Effect van vloeibare media op materiaalverwijdering en ondergronddefecten Evolutie van monokristallijn koper in nano-snijproces

Resultaten en discussie

Evolutie van ondergronddefecten in het nanosnijproces met waterige media

De doorsnede van het snijsysteem wordt getoond in Fig. 2, die het snijgereedschap, het werkstuk en de watermedia bevat tijdens het nano-snijproces. Om de plastische vervorming van het werkstuk duidelijk waar te nemen, wordt de CSP-methode gebruikt om de resultaten te analyseren. De snapshots worden gekleurd door de waarde van CSP, gedeeltelijk zoals getoond in Fig. 2, waarin Fig. 2a zich op 5 nm snijafstand bevindt en Fig. 2b zich op 15 nm snijafstand bevindt. Het is te zien dat een laag compacte waterfilm wordt gevormd op het oppervlak van monokristallijn koper dat wordt weergegeven als "monomoleculaire film van water" in figuur 2a. De waterfilm verspreidde zich over de oppervlakken van het snijgereedschap en het werkstuk, waarin de zuurstofatomen het midden van het monokristallijne koperen rooster innemen. De regelmatige rangschikking van watermoleculen is het resultaat van de gecombineerde werking van Coulomb-kracht over lange afstand en van der Waals-kracht tussen watermoleculen en koperatomen.

Doorsnede van snijsysteem met waterige media in nano-snijproces (kleur online). een Snijafstand l =5nm. b Snijafstand l =15nm

In het nano-snijproces wordt de slipvervorming het gevolg van de vroege compressie-afschuifwerking van het snijgereedschap en wordt deze opgeslagen in het gevormde kristalrooster als spanningsenergie. Wanneer de ophoping van rekenergie een bepaald niveau bereikt, komt de rekenergie vrij. En dan wordt het rooster van monokristallijn koper herschikt, wat dislocatiekiemvorming en uitbreiding veroorzaakte langs de \( \links[1\overline{1}0\right] \) richting, zoals weergegeven in figuur 2a. Uit figuur 2a kan worden getoond dat de monomoleculaire film van water wordt gevormd op het werkstukoppervlak. Bovendien worden de watermoleculen in de ondergrond van het werkstuk gepenetreerd in het actiegebied van de tool-chip-interface, die wordt weergegeven als de afbeelding rechtsboven in figuur 2a. Door de smerende werking van watermoleculen die bestonden tussen het snijgereedschap en het werkstuk, wordt de compressieve afschuifwerking van het snijgereedschap verminderd. En de spanningsenergie-accumulatie neemt af en de dislocaties breiden zich onvoldoende uit. Bovendien namen de waterige media veel snijwarmte weg en is de energie van de genucleëerde dislocatie-expansie onvoldoende. Daarom is de dislocatieverlenging ontoereikend en is de dislocatielijn in de ondergrond van het werkstuk onopvallend, zoals weergegeven in figuur 2a.

Terwijl het snijgereedschap naar voren beweegt, heeft het werkstuk te lijden gehad van de extrusie- en wrijvingswerking die wordt gegenereerd door het flankvlak van het snijgereedschap. Onder de extrusie- en wrijfwerking van het snijgereedschap vormden en breidden een groot aantal dislocaties zich uit in de ondergrond van het werkstuk. Een deel van deze dislocaties beweegt omhoog langs het harkvlak en wordt uiteindelijk als snijchip verwijderd, zoals weergegeven in figuur 2b. Een ander deel van deze dislocaties beweegt naar beneden langs het harkvlak van het snijgereedschap en wordt omgezet in ruwheid van het machinaal bewerkte oppervlak na de extrusiewrijvingswerking van het flankvlak van het snijgereedschap, dat in Fig. 2b wordt getoond als "wateropstelling op machinaal bewerkt oppervlak. ” Andere delen van de dislocaties bewegen naar binnen langs het glijvlak \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) en \( \left[1\overline{1}0\right] \) en verdwijnen in het werkstuk, wat resulteert in de vorming van dislocatie van de schroef, zoals weergegeven in Fig. 2b. Doordat de spaanhoogte geleidelijk toeneemt, kunnen de watermoleculen voor de spaan in de latere periode van het snijproces niet over de spaan naar achter het snijgereedschap stromen. En de dichtheid en druk van watermedia achter het snijgereedschap nemen snel af, waardoor de snijwarmte vroegtijdig wordt weggenomen tijdens het nano-snijproces. Daarom hebben de genucleëerde dislocaties voldoende energie om zich in het werkstuk uit te strekken, zoals weergegeven in figuur 2b.

