Pemodelan Dinamika Molekuler dan Simulasi Pemotongan Berlian Cerium
Abstrak
Kopling antara transformasi fase struktural dan dislokasi menginduksi tantangan dalam memahami perilaku deformasi serium logam pada skala nano. Dalam karya ini, kami menjelaskan mekanisme yang mendasari serium di bawah pemotongan berlian ultra-presisi melalui pemodelan dan simulasi dinamika molekul. Model dinamika molekuler pemotongan berlian serium dibuat dengan menetapkan potensi empiris untuk menggambarkan interaksi atom dan mengevaluasi sifat dari dua fase serium kubik berpusat muka. Simulasi dinamika molekul selanjutnya mengungkapkan bahwa slip dislokasi mendominasi deformasi plastis serium di bawah proses pemotongan. Selain itu, analisis berdasarkan fungsi distribusi radial atom menunjukkan bahwa ada transformasi fase sepele dari -Ce ke -Ce yang terjadi di permukaan mesin dan chip yang dibentuk. Penyelidikan berikut pada ketergantungan parameter pemesinan mengungkapkan kondisi pemesinan yang optimal untuk mencapai permukaan serium mesin yang berkualitas tinggi.
Latar Belakang
Cerium (Ce) dengan nomor atom 58 adalah salah satu logam lantanida yang paling melimpah. Cerium memiliki aplikasi yang luas untuk sifat mekanik, fisik, dan kimianya yang menarik. Diketahui bahwa morfologi permukaan mesin dari bagian logam memiliki pengaruh kuat pada fungsionalitas, kinerja, dan siklus hidupnya. Misalnya, ketahanan korosi bagian logam dapat ditingkatkan secara efektif dengan mengurangi kekasaran permukaan atau memasukkan tegangan sisa tekan pada permukaan mesin [1,2,3]. Baru-baru ini, Yan et al. menggunakan teknik pemesinan mekanis berbasis tip baru untuk membuat rongga mikro segitiga periodik pada Cu(111), yang ditunjukkan sebagai substrat hamburan Raman yang ditingkatkan permukaannya [4]. Khusus untuk serium yang digunakan untuk menyimpan hidrogen [5], permukaan akhir serium sangat mempengaruhi reaksi antara serium dan hidrogen pada suhu kamar. Oleh karena itu, mencapai akurasi tinggi dari morfologi permukaan mesin serium sangat penting untuk aplikasinya. Pemotongan berlian ultra-presisi adalah salah satu teknik manufaktur penting untuk mendapatkan permukaan akhir yang sangat halus dengan integritas permukaan yang tinggi, kekasaran permukaan yang sangat rendah, kerataan yang tinggi, evolusi struktur metalografi yang rendah, dan kerusakan bawah permukaan yang rendah [6, 7]. Namun, karya eksperimental atau teoretis tentang pemotongan berlian serium jarang dilaporkan. Selanjutnya, karena dalam proses pemotongan berlian ultra-presisi, radius tepi pahat sebanding dengan kedalaman pemotongan, sifat material benda kerja memainkan peran penting bahkan dominan dalam proses pemotongan. Oleh karena itu, pemahaman tentang mekanisme pemesinan cerium menantang karena perilaku deformasinya yang kompleks.
Pertama, serium dikenal karena diagram fase tekanan-suhunya yang luar biasa yang didorong oleh delokalisasi elektron 4f. Pada tekanan atmosfer dan suhu rendah di bawah 110 K, -Ce (kubus berpusat muka (fcc)) stabil. Pada peningkatan suhu mulai dari 45 hingga 275 K -Ce berubah menjadi -Ce (double heksagonal close-packed (dhcp)). -Ce (fcc) stabil pada suhu sedang antara 270 dan 999 K. Pada suhu tinggi antara 999 K dan suhu leleh 1071 K, -Ce (kubus berpusat badan (bcc)) stabil [8,9 ,10,11]. Secara khusus, transformasi fase isostruktural yang paling menarik dari -Ce berdensitas rendah trivalen menjadi -Ce yang jauh lebih padat pada 295 K dan di bawah 8 kbar disertai dengan penurunan volume besar sebesar 20% [8, 12,13,14 ]. Modifikasi fasa yang diinduksi transformasi dari struktur elektronik dan konfigurasi ikatan dalam serium pasti memiliki dampak yang kuat pada perilaku deformasi. Secara khusus, suhu tinggi dan tekanan tinggi yang terbentuk di daerah kontak antara pahat potong dan benda kerja dapat mengakibatkan transformasi fase serium dalam proses pemotongan intan. Kedua, serium logam memiliki keuletan yang cukup besar yang diatur oleh dislokasi [15]. Diketahui bahwa nukleasi dislokasi dan luncuran memainkan peran kunci dalam deformasi plastis logam fcc di bawah pemesinan mekanis. Namun, sebagian besar masih belum diketahui tentang interaksi antara transformasi fase dan dislokasi dalam pemotongan berlian serium.
