王全龍 張超鋒 武美萍,2 陳家軒

1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，無錫，2141222.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，無錫，2141223.哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所，哈爾濱，150001

0 引言

單點(diǎn)金剛石超精密切削技術(shù)是獲得納米級精度的重要技術(shù)手段，已廣泛應(yīng)用于晶體材料納米級切削加工領(lǐng)域。當(dāng)材料去除的尺寸達(dá)到納米級別時(shí)，許多宏觀加工機(jī)理以及工藝參數(shù)的影響與微米尺度加工理論均有顯著差異，因此，研究納米加工中材料去除及亞表層損傷情況，揭示納米切削加工機(jī)理，對優(yōu)化納米切削工藝以及提高納構(gòu)件的加工精度和表面質(zhì)量具有重要意義。

研究納米加工機(jī)理可采用多種實(shí)驗(yàn)方法，如原子力顯微鏡探針刻劃[1]、掃描/透射電鏡法[2]、電子衍射法[3]、聚焦粒子束法[4]及X射線衍射[5]等，開展實(shí)驗(yàn)研究受實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)成本及測試觀察尺度限制，通常只能得到被測試件的外觀形貌及瞬時(shí)定性結(jié)果，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測亞表層缺陷的形成演化及加工過程的狀態(tài)參數(shù)(如切削力、切削熱、殘余應(yīng)力等)。而分子動力學(xué)(molecular dynamic，MD)方法已被證實(shí)為納米級加工仿真的有效手段，通過仿真分析可獲得加工過程中的各種狀態(tài)參數(shù)，并可方便地改變加工參數(shù)和刀具參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對納米加工的系統(tǒng)研究。

納米多晶金屬材料具備納米級晶粒和高強(qiáng)度晶界，可將高強(qiáng)度、高硬度和高韌性集于一身，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，關(guān)于納米多晶材料的研究多集中在缺陷演化行為[6-7]、材料變形機(jī)理[8]及晶粒尺寸對材料性能的影響[9]，研究發(fā)現(xiàn)，多晶材料變形過程中會產(chǎn)生孿晶變形[10]，且當(dāng)孿晶界間距減小到臨界值時(shí)，多晶材料的強(qiáng)度會降低，塑性韌性會提高[11]。針對納米孿晶材料變形的相關(guān)研究[12]發(fā)現(xiàn)，隨著孿晶界間距逐漸減小到某一臨界值時(shí)，Hall-Petch強(qiáng)化效應(yīng)將轉(zhuǎn)變成受控的位錯形核軟化機(jī)制，伴隨著部分位錯形核及擴(kuò)展，納米晶體材料將發(fā)生軟化。孿晶材料變形機(jī)制主要有孿晶內(nèi)部的位錯滑移、位錯穿越孿晶界、位錯誘導(dǎo)孿晶界遷移等[13]，可通過調(diào)整納米結(jié)構(gòu)和控制加載變形來提高納米孿晶材料的力學(xué)性能[14]。為研究多晶材料的力學(xué)性能，相關(guān)學(xué)者開展了多晶材料納米線拉伸[15-16]、納米壓痕[17-19]及納米切削[20]方面的研究：納米線拉伸過程中多晶材料變形前期以晶界滑移、晶粒變形為主，后期以五重孿晶變形為主[21]，可利用孿晶變形來控制和提高加工表面質(zhì)量[22]；納米壓痕中壓痕位置和晶粒度均對材料變形及其力學(xué)性能有顯著影響[23]；多晶材料納米切削的研究主要包括切削過程中材料表層的位錯形核過程及應(yīng)力分布[24-25]。

多晶材料的獨(dú)特性質(zhì)最終要體現(xiàn)在納米加工后獲得的納器件上，目前相關(guān)研究多集中在對多晶材料的變形機(jī)制、缺陷演化行為及其力學(xué)性能等方面，而關(guān)于與納構(gòu)件性能聯(lián)系緊密的納米切削過程方面的研究報(bào)道較少。納米切削中，材料的亞表層損傷層影響材料的加工性能、制約加工后納構(gòu)件的使用性能及壽命，而多晶材料中存在的晶界、晶粒等微觀結(jié)構(gòu)會影響位錯缺陷演化及亞表層損傷的形成及演變，進(jìn)而影響多晶銅的加工精度及性能，因此，對多晶材料納米切削過程開展系統(tǒng)研究具有重要意義。