Om de onderliggende vervorming van dislocaties en de lokale atomaire kristalstructuur van monokristallijn koper tijdens het nanosnijproces op te helderen, worden de CSP- en DXA-analysemethoden geïntroduceerd. De analyseresultaten worden getoond zoals getoond in Fig. 3, 4, 5 en 6, waaronder Fig. 3 en 4 worden weergegeven volgens de CSP-waarde en Fig. 5 en 6 zijn gekleurd door het DXA-analyseresultaat.

Ondergrondse defecten distributie van werkstuk met waterige media in nano-snijproces. De snijafstanden van a , b , c , en d zijn respectievelijk 5 nm, 8 nm, 12 nm en 15 nm.

Ondergrondse defecten distributie van werkstuk tijdens nano-snijproces in vacuümomgeving. De snijafstanden van a , b , c , en d zijn respectievelijk 5 nm, 8 nm, 12 nm en 15 nm.

Het DXA-beeld van een werkstuk in het vroege stadium van nanosnijden. Dislocaties zijn gekleurd op basis van het volgende schema:diepblauw voor perfecte dislocatie, groen voor Shockley-dislocaties, roze voor Stair-rod dislocaties, geel voor Hirth-dislocaties, lichtblauw voor Frank-dislocaties en rood voor niet-geïdentificeerde dislocaties. De snijafstanden van a , b , c , en d zijn respectievelijk 7 nm, 8 nm, 9 nm en 10 nm

Het DXA-beeld van een werkstuk in de latere periode van nanosnijden. Het kleurschema van dislocaties is hetzelfde als in Fig. 5.De snijafstanden van a , b , c , en d zijn respectievelijk 17 nm, 18 nm, 19 nm en 20 nm

De ondergrondse defectverdeling van het werkstuk in het nanosnijproces met waterige media wordt getoond in Fig. 3, waarin de watermedia niet worden weergegeven om de evolutie van het dislocatiedefect duidelijker waar te nemen. De gele, groene, rode en oranje gebieden vertegenwoordigen respectievelijk oppervlakte-atomen, oppervlakte-defect-atomen, dislocatie-atomen en ondergrondse defect-atomen. De dislocatieverdeling en extensie van het werkstuk in het nanosnijproces zonder de waterige media wordt getoond als Fig. 4. Uit de twee figuren is te zien dat de genucleëerde dislocaties migreren langs de \( \links[\overline{1}10 \right] \) slipvector tijdens nanosnijproces met waterige media, maar strekken zich uit langs de \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) slipvector bij nanosnijden onder vacuümmedia . Zoals we weten, zorgt de afschuifwerking van het snijgereedschap ervoor dat dislocaties zich uitstrekken in de richting tegen het gereedschap naar voren, wat \( \links[\overline{1}10\right] \) slipvector is. De wrijvingswerking van het snijgereedschap leidt tot de dislocatie die migreert in de richting van de orthokinetische gereedschapsbeweging, wat een \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) slipvector is. Tijdens het nano-snijproces in een vacuümomgeving, zijn de acties van het snijgereedschap op het werkstuk de afschuifwerking van het harkvlak en de wrijvingswerking van het flankvlak, terwijl de vorming van machinaal bewerkte oppervlakte- en ondergronddefecten wordt veroorzaakt door de wrijvingswerking van het flankvlak. Daarom verspreidde de dislocatie-extensie zich langs \( \left[\overline{1}\overline{1}0\right] \) slipvector tijdens het nanosnijproces in vacuüm. Door de smering van watermoleculen tussen het gereedschap en het werkstuk, wordt de wrijvingswerking van het snijgereedschap verminderd. De afschuifwerking speelt dus een belangrijke rol bij de vorming van machinaal bewerkte oppervlakte- en ondergronddefecten. Daarom strekken de dislocaties zich voornamelijk uit langs de slipvector \( \left[\overline{1}10\right] \) bij nanosnijden met waterige media.