Konstituen mekanisme pemesinan terdiri dari perilaku deformasi mikroskopis bahan benda kerja dan korelasinya dengan hasil pemesinan makroskopik dalam hal gaya potong, profil chip, dan morfologi permukaan permesinan. Sebagai tambahan penting untuk eksperimen pemesinan, simulasi dinamika molekul (MD) telah terbukti menjadi alat yang ampuh untuk menjelaskan mekanisme pemesinan mekanis dasar dari berbagai jenis bahan. Li dkk. melaporkan bahwa kedalaman keausan minimum kristal tunggal Cu (111) di bawah nanoscratching yang setara dengan kedalaman penetrasi kritis di mana plastisitas dimulai meningkat dengan radius probe [16]. Baru-baru ini, mereka menyelidiki perilaku mekanik dan mekanisme deformasi paduan entropi tinggi AlCrCuFe di bawah nanoscratching dan melaporkan volume tumpukan permukaan yang lebih besar daripada logam murni karena stabilitas suhu tinggi yang baik dari bahan paduan [17]. Gao dkk. menyelidiki generasi dan evolusi plastisitas dan cacat dalam pemotongan ortogonal dari bcc Fe [18]. Zhu dkk. melaporkan efek ukuran pada ketergantungan bentuk probe dari nanoscratching [19]. Hosseini dkk. menyelidiki efek radius tepi alat pada nanomachining tembaga kristal tunggal [20]. Liu dkk. menemukan bahwa perbedaan antara koefisien gesekan statis dan dinamis menghilang dalam gesekan asperitas tunggal Cu (111) karena interferensi antara asperitas [21]. Romero dkk. menemukan bahwa adhesi selama pemotongan ortogonal substrat tembaga dapat diperkuat dengan memvariasikan sudut rake pahat dan dengan memilih orientasi kisi tertentu [22]. Yang dkk. menunjukkan bahwa kecepatan dan arah rotasi diri abrasif memiliki pengaruh yang signifikan terhadap morfologi dan kualitas permukaan permesinan tembaga kristal tunggal di bawah pemolesan [23]. Vargonen dkk. melaporkan bahwa kehilangan ketinggian ujung per jarak goresan selama penggarukan adalah fungsi dari tegangan normal dan sudut lancip dari ujung [24]. Matahari dkk. terbukti dampak GB pada goresan tembaga bi-kristal [25]. Chen dkk. menemukan bahwa molekul air secara efektif mengurangi gesekan antara pahat dan benda kerja dalam pemotongan nanometrik tembaga [26]. Wu dkk. melaporkan bahwa energi ikatan memiliki pengaruh yang signifikan terhadap gesekan [27]. Selain itu, dibandingkan dengan penyelidikan eksperimental, sifat mekanik dari setiap fase serium dapat dipelajari dengan mudah melalui simulasi MD, yang sangat penting untuk memahami interaksi antara transformasi fase dan dislokasi dalam serium. Baru-baru ini, Zhang et al. menyelidiki interaksi antara transformasi fase dan dislokasi pada transisi elastis-plastik dalam nanoindentasi silikon dengan simulasi MD [28]. Namun, sejauh pengetahuan kami, tidak ada pekerjaan yang dilaporkan pada penyelidikan MD pemesinan mekanis serium.