本文首先采用Poisson-Voronoi法構(gòu)建了多晶模型，并基于切片實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Monte Carlo反演法優(yōu)化了所建立的模型，使其更符合多晶材料的實(shí)際物理特征，開展了多晶銅納米切削分子動力學(xué)模擬研究，分析了多晶銅切削中材料的去除及加工表面的形成機(jī)制；然后分析了切削力的波動現(xiàn)象，探討了晶界在材料去除中的重要作用，并研究了亞表層缺陷分布及其晶體結(jié)構(gòu)相變；最后深入研究了多晶銅亞表層中位錯與晶界的演化過程，揭示了多晶銅晶界與位錯間的轉(zhuǎn)變機(jī)制。

1 多晶銅模型及缺陷分析方法

1.1 多晶銅納米切削模型

納米多晶銅具有各向同性、晶界占比大、晶粒無位錯等特點(diǎn)，適合采用Poisson-Voronoi方法構(gòu)造幾何模型，但該方法所構(gòu)建的模型為理想模型，不符合材料的實(shí)際特征，需將模型作馳豫處理，并基于切片實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)和Monte Carlo反演法優(yōu)化模型，最終獲得貼合實(shí)際的多晶銅模型。本研究中構(gòu)建的刀具模型為金剛石材料，可用來模擬實(shí)際加工中的單點(diǎn)金剛石刀具。

本研究中構(gòu)建的多晶銅納米切削MD模型如圖1所示。其中工件為多晶銅材料，工件尺寸為40 nm×25 nm×22 nm，由50個(gè)尺寸約為20 nm的晶粒組成，分為牛頓層、恒溫層和邊界層, 工件晶格結(jié)構(gòu)為面心立方(face-centered cubic, FCC)結(jié)構(gòu)；金剛石刀具被設(shè)定為剛體。本研究中采用的相關(guān)模擬參數(shù)見表1。

圖1 多晶銅納米切削MD模型Fig.1 MD model of polycrystalline copper in nano-cutting

加工參數(shù)數(shù)值刀具前角(°)15刀具后角(°)10切削刃鈍圓半徑(nm)3切削方向沿X軸負(fù)方向切削深度(nm)3切削速度(m/s)50時(shí)間步長(fs)1

1.2 勢函數(shù)的選用

本研究中用到了三種勢函數(shù)，分別為Tersoff勢函數(shù)、Morse勢函數(shù)及嵌入原子(embedded atom method, EAM)勢函數(shù)。

(1)Tersoff勢函數(shù)。Tersoff勢函數(shù)是用來計(jì)算共價(jià)原子間相互作用的勢函數(shù)，本研究中刀具碳原子間的相互作用適合用Tersoff勢函數(shù)來計(jì)算，其表達(dá)式如下[26]：

(1)

Vij=fc(rij)(V′R(rij)+bijVA(rij))

式中，rij為原子i與原子j之間距離；fc(rij)為截?cái)嗪瘮?shù)；VA(rij)為吸引項(xiàng)對偶勢；V′R(rij)為排斥項(xiàng)對偶勢；bij為調(diào)制函數(shù)。

①見寶玉這個(gè)樣子，因說道“況且能多大年紀(jì)的人，略病一病兒就這么想那么想的，這不是自己倒給自己添病了嗎”(第十一回)

采用Tersoff勢函數(shù)來描述金剛石刀具中碳原子間的相互作用會增加模擬計(jì)算的工作量，但能更為精確地模擬多晶銅納米切削過程。而多晶銅工件硬度較低、切削距離僅在幾十納米級別，金剛石刀具尚不足以磨損或發(fā)生相變，因此，本文未進(jìn)行相關(guān)研究。

