbereich des Werkstücks gebildet. Darüber hinaus können die neu gebildeten Kristallstrukturen, die dem polykristallinen Material ähneln, die mechanische Leistung und Bearbeitbarkeit von einkristallinen Materialien beeinflussen. Außerdem wird es sogar die Leistung der bearbeiteten Nanokomponenten beeinflussen.

Schlussfolgerungen

Basierend auf den etablierten MD-Modellen von einkristallinem Kupfer mit und ohne wässrige Medien wird die Simulation des Nanobeschneideprozesses durchgeführt. Die Auswirkungen von Flüssigkeitsmedien auf Materialabtrag und Unterflächenfehlerentwicklung werden analysiert. Die Unterflächenfehlerentwicklung, die Variation der Schneidkraft, die Temperaturverteilung und die kristallographische Transformation der Unterflächenfehler des Werkstücks werden mittels CSP, DXA und CNA Methoden untersucht. Die neuen Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden.

(1) Der Materialabtrag des Werkstücks wird durch die Scher-Extrusionswirkung des Schneidwerkzeugs auf das Werkstück realisiert; die Teilnahme der Wassermedien hat keinen Einfluss auf den Mechanismus des Materialabtrags. Aufgrund der Schmierwirkung der zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück existierenden Wassermoleküle wird die Verformung des Werkstücks verringert, die Schneidkraft reduziert und die Spanhöhe und Tiefe der Unterflächenschadensschicht gesenkt.

(2) Der höchste Temperaturbereich wird während des Nanobeschneideprozesses mit zusätzlicher Verwendung von Wassermedien vom Reibbereich zum Schneidespan verlagert. Und die höchste und gesamte Temperatur des Werkstücks werden signifikant reduziert, und der Temperaturabfall erreichte etwa 40–60 K. Dadurch wird die thermische Verformung des Werkstücks reduziert und die Anzahl der Unterflächenfehleratome verringert.

(3) In der Unterflächenschicht des Werkstücks werden die Kristallstrukturen der nucleierten Versetzungen in BCC transformiert, und die ausgedehnten Versetzungen in HCP. Die atomaren Kristallstrukturen im Scher-Gleibereich werden zu BCC. Unter dem Einfluss der Flüssigkeitsmedien werden die Unterflächenfehler in eine typische Defektstruktur „ähnlich einer Korngrenze (SGB)“ in der SSD-Schicht transformiert, was die mechanische Leistung und Bearbeitbarkeit von einkristallinen Materialien beeinflussen kann. Außerdem wird es sogar die Leistung der bearbeiteten Nanokomponenten beeinflussen.

Abkürzungen

MD:

Molekulardynamik

CSP:

Centro-Symmetrie-Parameter

CNA:

Common-Neighbor-Analysis

DXA:

Dislocation-Extract-Algorithm

PBC:

Periodische Randbedingung

EAM:

Embedded-Atom-Methode

L-J:

Lennard-Jones

FCC:

Flächenzentriert-kubisch

HCP:

Hexagonal-dichteste-packung

BCC:

Raumzentriert-kubisch

ICO:

Ikosaedrisch

SGB:

Ähnlich einer Korngrenze

SSD:

Unterflächenschaden