Oleh karena itu, dalam karya ini, pertama-tama kami menetapkan model MD pemotongan berlian serium dengan membangun konfigurasi atom benda kerja dan alat, menetapkan potensi empiris untuk interaksi atom Ce-Ce dan Ce-C, dan mengkarakterisasi dua fase fcc serium. Dengan model MD yang telah ditetapkan, kami kemudian melakukan simulasi MD pemotongan berlian serium untuk menjelaskan mekanisme pemesinan dasar serium dan menyelidiki pengaruh sudut penggaruk pahat potong dan orientasi kristalografi benda kerja pada proses pemotongan.
Metode
Model Pemotongan Berlian MD
Gambar 1 menunjukkan model pemotongan berlian MD, yang terdiri dari benda kerja serium kristal tunggal dan alat pemotong berlian. Benda kerja serium memiliki dimensi masing-masing 41, 25, dan 31 nm dalam arah horizontal, vertikal, dan longitudinal, dan terdiri dari satu juta atom -Ce dalam struktur fcc. Kondisi batas periodik hanya diterapkan pada arah memanjang. Benda kerja terdiri dari dua jenis atom, masing-masing sebagai atom bawah dan atom bergerak. Lapisan atom bagian bawah dengan ketebalan 2 nm dipasang di ruang angkasa untuk mencegah gerakan benda kerja yang kaku. Gerak atom yang bergerak mengikuti persamaan gerak Newton dengan algoritma integrasi kecepatan-verlet. Suhu setiap atom dalam benda kerja dipantau dalam proses pemotongan untuk mewakili disipasi panas yang dihasilkan. Untuk mengatasi pengaruh orientasi kristalografi, tiga benda kerja serium dengan (010), (110), dan (111) permukaan bebas dalam arah vertikal dipertimbangkan. Alat pemotong intan dengan ujung yang tajam memiliki sudut relief 9° dan tersusun dari 0,1 juta atom C dalam struktur intan. Tujuh sudut rake, seperti −30°, 20°, 10°, 0°, 10°, 20°, dan 30°, digunakan untuk mengatasi pengaruh sudut rake. Mengingat kekerasan berlian yang sangat tinggi dibandingkan dengan serium dan jarak pemotongan yang sangat pendek, keausan pahat berlian selama proses pemotongan tidak dipertimbangkan. Oleh karena itu, alat pemotong intan diatur sebagai benda kaku, yaitu, koordinat dan kecepatan semua atom dalam alat pemotong diperbarui setiap langkah waktu, sedemikian rupa sehingga alat pemotong bergerak sebagai satu kesatuan tanpa deformasi apapun.
Model MD pemotongan berlian serium; (warna online) Model MD dari pemotongan berlian serium. aTampilan depan dan btampilan atas . Merah dan warna biru singkatan dari atom Ce bagian bawah dan bergerak, dan warna abu-abu menunjukkan atom C
Ada tiga jenis interaksi atom dalam sistem simulasi, sebagai Ce-Ce dalam benda kerja serium, Ce-C antara benda kerja serium dan alat pemotong berlian, dan C-C dalam alat pemotong berlian, masing-masing. Interaksi C-C dihilangkan karena alat pemotong intan diperlakukan sebagai benda tegar tanpa deformasi apa pun dalam proses pemotongan. Metode atom tertanam (EAM) yang terdiri dari potensial pasangan yang berinteraksi dan energi penyisipan elektron telah banyak digunakan untuk menggambarkan sistem logam, yang dapat dinyatakan sebagai
dimana rij adalah jarak antar atom i dan j , ϕij adalah potensial pasangan antara atom i dan j , Bi mewakili energi embedding yang dihasilkan ketika sebuah atom i tertanam, ρi adalah kerapatan elektron di i atom yang dihasilkan oleh semua atom kecuali atom i , dan ρj adalah fungsi dari kerapatan elektron atom j di atom i . Parameter EAM untuk serium oleh Sheng et al. digunakan untuk menggambarkan interaksi Ce-Ce, yang mampu secara akurat menggambarkan sifat elastis massal fase serium fcc [29]. Potensi Morse digunakan untuk menggambarkan interaksi Ce-C, yang dapat dinyatakan sebagai
dimana D0 (0,087 eV) adalah energi kohesif, (5,14) adalah modulus elastisitas, dan r0 (2,93 Å) mewakili jarak kesetimbangan antara atom i dan j , masing-masing. Jari-jari batas potensial Morse dipilih sebagai 1,0 nm [30].