Van Fig. 3 en 4, kan worden gevonden dat de schaal van ondergrondse defecten in watermedia groter is dan in vacuüm tijdens het nanosnijproces. In feite verspreiden de dislocatiedefecten zich over het hele bewerkte gebied en strekken ze zich uit tot diep in het werkstuk. De snijwarmte wordt weggenomen door watermedia en de energie van defect atomair wordt verminderd. Daarom hebben de ondergrondse defecten niet genoeg energie om te worden vernietigd. Daarom wordt het dislocatiedefectresidu verhoogd. De diepte van de ondergrondse defectlaag is relatief hoger voor het nano-snijproces met watermedia. Vanwege de interacties tussen watermoleculen, koolstofatomen en koperatomen, wordt de extrusiewrijving tussen snijgereedschap en werkstuk verzwakt en wordt de atomaire wanorde van het bewerkte oppervlak verergerd tijdens het vormingsproces van het bewerkte oppervlak. Bovendien wordt het defectresidu in de ondergrond verergerd en wordt de ondergrondse restspanning verhoogd.

Om het effect van watermedia op het evolutieproces van dislocatiedefecten beter te onthullen, wordt de DXA-methode gebruikt om het werkstuk te analyseren in een nanosnijproces met waterige media, waarin het vroege stadium en de late periode worden weergegeven als Fig. 5 en 6 respectievelijk. Een stabiel kristaldefect wordt gevonden in verschillende lagen atomen onder het bewerkte oppervlak in het vroege stadium van het nano-snijproces, dat zich tussen twee stapelfouten bevindt, zoals weergegeven in figuur 5d. Het bestaan ​​van de kristaldefecten zal de kwaliteit van het bewerkte oppervlak beïnvloeden en zelfs leiden tot het ontstaan ​​van microscheurtjes op het bewerkte oppervlak. Daarom wordt de vorming van het defectevolutieproces bestudeerd. Uit Fig. 5a kan worden gezien dat veel Shockley gedeeltelijke dislocaties worden genucleëerd onder de wrijvingswerking van het flankvlak van het snijgereedschap in het vroege moment van de vorming van het defect. Deze Shockley-dislocaties worden tijdens het vooruitgaan van het snijgereedschap geëvolueerd tot een V-vormige dislocatielus, zoals weergegeven in figuur 5b. Vervolgens wordt de V-vormige dislocatie geleidelijk geëvolueerd tot seriële Shockley partiële dislocaties. Ten slotte worden de partiële dislocaties omgezet in een restdefect in de ondergrond. Doordat de snijwarmte wordt weggenomen door watermedia, hebben de defecte atomen te weinig energie om te worden vernietigd en worden ze omgezet in een onbeweeglijk defect onder het bewerkte oppervlak. De ruwheid van het bewerkte oppervlak zal toenemen en de restspanning in de ondergrond zal meer verergering veroorzaken. Bovendien kan door het defect een microscheur aan het oppervlak worden veroorzaakt.