(2)Morse勢函數(shù)。碳原子和銅原子間的相互作用采用Morse勢函數(shù)來計(jì)算，其表達(dá)式如下[27]：

u(rij)=D[e-2α(rij-r0)-2e-α(rij-r0)]

(2)

式中，r0為平衡位置的原子間距，本文取r0=0.205 nm，α為阻尼系數(shù)，本文取α=0.514 nm-1；D為結(jié)合能，本文取D=0.087 eV。

(3)EAM勢函數(shù)。EAM勢函數(shù)已被廣泛用于描述金屬原子間的相互作用，其表達(dá)式如下[28]：

(3)

式中，N為原子總數(shù)；P(rij)為原子i和原子j間的對勢；Fi為原子i的嵌入能；ρi為其他原子在原子i處的電子云密度；ρj為原子j在原子i處的電子云密度。

1.3 缺陷分析方法

本文采用中心對稱參數(shù)(centro-symmetric parameter, CSP)法表征多晶銅材料缺陷。對于FCC結(jié)構(gòu)材料，其CSP值可通過下式計(jì)算[29]：

(4)

式中，Ri為長度相同的近鄰原子對;Ri+6為方向相反的近鄰原子對。

(5)

式中，l為球諧基函數(shù)參數(shù)，本研究中l(wèi)=6；Nb為最近鄰原子數(shù)目;Ylm(θi,φi)為勒讓德多項(xiàng)式;θi、φi為球坐標(biāo)系中的角度變量。

切削過程中材料原子會發(fā)生振動，本研究分析了原子振動時(shí)不同結(jié)構(gòu)Q6值的波動范圍。4種典型晶體結(jié)構(gòu)的Q6值變化曲線見圖2，其中原子的最大振幅為0.15倍的晶格常數(shù)(即0.15a,a為晶格常數(shù))。由圖2可知，原子發(fā)生振動時(shí)，球諧函數(shù)Q6值會上下波動。通過分析剔除不合理數(shù)據(jù)，得到了球諧函數(shù)Q6值的波動范圍見表2。

(a)正二十面體結(jié)構(gòu)(ICO)

(b)體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)

(c)面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)

(d)密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)圖2 不同晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)分子動力學(xué)弛豫后 球諧函數(shù)Q6值的變化曲線Fig.2 Variation of spherical harmonics values of Q6 for various crystal structure after molecular dynamics relaxation

表2 幾種典型結(jié)構(gòu)Q6標(biāo)準(zhǔn)值及其波動范圍

圖3a所示為本課題組前期研究中采用球諧函數(shù)法表征的單晶銅納米切削中材料的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，研究結(jié)果表明：FCC單晶銅中存在正二十面體結(jié)構(gòu)。該發(fā)現(xiàn)與HIRATA等[3]的電子衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，如圖3b所示，間接證明了本研究方法的正確性。

(a)單晶銅結(jié)構(gòu)相變

(b)正二十面體電子衍射實(shí)驗(yàn)圖像[3]圖3 仿真分析結(jié)果與電子衍射實(shí)驗(yàn)對比圖Fig.3 Comparison between simulation results and electron diffraction experiments

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 多晶銅納米切削中切屑形成及切削力變化

多晶銅納米切削過程中首先將系統(tǒng)弛豫一定時(shí)間，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)；然后施加一定的力作用于刀具使其沿切削方向勻速運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)刀具對工件的切削運(yùn)動仿真，在此期間，輸出整個(gè)系統(tǒng)的詳細(xì)信息，包括原子位置、速度、應(yīng)力及能量等；最后對仿真結(jié)果采用缺陷分析方法進(jìn)行分析，并開展對納米切削過程中多晶銅材料去除過程及切削力變化分析、位錯缺陷演化過程和亞表層損傷機(jī)理等的研究。