Sistem simulasi yang dibuat pertama-tama diseimbangkan ke konfigurasi kesetimbangannya pada 30 K dan di bawah 0 bar dalam ansambel NPT (jumlah atom konstan N , tekanan konstan P , dan suhu konstan T ). Kemudian, benda kerja yang diseimbangkan dikenai pemotongan intan dengan kecepatan konstan 100 m/s dan kedalaman pemotongan 4 nm dalam ansambel kanonik (jumlah atom konstan N , volume konstan V , dan suhu konstan T ). Arah pemotongan ditunjukkan oleh panah berwarna merah pada sudut pandang yang berbeda dari model pemotongan. Dan gaya potong didefinisikan sebagai komponen gaya sepanjang arah pemotongan. Kedalaman pemotongan yang digunakan dalam eksperimen pemesinan ultra-presisi adalah beberapa mikrometer. Kami mencatat bahwa dimensi simulasi benda kerja dan kedalaman pemotongan beberapa kali lipat lebih kecil daripada yang digunakan dalam eksperimen pemotongan berlian ultra-presisi, karena keterbatasan skala panjang dalam simulasi atomistik. Kami juga mencatat bahwa kecepatan pemotongan yang digunakan 100 m/s dalam simulasi pemotongan nanometrik MD saat ini beberapa kali lipat lebih tinggi daripada kecepatan tipikal puluhan mikrometer per detik yang digunakan dalam eksperimen pemotongan berlian ultra-presisi, memberikan persyaratan intrinsik langkah waktu integrasi menjadi orde femtosecond (fs). Analisis tetangga umum (CNA) digunakan untuk mengidentifikasi jenis cacat kisi [31], dan skema pewarnaan adalah sebagai berikut:hijau untuk atom fcc, merah untuk atom heksagonal close-packed (hcp), biru untuk kubik pusat tubuh (bcc) atom, dan abu-abu untuk atom lain termasuk atom permukaan dan inti dislokasi. Semua simulasi MD dilakukan dengan menggunakan kode LAMMPS dengan langkah waktu integrasi 1 fs [32]. Dan OVITO digunakan untuk memvisualisasikan data MD dan menghasilkan snapshot MD [33].
Mengkarakterisasi Fase Cerium
Dalam karya ini, lima fase serium dianggap, sebagai , , , , dan , masing-masing. Tabel 1 mencantumkan parameter struktural dan kondisi suhu-tekanan yang berkaitan untuk setiap fase yang dikumpulkan dari literatur [8,9,10,11]. Konfigurasi atom curah dari setiap fase kemudian dibangun sesuai dengan Tabel 1. Dan kemudian, simulasi komputasi tegangan uniaksial, geser, dan kompresi seragam dari konfigurasi massal yang dibangun dilakukan untuk memperoleh sifat mekanik dari fase Ce yang berbeda. Karena suhu stabil tinggi yang dekat dengan titik leleh serium, sifat mekanik -Ce tidak dihitung karena sulit untuk melakukan pengujian mekanis pada fase cair. Tabel 2 mencantumkan konstanta elastis yang diturunkan dan sifat mekanik dari setiap fase serium. Modulus Young yang dihitung dari fase -Ce kristalin tunggal adalah 24,17 GPa, yang sebanding dengan nilai eksperimen 36,7 GPa yang dilaporkan dalam nanoindentasi dari rekan polikristalinnya [10]. Selanjutnya, nilai yang dihitung dari C44 dan 1/2(c11-c12) berbeda dengan faktor 3, yang sesuai dengan nilai eksperimen dengan menggunakan teknik hamburan neutron-inelastis [34]. Tabel 2 menunjukkan bahwa -Ce yang lebih padat memiliki sifat mekanik yang ditingkatkan secara signifikan dibandingkan dengan fase -Ce dengan densitas rendah isostrukturnya.