Het effect van watermedia op de schuifslipwerking van het snijgereedschap tijdens het spaanverwijderingsproces wordt onderzocht met de DXA-methode, die wordt weergegeven als Fig. 6. Uit Fig. 6a blijkt dat een groot aantal gedeeltelijke Shockley-dislocaties zijn genucleëerd in voorkant van snijgereedschap. En het schuif-slipvlak wordt gevormd door deze dislocaties. In het volgende snijproces worden seriële stapelfouten en gedeeltelijke dislocaties genucleëerd en worden ze uitgebreid op het afschuif-slipvlak. Onder de kiemvorming en beweging van de dislocaties voor het snijgereedschap, wordt de snijchip geleidelijk verwijderd langs het schuif-slipvlak, zoals weergegeven in figuur 6c. Ondertussen wordt het extrusiewrijvingseffect van het harkvlak van het gereedschap verminderd vanwege de smerende werking van watermedia. De dislocatiekiemvorming en -voortplanting is onvoldoende en het residu van het ondergrondse defect is niet voor de hand liggend tijdens het nanosnijproces, zoals weergegeven in Fig. 6a-d. Dienovereenkomstig wordt de afschuifwerking van het snijgereedschap op het werkstuk belangrijker. Daarom kan de gevormde chip gemakkelijker worden verwijderd onder de deelname van watermedia aan het nanosnijproces. En de belangrijkste snijkracht zal tegelijkertijd afnemen, wat later in dit artikel gedetailleerd zal worden besproken.

Effect van watermedia op de variatie van snijkracht en snijwarmte

In het snijproces wordt de materiaalverwijdering gerealiseerd door de extrusie- en afschuifwerking van het snijgereedschap. Vanwege de sterkte, stijfheid en taaiheid van metalen materiaal, onderging het harkoppervlak van het snijgereedschap de reactiekracht die werd gegenereerd door de weerstand tegen vervorming van het werkstukmateriaal tijdens het materiaalverwijderingsproces. En het flankoppervlak van het gereedschap wordt beïnvloed door de wrijvingskrachtweerstand van het bewerkte oppervlak. Deze krachten vormden samen de snijkracht. Synchroon wordt het toegepaste werk door de afschuifvervorming van snijspanen en de wrijfactie tussen snijgereedschap en werkstuk omgezet in snijwarmte, wat resulteerde in de verhoogde temperatuur van het werkstuk. Samen met de accumulatie en afgifte van materiaalspanningsenergie, vond dislocatiekiemvorming en uitzetting plaats in de ondergrondse laag van het werkstuk, wat de fluctuatie van snijkracht en snijwarmte met de snijafstand veroorzaakte.

In dit onderzoek heeft de deelname van watermedia grote invloed op de variatie van snijkracht en snijwarmte. De variatiekrommen van snijkracht met snijafstand in nano-snijproces met en zonder het gebruik van waterige media worden getoond als Fig. 7 en 8, waarin de zwarte, rode en blauwe curve respectievelijk voedingskracht (Fx), tegenkracht (Fy) en tangentiële kracht (Fz) zijn. Omdat de PBC in de Z-richting wordt aangenomen en het diamantgereedschap zuilvormig is langs de Z-richting in de simulatie, ligt de gemiddelde tangentiële kracht (Fz) op het niveau van 0 nN in beide Fig. 7 en 8.

Variatiecurve van snijkracht bij nanosnijden met vacuümomgeving

Variatiecurve van snijkracht bij nanosnijden met watermedia

Het snijproces is verdeeld in de initiële snijfase en de stabiele snijfase, zoals weergegeven in Fig. 7. In de initiële snijfase worden de voedingskracht en de tegenkracht sterk verhoogd in een rechte lijn. En ze bereikten hun maximale waarden toen het snijgereedschap volledig in het werkstuk sneed. In de stabiele snijfase fluctueren de snijkrachten op en neer in hun evenwichtspositie, en de voedingskracht bereikt meer dan 200 nN en de gemiddelde snijkracht is ongeveer 180 nN. De rugkracht is erg klein en neemt geleidelijk af in de laat stabiele snijfase. De maximale waarde van de bakkracht is minder dan 100 nN en de gemiddelde waarde is ongeveer 50 nN. 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. een en c are in water media, b en 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.