仿真得到的納米切削多晶銅切屑形貌及亞表層缺陷分布圖像見圖4，其中圖4a和圖4b為工件切屑形態(tài)俯視圖，圖中原子顏色按Y方向坐標(biāo)值(是表征切削高度的參數(shù))進(jìn)行著色；圖4c和圖4d為采用共近鄰分析(common neighbor analysis,CNA)方法得到的工件主視圖。

(a)切削距離為15 nm(俯視圖) (b)切削距離為30 nm(俯視圖)

(c)切削距離為15 nm(主視圖) (d)切削距離為30 nm(主視圖)圖4 切屑形貌及亞表層缺陷分布圖Fig.4 Chip appearance and subsurface defect distribution

切削開始時(shí)，刀具的擠壓剪切作用導(dǎo)致多晶銅工件材料發(fā)生位錯滑移而變形。隨著切削過程的進(jìn)行，材料變形逐漸積聚，使得多晶銅材料逐漸由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?。在刀具的持續(xù)剪切作用下，這部分材料逐漸變?yōu)榍行级蝗コ?。由圖4a和圖4b可知，在切削初期切屑沿與刀具前進(jìn)方向成45°的方向運(yùn)動，而在切削后期切屑的流動方向發(fā)生了改變。FCC材料的位錯沿{111}面系(與X方向成45°角)滑移，因此，切削初期切屑沿45°方向運(yùn)動，而在切削后期因晶界的阻礙而導(dǎo)致切屑運(yùn)動方向發(fā)生改變。由圖4c和圖4d可知，位錯形核主要發(fā)生在工件亞表層的剪切滑移區(qū)和晶界處，而在晶粒內(nèi)部并沒有位錯形核。當(dāng)?shù)毒咔邢鞯骄Ы绺浇鼤r(shí)，晶界的勢壘作用使得已加工表面上的晶界附近有凹槽和毛刺形成，如圖4c所示。晶界對位錯擴(kuò)展產(chǎn)生了阻礙作用，從而導(dǎo)致在切屑前方有原子臺階聚集，如圖4d所示。對于工件整體來說，由于晶界存在勢壘作用，故位錯缺陷會被限制在材料表層的局部區(qū)域，而晶粒內(nèi)部幾乎沒有位錯形成。

本文仿真結(jié)果(圖5a)與BECKMANN等[31]采用聚焦離子束(FIB)觀察原子力顯微鏡(AFM)針尖刻劃后納米晶體銅的切屑形貌及流動方向等實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5b)十分吻合：即切屑形貌類似，切屑流動方向一致，與切削方向成45°角。BECKMANM等[31]認(rèn)為晶界的阻礙作用是導(dǎo)致切屑流向改變的主要原因。

(a)MD仿真結(jié)果

(b)AFM探針刻劃實(shí)驗(yàn)結(jié)果[31]圖5 晶體銅切屑形貌的仿真與實(shí)驗(yàn)對比Fig.5 Simulation and experimental comparison of chip morphology of crystal copper

納米切削中切削力的波動能夠反映材料的變形及去除過程，是分析納米切削機(jī)理的重要參數(shù)。切削力源自于材料的變形抗力及摩擦阻力。圖6為本研究獲得的切削力波動曲線，其中主切削力、背向力和進(jìn)給力分別用FX、FY、FZ表示。由圖6可知，進(jìn)給力FZ在0附近上下波動，這是因?yàn)檠芯恐邢到y(tǒng)在Z向施加了周期性邊界條件，且金剛石刀具沿Z向?yàn)橹鶢?。在切削過程的初期，主切削力FX和背向力FY直線增大，當(dāng)有明顯的已加工表面(machined face, MF)形成時(shí)(即圖6中MF所指)，主切削力最大值達(dá)到400 nN，背向力最大值達(dá)到200 nN；隨后，主切削力和背向力均在各自平衡位置附近波動，切削過程進(jìn)入穩(wěn)定切削階段，該階段中主切削力的平均值約為320 nN，背向力的平均值約為130 nN。切削力的波動是由晶格變形能積聚和位錯釋放造成的，而在多晶銅切削過程中，由于晶界的阻礙和限制作用，位錯形核規(guī)模較小，變形能積聚與位錯釋放程度均較小，因此切削力波動幅度相對偏小。然而，切削力曲線上有幾處較大幅度的異常波動，均是從最大峰值急劇降至最大谷深。通過分析刀具切削工件的過程可以發(fā)現(xiàn)，幾處異常波動均發(fā)生在刀具切削至晶界附近(即圖6中GB所指)。當(dāng)?shù)毒咔邢髦辆Ы绺浇鼤r(shí)，晶界會阻礙材料的變形，使得材料積聚，材料變形抗力急劇增大，從而導(dǎo)致切削力顯著增大；當(dāng)變形抗力足以使晶界斷裂時(shí)，積聚的材料變形能迅速釋放，導(dǎo)致大量的位錯形核擴(kuò)展，使得材料較易產(chǎn)生變形，材料的變形抗力迅速減小，從而導(dǎo)致切削力迅速達(dá)到極小值，因此使得切削力發(fā)生了從最大峰值到最小谷深的大幅異常波動。