Fungsi distribusi radial (RDF), didefinisikan sebagai variasi kerapatan dalam sistem partikel dengan jarak dari partikel referensi dalam bentuk puncak yang tajam. RDF dapat disimpulkan dari spektrum sinar-X dan data difraksi neutron [35, 36]. Oleh karena itu, ini adalah salah satu alat yang paling penting untuk karakterisasi struktural cairan dan padatan sama dan bertindak sebagai penghubung penting antara susunan atom mikroskopis dan sifat makroskopik. Dalam studi saat ini, RDF digunakan untuk mengkarakterisasi perbedaan struktural antara fase serium yang berbeda. Gambar 2a memplot histogram RDF untuk lima fase serium, di mana puncak mewakili karakteristik struktur kisi yang sesuai:jarak tetangga terdekat pertama, kedua, dan ketiga dari -Ce adalah 3,64, 5,13, dan 6,3 Å, masing-masing; jarak tetangga terdekat pertama, kedua, dan ketiga dari -Ce berturut-turut adalah 3,41, 4,85, dan 5,92 Å; jarak tetangga terdekat pertama dan kedua dari -Ce masing-masing adalah 3,53 dan 6,75 Å; jarak tetangga terdekat pertama, kedua, ketiga, dan keempat dari -Ce berturut-turut adalah 2,96, 3,33, 4,91, dan 5,69 Å; jarak tetangga terdekat pertama, kedua, ketiga, dan keempat dari -Ce berturut-turut adalah 3,71, 3,97, 5,27, dan 5,92 Å. Untuk menunjukkan kelayakan memprediksi transformasi fase antara dua fase serium fcc dengan parameter potensial EAM yang digunakan, kompresi seragam massal -Ce hingga mencapai penurunan volume 20% dilakukan. Gambar 2b menyajikan RDF sebelum dan sesudah kompresi, yang masing-masing bertepatan dengan RDF dari -Ce dan -Ce, yang menunjukkan terjadinya transformasi fase ➔ α yang paling terkenal [12,13,14] .
Analisis RDF fase serium; (warna online) a RDF fase serium. b RDF sebelum dan sesudah kompresi -Ce
Hasil dan Diskusi
Mekanisme Pemesinan Cerium
Simulasi MD pemotongan berlian Ce(010) pertama kali dilakukan untuk menjelaskan mekanisme pemesinan dasar serium. Alat pemotong intan yang digunakan memiliki sudut penggaruk sebesar 0°. Ada tiga komponen gaya pemesinan, masing-masing sebagai gaya potong sepanjang arah horizontal, gaya normal tegak lurus terhadap permukaan mesin, dan gaya lateral sepanjang arah longitudinal. Gambar 3 menunjukkan variasi gaya potong dan gaya normal dengan panjang pemotongan selama proses pemotongan, yang dikategorikan menjadi tiga zona menurut panjang pemotongan. Dengan demikian, subfigur di setiap zona menunjukkan konfigurasi pemotongan yang representatif, di mana atom diwarnai sesuai dengan nilai CNA-nya, dan atom fcc tidak ditampilkan untuk visualisasi cacat yang jelas.
Variasi kekuatan mesin; (warna online) variasi gaya potong dan gaya normal dengan panjang pemotongan selama pemotongan berlian Ce(010) di bawah sudut penggaruk 0°. Subfigure menyajikan konfigurasi cacat representatif di zona yang berbeda, di mana atom diwarnai sesuai dengan nilai CNA-nya
Dari Gambar 3 terlihat bahwa baik gaya potong maupun gaya normal bernilai negatif apabila pahat potong berada tepat di dekat benda kerja, karena adanya adhesi antara pahat potong dengan benda kerja. Ketika pahat mulai bersentuhan dengan benda kerja, material pertama-tama mengalami deformasi elastis, disertai dengan peningkatan yang cepat dari gaya potong dan gaya normal. Gambar 3 menunjukkan bahwa gaya potong dan gaya normal turun dengan cepat pada panjang pemotongan 2,3 nm, yang menunjukkan inisiasi deformasi plastis. Pada pemotongan lebih lanjut, baik gaya potong dan gaya normal meningkat dengan fluktuasi kuat yang disebabkan oleh peristiwa nukleasi yang berurutan. Terlihat dari subfigur di zona II bahwa terdapat 1/6<112> dislokasi parsial Shockley yang cukup besar yang dihasilkan di sekitar zona pemotongan. Baik gaya potong maupun gaya normal umumnya berfluktuasi di sekitar nilai konstan pada panjang pemotongan yang berkisar antara 10 hingga 35 nm, yang menunjukkan bahwa proses pemotongan stabil. Dan dislokasi di zona II terutama berada di depan dan di bawah alat pemotong intan. Saat panjang pemotongan mencapai 35 nm, pahat mulai terpisah dari benda kerja, disertai dengan penurunan yang signifikan baik gaya potong maupun gaya normal. Subfigur di zona III menunjukkan ada dislokasi yang cukup besar yang terhalang oleh sisi kiri benda kerja. Baik gaya potong dan gaya normal menjadi stabil sampai chip yang terbentuk benar-benar terpisah dari benda kerja. Gambar 3 menunjukkan bahwa selama proses pemotongan, gaya normal lebih rendah dari gaya potong.
