基于分子動(dòng)力學(xué)的晶體銅納米機(jī)械加工表層形成機(jī)理研究.pdf

1、作為納米技術(shù)分支之一的納米加工技術(shù)是在納米尺度范圍內(nèi)制造物理、化學(xué)和生物等功能結(jié)構(gòu)與器件的基礎(chǔ)，已經(jīng)成為衡量納米技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。納米機(jī)械加工技術(shù)如金剛石刀具車削、金剛石磨粒加工以及金剛石微探針納米刻劃等可以使加工精度達(dá)到納米量級(jí)、加工形成的結(jié)構(gòu)與器件的尺寸達(dá)到納米量級(jí)，為制造三維納米結(jié)構(gòu)與器件提供了創(chuàng)新的途徑，是一種重要的由上而下的納米加工技術(shù)。
　　然而，納米機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展目前受到加工理論、加工工藝及加工質(zhì)量的測量與

2、評(píng)定等諸多因素的制約。其中，缺乏對納米機(jī)械加工機(jī)理特別是表層形成機(jī)理的理解是制約納米機(jī)械加工質(zhì)量提高的重要因素之一。除了實(shí)驗(yàn)研究外，國內(nèi)外學(xué)者普遍采用分子動(dòng)力學(xué)模擬來研究納米機(jī)械加工機(jī)理，并得到了許多有價(jià)值的研究結(jié)果。然而，在前人的研究中大部分工件材料為單晶形式，而對多晶材料納米機(jī)械加工的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究較少。納米機(jī)械加工是一個(gè)刀具與材料高度耦合的過程，多晶材料不同于單晶材料的變形機(jī)理直接影響納米機(jī)械加工的結(jié)果。此外，前人對納米機(jī)械加

3、工中引入的亞表面損傷層的實(shí)驗(yàn)和仿真研究主要是檢測亞表面損傷層的深度及分布，而對多晶材料的亞表面損傷層的形成機(jī)理研究較少。在納米機(jī)械加工中工件材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)的變化是形成亞表面損傷層的一個(gè)重要原因。因此，針對上述存在的問題，本文基于摩擦磨損、晶體塑性和納米力學(xué)等理論，使用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了單晶銅、雙晶銅和納米晶體銅納米機(jī)械加工表層形成機(jī)理，具體研究內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面：
　　建立了包含多種結(jié)構(gòu)材料(單晶銅、雙晶銅、納米晶體

4、銅)的納米機(jī)械加工的分子動(dòng)力學(xué)模型。從分子動(dòng)力學(xué)基本原理角度出發(fā)選擇了經(jīng)典牛頓運(yùn)動(dòng)方程的積分方法、精確描述體系的勢能函數(shù)和模擬真實(shí)環(huán)境的系綜等參數(shù)，得到了分子動(dòng)力學(xué)模擬的精確原子模型；結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)、重位點(diǎn)陣和維諾圖等建立了單晶銅、雙晶銅和納米晶體銅的原子結(jié)構(gòu)模型；結(jié)合晶體塑性理論和先進(jìn)的晶體缺陷分析技術(shù)辨別了工件內(nèi)部形成的缺陷的種類和位置。
　　基于摩擦磨損、晶體塑性和納米力學(xué)等理論，使用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了單晶銅、雙晶銅、納米晶

5、體銅納米機(jī)械加工機(jī)理，包括工件材料變形、加工力變化、表層形成等。在納米機(jī)械加工單晶銅中研究了工件材料變形機(jī)理、加工表面形成機(jī)理，以及勢能函數(shù)、加工速度、晶向、刀具幾何形狀等參數(shù)對納米機(jī)械加工的影響；在納米機(jī)械加工雙晶銅中研究了位錯(cuò)-晶界交互作用特別是位錯(cuò)-孿晶界交互作用對工件材料變形以及加工結(jié)果的影響；在納米機(jī)械加工納米晶體銅中，分別采用全三維納米晶體銅和準(zhǔn)三維柱狀納米晶體銅原子結(jié)構(gòu)模型來揭示納米晶體銅納米機(jī)械加工機(jī)理。
　　基于

6、晶體銅納米機(jī)械加工亞表面損傷層的形成機(jī)理的研究，提出了一種基于納米壓痕的亞表面損傷層深度的定量預(yù)測方法。使用前人建立的不同變形區(qū)域的原子勢能變化模型實(shí)現(xiàn)了亞表面變形層深度的定量預(yù)測；建立了基于納米壓痕的亞表面損傷層的硬度檢測模型，用來辨別亞表面損傷層中工件材料與未加工的工件材料的壓痕硬度的差異，實(shí)現(xiàn)了亞表面損傷層深度的定量預(yù)測。
　　在發(fā)現(xiàn)納米機(jī)械加工亞表面損傷層產(chǎn)生孿晶現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出了一種利用孿晶變形來控制和改善亞表面損傷層

7、的新設(shè)想。使用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了晶粒尺寸對納米晶體銅納米機(jī)械加工中孿晶變形的影響；使用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了納米孿晶銅納米機(jī)械加工機(jī)理，以及孿晶界間距對納米機(jī)械加工的影響。
　　為了使納米機(jī)械加工的分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果可信、有用，分別從分子動(dòng)力學(xué)模擬基本原理、材料機(jī)械性能的納米壓痕檢測、納米機(jī)械加工結(jié)果這三個(gè)方面逐級(jí)開展分子動(dòng)力學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)的對比。檢測了當(dāng)前使用的經(jīng)驗(yàn)勢能函數(shù)描述的體系的體積模量、剪切模量和楊氏模量，并與實(shí)驗(yàn)測得的