圖6 多晶銅納米切削過程切削力變化曲線Fig.6 Variation curve of cutting force in nano-cutting of polycrystalline copper

2.2 多晶銅亞表層缺陷分布及晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律

為更清晰地表征納米切削后工件內(nèi)部缺陷分布及晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律，本研究采用球諧函數(shù)分析加工后的多晶銅工件，根據(jù)銅原子的晶體結(jié)構(gòu)對工件著色，并將未發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的原子隱去，分析結(jié)果見圖7，其中切削速度為50 m/s，切削深度為4 nm。由圖7可知，HCP及BCC結(jié)構(gòu)的原子數(shù)目較少，晶界的晶體結(jié)構(gòu)主要為ICO和缺陷面心立方(DFCC)結(jié)構(gòu)，其中未切削區(qū)晶界、材料表面(包括未切削區(qū)材料表面和已加工表面)、部分位錯、梯桿位錯、原子團(tuán)簇及正四面體堆垛層錯(SFT)等區(qū)域存在較多ICO結(jié)構(gòu)；已加工區(qū)晶界、切屑、毛刺、剪切區(qū)及層錯等的結(jié)構(gòu)多為DFCC。由前述切削力變化分析可知，當(dāng)?shù)毒咔邢髦辆Ы绺浇鼤r(shí)，切削力會發(fā)生異常的大幅波動，這是因?yàn)槲辞邢鲄^(qū)的晶界為ICO結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)，能承受較大的變形抗力，因而能使切削力發(fā)生較大波動。

(a)切削距離為15 nm

(b)切削距離為25 nm圖7 多晶銅納米切削過程工件亞表層晶體結(jié)構(gòu)分布Fig.7 Subsurface crystal structure distribution of workpiece in nano-cutting process of polycrystalline copper

為直觀地了解多晶銅中不同晶體結(jié)構(gòu)的變化情況，本研究中統(tǒng)計(jì)了4種晶體結(jié)構(gòu)的原子數(shù)目及其在總?cè)毕菰又兴嫉谋壤?，其變化曲線見圖8。由圖8可知，隨著切削距離的增大，工件內(nèi)不同晶體結(jié)構(gòu)的原子數(shù)目變化不大，不同晶體結(jié)構(gòu)原子在總?cè)毕菰又兴嫉谋壤静蛔?。這是因?yàn)槎嗑с~中存在大量晶界，而晶界原子的晶體結(jié)構(gòu)并非FCC結(jié)構(gòu)，因此，切削開始時(shí)工件中已經(jīng)存在大量其他晶體結(jié)構(gòu)的原子。而隨著切削過程的進(jìn)行，逐漸有一些位錯形核、擴(kuò)展運(yùn)動及湮滅的出現(xiàn)，但其規(guī)模比晶界原子小很多，因此，4種晶體結(jié)構(gòu)的原子數(shù)目及其比例均波動不大。4種晶界結(jié)構(gòu)的原子數(shù)目從多到少依次為：DFCC結(jié)構(gòu)、ICO結(jié)構(gòu)、BCC結(jié)構(gòu)和HCP結(jié)構(gòu)。由圖8還可知，切削過程中僅DFCC結(jié)構(gòu)的原子數(shù)目有較明顯的波動，這是因?yàn)镈FCC結(jié)構(gòu)除了分布于晶界區(qū)域外主要還分布在堆垛層錯處，切削過程中堆垛層錯不斷形核及湮滅，進(jìn)而導(dǎo)致DFCC結(jié)構(gòu)原子數(shù)目發(fā)生了小幅度波動，但其在總?cè)毕菰又兴嫉谋壤颈３植蛔?。而ICO結(jié)構(gòu)原子數(shù)目及其所占比例波動不大，這是因?yàn)镮CO結(jié)構(gòu)除了分布在晶界區(qū)域外主要還分布于部分位錯，而切削過程中位錯的形核及湮滅中部分位錯一直存在，所以ICO結(jié)構(gòu)原子數(shù)目及其所占比例波動不大。