Gambar 4a-d menyajikan struktur cacat seketika di dalam benda kerja pada panjang pemotongan yang berbeda. Atom diwarnai sesuai dengan nilai CNA mereka, dan atom fcc tidak ditampilkan. Oleh karena itu, Gambar 4e-h menyajikan morfologi permukaan mesin yang diwarnai oleh ketinggian atomnya. Inspeksi dinamis evolusi cacat menunjukkan bahwa leleh benda kerja disertai dengan nukleasi 1/6<112> dislokasi parsial Shockley dari permukaan bebas sisi kanan dan luncuran berikutnya pada bidang slip {111} yang berdekatan dan sepanjang <110> arah slip. Pergerakan dislokasi parsial Shockley disertai dengan perluasan sesar susun yang dibatasi oleh inti dislokasi. Dengan kemajuan proses pemotongan, sejumlah besar dislokasi parsial keluar dari permukaan bebas atas di depan pahat pemotong, yang mengarah ke banyak serpihan yang terbentuk di sepanjang permukaan rake pahat potong, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4f. Secara bersamaan, dislokasi di belakang pahat bergerak ke atas untuk memusnahkan di permukaan bebas atas, yang mengarah ke pemulihan permukaan mesin yang signifikan. Gambar 4c menunjukkan bahwa ketika pahat pemotong mendekati batas kiri benda kerja, propagasi dislokasi sangat terhalang oleh permukaan bebas sisi kiri, disertai dengan peningkatan volume chip yang signifikan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4g. Gambar 4d menunjukkan bahwa setelah pemisahan sempurna antara chip dan benda kerja, kerapatan dislokasi di dalam benda kerja berkurang secara signifikan karena pemusnahan dislokasi pada permukaan bebas atas.
Struktur cacat dan morfologi permukaan mesin; (warna online) Snapshot MD dari struktur cacat seketika (baris atas ) dan morfologi permukaan mesin (baris bawah ) dalam pemotongan berlian Ce(010) di bawah sudut penggaruk 0°. Panjang pemotongan:a , e 0,0 nm, b , f 18,8 nm, c , g 44,8 nm, dan d , h 59,6 nm. Atom di baris atas dan baris bawah diwarnai sesuai dengan nilai CNA dan tinggi atomnya masing-masing
Selain plastisitas dislokasi slip-dominated, probabilitas transformasi fasa dalam proses pemotongan intan juga dievaluasi dengan melakukan analisis RDF pada zona cacat dalam benda kerja dan chip yang terbentuk. -Ce dalam struktur fcc pertama kali dikecualikan dalam OVITO dengan menggunakan algoritma CNA, dan atom lainnya terdiri dari zona cacat termasuk bcc, hcp, dan atom lainnya. Kemudian dilakukan analisis RDF pada zona cacat. Dan jumlah fase Ce yang berbeda dapat disimpulkan dengan jumlah berbagai jenis atom cacat. Gambar 5a menunjukkan bahwa tiga puncak RDF zona cacat di bawah permukaan mesin bertepatan dengan tepat tiga puncak RDF -Ce, menunjukkan terjadinya transformasi fasa dari -Ce ke -Ce. Sementara -Ce stabil pada suhu tinggi dan tekanan rendah, transformasi fasa ➔ δ yang terjadi menunjukkan tingginya pembuangan panas yang dihasilkan dalam proses pemotongan. Selanjutnya, karena -Ce memiliki sifat mekanik yang berbeda dari fase -Ce, -Ce yang dihasilkan mengarah ke pemesinan heterogen dalam proses pemotongan berikutnya. Gambar 5b menunjukkan bahwa ada juga atom -Ce yang terdeteksi dalam chip yang terbentuk, terutama karena transformasi fase ➔ δ yang dipicu oleh suhu tinggi di daerah kontak antara chip yang terbentuk dan permukaan rake dari alat pemotong. Namun, jumlah -Ce yang terbentuk di kedua zona cacat dan chip sangat sepele, menunjukkan bahwa transformasi fase tidak menonjol dalam pemotongan berlian serium.
