Pengaruh Sudut Impact pada Pemotongan Abrasif Nanometrik Tembaga Kristal Tunggal: Studi Dinamika Molekuler
Abstrak
Pemolesan aliran abrasif sangat penting dalam pemesinan ultra-presisi, di mana partikel nano yang tersuspensi dalam fluida menghapus material pada skala atom. Studi ini menggunakan simulasi dinamika molekuler (MD) tiga dimensi untuk mengukur bagaimana sudut impact butir abrasif SiC mempengaruhi pemotongan tembaga kristal tunggal. Menggunakan LAMMPS, kami memodelkan pemotongan pada sudut 0° hingga 45° sambil mempertahankan koefisien gesekan konstan. Hasilnya mengungkapkan korelasi langsung antara sudut pemotongan dan gaya pemotongan, yang mengarah pada aktivitas dislokasi yang meningkat dan kerusakan permukaan. Sebaliknya, sudut impact kecil mengurangi cacat internal dan meningkatkan finishing permukaan. Tidak ada ketergantungan yang jelas antara sudut pemotongan dan koefisien gesekan yang diamati.
Latar Belakang
Pemesinan ultra-presisi menjadi dasar mikroelektronika modern, mikromekanika, dan manufaktur komponen optik, yang menuntut akurasi dimensi skala nanometer dan finishing permukaan yang sempurna. Di antara teknik finishing, pemolesan aliran abrasif (AFP) unggul karena kemampuannya untuk menghilangkan kerusakan sub-permukaan sambil mempertahankan toleransi geometris. AFP melibatkan partikel abrasif ultra halus yang disperdi dalam fluida yang mengenai permukaan benda kerja, menghapus material melalui peristiwa pemotongan mikro berulang. Meskipun banyak pekerjaan eksperimental telah menjelajahi parameter makroskala—reologi fluida, konsentrasi abrasif, dan parameter proses—penyelidikan skala mikro masih jarang, terutama mengenai mekanika tingkat atom dari sudut impact dan pembentukan gaya.
Simulasi MD menawarkan lensa atomistik yang canggih untuk menginterogasi fenomena ini. Studi sebelumnya telah menggunakan MD untuk memeriksa pemotongan skala nano tembaga, silikon, dan bahan lain, yang mengungkapkan wawasan tentang dinamika dislokasi, transformasi fase, dan dissipasi energi. Berdasarkan fondasi ini, kami memodelkan interaksi antara abrasif SiC dan tembaga kristal tunggal, fokus pada bagaimana sudut impact memodulasi gaya pemotongan, transfer energi, dan evolusi cacat.
Metode/Eksperimen
Kami membangun model abrasif SiC yang realistis (radius 15 Å, 1406 atom: 681 C + 725 Si) dan lembar tembaga kristal tunggal yang berisi 159.020 atom. Kotak simulasi diseimbangkan selama 10.000 langkah relaksasi (Δt = 0,001 ps) sebelum memulai pemotongan. Dua partikel SiC mengenai permukaan tembaga pada sudut yang bervariasi dari 0° hingga 45°, masing-masing dengan kecepatan 80 m/s. Total simulasi terdiri dari 100.000 langkah pemotongan, yang memungkinkan kami untuk menangkap evolusi stres, suhu, dan kepadatan dislokasi selama proses.
Potensi antar atom dipilih untuk mencerminkan interaksi material yang berbeda: Morse untuk kontak Cu–SiC, Metode Atom Terbenam (EAM) untuk interaksi Cu–Cu, dan Tersoff untuk ikatan SiC–SiC. Kombinasi ini telah divalidasi dalam studi pemesinan skala nano sebelumnya dan memastikan representasi yang akurat dari perilaku elastis, plastis, dan fracture.
Gambar 1. Sketsa skenario pemotongan abrasif yang menunjukkan sudut impact terhadap permukaan tembaga.
Hasil dan Pembahasan
Mekanika Pemotongan dan Analisis Gaya
Butir SiC menghapus material dengan mengganggu jaringan tembaga, menghasilkan stes geser yang manifest sebagai gaya pemotongan. Gambar 6 menunjukkan bahwa magnitudo gaya pemotongan tumbuh dengan baik dengan kedalaman dan sudut impact, terutama sepanjang arah kristalografis [010] dan [001]. Pada sudut kecil (≤ 15°), gaya tetap modest dan relatif stabil, sedangkan sudut yang lebih besar menginduksi stres yang lebih tinggi dan fluktuasi yang lebih jelas, yang mengindikasikan distorsi jaringan yang lebih besar dan pembentukan cacat.
Gambar 6. Gaya pemotongan sebagai fungsi langkah simulasi untuk berbagai sudut impact: (a) arah [100], (b) [010], (c) [001].
Transfer Energi Selama Pemotongan
Analisis energi mengungkapkan bahwa energi kinetik meningkat secara stabil saat abrasif menyentuh tembaga, mencapai puncak saat partikel sepenuhnya menembus jaringan. Energi potensial meningkat dengan sudut hingga ~20°, setelahnya melempem, yang mencerminkan awal peristiwa dislokasi dan transisi fase. Energi total tetap relatif konstan di semua sudut karena komponen kinetik dan potensial saling melengkapi.
Gambar 7. Evolusi energi kinetik untuk berbagai sudut impact.
Gambar 8. Variasi energi potensial dengan sudut impact.
Gambar 9. Profil energi total untuk semua sudut yang diuji.
Pindahan Atom dan Evolusi Dislokasi
Peta pindahan atom (Gambar 10) mengilustrasikan bahwa sudut impact yang lebih tinggi menghasilkan penetrasi yang lebih dalam dan kerusakan jaringan yang lebih luas. Transisi dari kubik face-centered (FCC) ke hexagonal close-packed (HCP) dan akhirnya struktur amorf terlihat, terutama untuk sudut ≥ 25°. Kepadatan dislokasi, yang diidentifikasi melalui analisis sudut ikatan (Gambar 11), meningkat tajam dengan sudut, yang menunjukkan bahwa sudut impact besar memperparah deformasi plastis dan akumulasi cacat.
Gambar 10. Bidang pindahan atom untuk sudut impact 0°–45°.
Gambar 11. Peta garis dislokasi untuk sudut impact 0°–45°.
Penilaian Koefisien Gesekan
Koefisien gesekan yang dihitung (rasio gaya tangensial terhadap gaya normal) tetap besar secara tidak berubah di semua sudut impact (Gambar 13). Ini menunjukkan bahwa adhesi permukaan dan penguncian atom mendominasi perilaku gesekan, daripada geometri pemotongan makroskopis.
Gambar 13. Tren koefisien gesekan untuk berbagai sudut impact.
Kesimpulan
Simulasi MD mengonfirmasi bahwa sudut impact adalah faktor menentukan dalam pemotongan skala nano AFP. Sudut antara 0° dan 15° menghasilkan gaya pemotongan yang modest, aktivitas dislokasi yang terbatas, dan integritas permukaan yang unggul. Sudut yang lebih besar memperparah kerusakan jaringan, meningkatkan kepadatan cacat dan mengkompromikan performa material. Koefisien gesekan tidak sensitif terhadap sudut, yang menekankan dominansi adhesi atom atas faktor geometris. Sebagai hasilnya, mempertahankan sudut impact kecil direkomendasikan untuk mengoptimalkan kualitas permukaan dan meminimalkan cacat internal selama pemolesan aliran abrasif tembaga kristal tunggal.