(a)原子數(shù)目的變化曲線

(b)不同結(jié)構(gòu)所占比例的變化曲線圖8 多晶銅不同晶體結(jié)構(gòu)原子數(shù)目 及所占比例變化曲線Fig.8 Amount of various atomic local crystal structure and their proportion in workpiece of polycrystal cooper

2.3 多晶銅亞表層“晶界-位錯”轉(zhuǎn)化機(jī)制

多晶銅納米切削過程中，工件剪切滑移區(qū)因受到刀具的擠壓剪切作用，使得材料發(fā)生變形而被去除。而遠(yuǎn)離剪切滑移區(qū)的亞表層雖受刀具的作用不顯著，但表層材料變形應(yīng)力傳遞仍使得亞表層的晶界發(fā)生變形，且晶界會與亞表層位錯缺陷發(fā)生作用，甚至相互轉(zhuǎn)化。圖9所示為多晶銅晶界附近晶界與位錯的相互轉(zhuǎn)化過程，圖中原子按CNA值進(jìn)行著色，配色方案與圖4c和圖4d相同。在切削過程初期，在刀具前方亞表層中晶界處發(fā)生了位錯形核，如圖9a所示。隨著刀具的前進(jìn)，剪切區(qū)的變形持續(xù)施加于刀具前方的晶界，使得形核的位錯發(fā)生擴(kuò)展，位錯持續(xù)擴(kuò)展導(dǎo)致晶界發(fā)生變形，如圖9b所示。當(dāng)?shù)毒咔邢鞯骄Ы绺浇鼤r(shí)，在變形應(yīng)力及熱應(yīng)力的綜合作用下，變形晶界逐漸轉(zhuǎn)化為HCP結(jié)構(gòu)的位錯缺陷，如圖9c所示。在復(fù)雜變形及熱應(yīng)力的持續(xù)作用下，晶界最終完全演化成堆垛層錯，如圖9d所示。隨著刀具完成了對晶界附近材料的去除，該區(qū)域的殘余應(yīng)力及能量逐漸被釋放，堆垛層錯逐漸湮滅，如圖9e所示。隨著剪切區(qū)的應(yīng)力及能量完全釋放，位錯大部分消失，而在位錯湮滅的過程中，位錯逐漸轉(zhuǎn)化為未知結(jié)構(gòu)的類晶界，如圖9f所示。新形成的晶界與原來的晶界相比較，其位置有所偏移，因此，位錯與晶界的相互轉(zhuǎn)化導(dǎo)致了晶界遷移。

(a)切削距離為3 nm(b) 切削距離為5 nm

(c)切削距離為8 nm(d) 切削距離為10 nm

(e)切削距離為14 nm(f) 切削距離為18 nm圖9 多晶銅晶界附近位錯與晶界的相互轉(zhuǎn)化過程Fig.9 Grain-boundary-dislocation transformation process of polycrystal copper close to grain boundary