Analisis transformasi fasa pada proses pemotongan; (warna online) analisis transformasi fase dalam pemotongan berlian Ce (010) di bawah sudut penggaruk 0°. RDF dari a benda kerja dan b chip setelah pemotongan
Pengaruh Sudut Rake
Dengan pemahaman mendasar tentang mekanisme pemesinan serium, pengaruh sudut rake pahat potong pada pemotongan berlian dipelajari. Gambar 6 memplot nilai rata-rata dari gaya potong dan gaya normal untuk tujuh sudut penggaruk. Nilai rata-rata dari setiap komponen gaya dihitung dengan rata-rata nilai gaya sesaat dalam panjang pemotongan mulai dari 10 hingga 35 nm. Gambar 6 menunjukkan bahwa gaya potong lebih tinggi dari gaya normal untuk setiap sudut penggaruk. Namun, nilai diferensial dari dua komponen gaya lebih menonjol untuk sudut rake yang lebih besar. Selanjutnya, gaya potong dan gaya normal berkurang dengan meningkatnya sudut rake. Menurut teori Merchant, dengan peningkatan sudut rake, sudut bidang geser yang sesuai dengan energi minimum juga meningkat, yang dengan demikian menurunkan gaya potong [37]. Variasi gaya pemesinan yang bergantung pada sudut rake yang diungkapkan oleh simulasi MD saat ini sangat sesuai dengan teori Merchant.
Ketergantungan sudut rake dari gaya pemesinan; (warna online) pengaruh sudut penggaruk pada gaya pemesinan
Gambar 7a, b menyajikan tampilan bawah dari struktur cacat di bawah permukaan mesin setelah selesainya proses pemotongan intan dengan sudut penggaruk masing-masing 30° dan 30°. Untuk setiap sudut rake, kedua jenis dislokasi dan geometri dislokasi terhadap permukaan bebas adalah sama. Namun, kerapatan dislokasi secara signifikan lebih tinggi untuk sudut penggaruk 30° daripada sudut penggaruk 30°, menunjukkan terjadi deformasi plastis yang lebih kompleks. Gambar 7c menyajikan jumlah segmen dislokasi yang tersisa di dalam benda kerja setelah pemotongan intan dengan sudut penggaruk yang berbeda, yang menunjukkan bahwa kerapatan dislokasi menurun dengan meningkatnya sudut penggaruk. Perlu dicatat bahwa berbagai jenis dislokasi yang dikategorikan oleh vektor Burgers, termasuk 1/2<110> dislokasi sempurna, 1/6<112> dislokasi parsial Shockley, 1/6<110> dislokasi tangga, dan 1/3 <111> Dislokasi parsial Frank, dipertimbangkan pada Gambar 7c. Dalam proses pemotongan nanometri, deformasi mikroskopis yang dimediasi dislokasi dari material benda kerja memiliki korelasi yang kuat dengan hasil pemesinan makroskopik dalam hal gaya pemesinan dan morfologi permukaan permesinan. Misalnya, interaksi dan reaksi dislokasi mengarah pada pembentukan struktur dislokasi sesil yang menghalangi gerakan dislokasi berikutnya; akibatnya, pengerasan kerja yang dihasilkan menyebabkan peningkatan gaya pemesinan. Hilangnya dislokasi pada permukaan bebas menyebabkan pemulihan permukaan mesin, disertai dengan pembentukan tumpukan permukaan [38].