(a)切削距離為15 nm(b)切削距離為17 nm

(c)切削距離為19 nm(d)切削距離為21 nm圖10 多晶銅納米切削中晶粒內(nèi)部位錯轉(zhuǎn)為晶界過程Fig.10 Dislocation transform to grain boundary of polycrystalline copper interior grain

由上述分析可知，多晶銅納米切削中晶界處的位錯形核導(dǎo)致晶界轉(zhuǎn)化為位錯，位錯逐漸擴(kuò)展湮滅又會重新轉(zhuǎn)化為類晶界，最終導(dǎo)致多晶材料的晶界遷移。而研究發(fā)現(xiàn)多晶銅晶粒內(nèi)部的位錯形核同樣可誘導(dǎo)位錯與晶界的相互轉(zhuǎn)化。圖10為晶粒內(nèi)部位錯轉(zhuǎn)化為晶界的瞬時(shí)演變圖像，圖中原子的配色方案與前文相同。由于受到刀具擠壓作用及剪切區(qū)復(fù)雜應(yīng)力的影響，因此位錯在刀具前方的晶粒內(nèi)部形核，如圖10a所示。形核后的位錯在剪切區(qū)復(fù)雜的應(yīng)力驅(qū)動下沿位錯滑移系進(jìn)行擴(kuò)展運(yùn)動，如圖10b所示。位錯擴(kuò)展到晶界附近時(shí)，與晶界處形核位錯相互影響，會導(dǎo)致晶粒內(nèi)部有復(fù)雜晶體缺陷形成。隨著切削過程的進(jìn)行，晶粒內(nèi)部的應(yīng)力和能量逐漸釋放，導(dǎo)致位錯逐漸湮滅，如圖10c所示。而在位錯湮滅過程中，位錯間復(fù)雜相互作用下，在晶粒內(nèi)部有復(fù)雜晶體缺陷結(jié)構(gòu)殘留，這些晶體缺陷結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，與其他缺陷相互作用，共同組成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的“類晶界”，并在“類晶界”和原晶界之間形成了“類晶粒”結(jié)構(gòu)，如圖10d所示，“類晶界”的形成演化同樣會導(dǎo)致原晶界發(fā)生遷移。

綜上可知，“位錯-晶界”間的轉(zhuǎn)化過程是在剪切區(qū)復(fù)雜的變形及熱應(yīng)力的驅(qū)動下，通過位錯形核、擴(kuò)展運(yùn)動、湮滅及其與缺陷的相互作用實(shí)現(xiàn)，最終影響多晶銅材料的亞表層性能。

3 結(jié)論

(1)多晶銅納米切削中，刀具的擠壓剪切作用導(dǎo)致材料發(fā)生彈塑性變形，最終導(dǎo)致工件的材料去除及切屑的形成。晶界的阻礙作用使得多晶銅切屑的流向發(fā)生改變，并在已加工表面上形成了凹槽和毛刺。晶界附近材料變形的逐漸積聚及晶界的最終斷裂，造成了切削力發(fā)生由最大峰值到最小谷深的大幅異常波動。

(2)多晶銅納米切削后，有大量FCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌w結(jié)構(gòu)，主要為DFCC結(jié)構(gòu)和ICO結(jié)構(gòu)，少量原子轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC結(jié)構(gòu)和HCP結(jié)構(gòu)，各種晶界結(jié)構(gòu)的原子數(shù)目從多到少依次為：DFCC結(jié)構(gòu)、ICO結(jié)構(gòu)、BCC結(jié)構(gòu)和HCP結(jié)構(gòu)。切削過程中僅DFCC結(jié)構(gòu)的原子數(shù)目有明顯波動，其他三種晶體結(jié)構(gòu)的原子數(shù)目波動不大。

(3)多晶銅晶界附近和晶粒內(nèi)部的位錯形核均可與晶界相互轉(zhuǎn)化，晶界附近的材料去除是由材料變形積聚、位錯穿越晶界、晶界轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e及晶界最終斷裂等過程組成的。通過詳細(xì)分析多晶銅納米切削中位錯與晶界間的演化過程揭示了晶界與位錯間的轉(zhuǎn)化機(jī)制。