Struktur cacat dihasilkan dengan sudut penggaruk yang berbeda; (warna online) Snapshot MD dari struktur cacat setelah pemotongan Cerium dengan sudut penggaruk a 30° dan b 30 °. Atom diwarnai sesuai dengan nilai CNA mereka. c Menggaruk nomor dislokasi bergantung sudut
Gambar 8 menyajikan morfologi permukaan mesin setelah selesainya proses pemotongan untuk sudut penggaruk yang berbeda. Volume tumpukan permukaan di kedua sisi alur yang terbentuk lebih menonjol untuk sudut rake dengan nilai negatif dibandingkan dengan yang positif. Selanjutnya, distribusi tumpukan permukaan kurang seragam untuk sudut rake negatif daripada sudut rake positif. Gambar 8c dengan jelas menunjukkan distribusi asimetris dari surface pile up sepanjang alur yang terbentuk untuk sudut rake 30°. Terlihat dari Gambar 8 bahwa volume surface pile up berkurang dengan bertambahnya sudut rake. Oleh karena itu, diindikasikan bahwa sudut penggaruk 30° optimal untuk pemotongan berlian serium untuk gaya pemesinan terendah, kerapatan dislokasi terendah, dan tumpukan permukaan terendah dibandingkan sudut penggaruk lainnya.
Ketergantungan sudut rake dari morfologi permukaan mesin; (warna online) morfologi permukaan mesin dengan sudut penggaruk yang berbeda:a 10°, b 20°, c 30°, h 10°, e 20°, dan f 30 °. Atom diwarnai sesuai dengan ketinggian atomnya
Pengaruh Orientasi Kristal Benda Kerja Cerium
Pengaruh orientasi kristal pada pemotongan berlian serium di bawah sudut penggaruk optimal 30° juga diselidiki. Semua parameter pemesinan sama untuk Ce(010), Ce(110), dan Ce(111). Gambar 9 menunjukkan variasi gaya potong dan bilangan dislokasi dengan orientasi kristal yang berbeda. Gaya potong Ce(010) secara signifikan lebih rendah daripada Ce(110) dan Ce(111). Meskipun bilangan dislokasi paling rendah pada Ce(111), kerapatan dislokasi pada Ce(010) secara signifikan lebih rendah daripada pada Ce(110). Diketahui bahwa geometri antara bidang slip dan permukaan bebas bervariasi dengan orientasi kristal. Untuk Ce(010) dan Ce(110), keempat bidang slip {111} condong ke permukaan mesin. However, there is one {111} slip plane parallel to machined surface of Ce(111), in addition to three {111} inclined slip planes. While microscopic deformation of workpiece material is dominated by dislocation slips, the observed macroscopic machining results in terms of machined surface and machining force can also be influenced by machined surface morphology. Although the easy glide of dislocations on the {111} slip plane parallel to free surface is energetically favorable for the accommodation of plastic strain caused by cutting tool action, the resulting considerable surface pile up increases the machining resistance, which leads to a high cutting force.
Crystal orientation dependence of cutting force and dislocation number; (color online) crystal orientation dependence of cutting force and dislocation number
Figure 10a–c presents machined surface morphology of Ce(010), Ce(110), and Ce(111), respectively, indicating that the crystal orientation has a strong influence on machined surface quality. The volume of surface pile up is the smallest for Ce(010), followed by Ce(111), and the largest for Ce(110). Correspondingly, the material removal in the form of chip is the most pronounced for Ce(010). Furthermore, it is seen that the surface pile up of Ce(111) on both side of formed groove presents the highest symmetry, while that of Ce(110) is the worst. Therefore, it is indicated that the crystal orientation of (010) is optimal for the diamond cutting of cerium due to its low machining force, low dislocation density, and low surface pile up.
Crystal orientation dependence of machined surface morphology; (color online) crystal orientation dependence of machined surface morphology. Atoms are colored according to atomic heights. Crystal orientation. a (010). b (110). c (111)
Kesimpulan
In summary, we perform MD modeling and simulation to elucidate the underlying mechanisms of cerium under the ultra-precision diamond cutting. The EAM and Morse potentials are respectively employed to describe atomic interactions within cerium workpiece and the interactions between cerium workpiece and diamond cutting tool. The elastic constants, mechanical properties, and propensity of phase transformation of cerium phases are evaluated, which demonstrates the feasibility of predicting phase transformation of cerium by the current established MD model. Subsequent MD simulations of diamond cutting reveal that the plastic deformation of cerium is governed by dislocation nucleation and subsequent glide, which is similar with other fcc metals. In addition, there is γ ➔ δ phase transformation occurred within both machined surface and formed chip. It is found that high quality of machined surface and low machining force can be achieved in the diamond cutting of cerium with the optimal machining conditions, i.e., a rake angle of 30° for a crystal orientation of (010).
