Pengaruh Fluida Pendingin pada Pengeluran Material dan Pembentukan Defek Subpermukaan dalam Pemotong Nano Tembaga Tunggal Kristal
Abstrak
Pengaruh media fluida pada pengeluran material dan evolusi defek subpermukaan dalam proses pemotong nano tembaga tunggal kristal diselidiki melalui simulasi dinamika molekuler. Dalam artikel ini, mekanisme pengeluran chip dan mekanisme pembentukan permukaan yang diolah diselidiki dengan menganalisis migrasi atom dan evolusi dislokasi workpiece selama proses pemotong nano dengan menggunakan media air. Distribusi suhu dan transformasi struktur kristal defek subpermukaan diselidiki, yang dianalisis dengan metode parameter sentrisimetri dan analisis tetangga umum. Hasilnya menunjukkan bahwa material workpiece dieluarkan oleh tindakan geseran tekanan alat pemotong. Pelumasan media air dapat mengurangi gaya pemotong dan menurunkan tinggi chip pemotong. Khususnya, tindakan pendinginan media fluida menghasilkan pembentukan defek khas "mirip batas biji" di subpermukaan workpiece. Dan suhu workpiece menuruni secara signifikan selama proses pemotong nano dengan menggunakan media fluida.
Latar Belakang
Pemotong batu permata luas dianggap sebagai teknik efektif untuk menghasilkan permukaan terstruktur nano dengan akurasi dimensi submikron dan finishing permukaan nanometrik [1]. Mekanisme pengeluran material dan pembentukan permukaan yang diolah pada skala nano sangat penting untuk peningkatan akurasi pemotongan dalam proses pemotong nano metrik. Dalam studi awal, peneliti berfokus pada deformasi material [2,3,4], evolusi defek permukaan [5,6,7], stres sisih [8, 9], dan transisi fasa kristal [10, 11] selama proses pemotong nano di dalam ruang vakum. Namun, dalam pemotongan nyata material logam, peran fluida pendingin dan pelumas sangat krusial untuk meningkatkan performa pemesinan [12]. Oleh karena itu, perlu untuk mempelajari pengaruh media fluida pada mekanisme pengeluran material dan evolusi defek subpermukaan dalam proses pemotong nano.
Dalam beberapa tahun terakhir, mekanisme pemesinan proses pemotong nano luas diselidiki melalui simulasi dinamika molekuler (MD) yang terbukti menjadi metode efektif untuk mempelajari proses pemotong nano metrik. Sebagai contoh, pengaruh pemulihan dan aliran sisi pada pembentukan permukaan, dan transisi fasa dalam pemotong nano, diselidiki oleh Fang [13]. Dan ditemukan bahwa penindasan aliran sisi adalah cara efektif untuk meningkatkan keasahan permukaan yang dihasilkan dalam pemotong nano. Urbassek [14] mengadopsi simulasi MD untuk mempelajari geroskan logam nano kristal dan menemukan bahwa orientasi biji menghasilkan efek dominan pada bentuk tumpukan dan juga mempengaruhi koefisien gesek secara kuat. Sharma [15] menyelidiki efek enam orientasi kristal yang berbeda pada mekanisme deformasi material, defek subpermukaan, gaya pemotong, energi pemotong spesifik, efek arung, dan keasahan permukaan dalam pemotongan skala nano. Luo [16] menunjukkan transferabilitas bentuk dengan menggunakan alat pemotong batu permata multi-tip nano dalam pemutaran batu permata untuk manufaktur berskala-up struktur nano.
Pembentukan defek subpermukaan dan keasahan permukaan komponen nano dapat dicegah dengan pemilihan parameter pemotong yang wajar, seperti arah pemotong, kedalaman pemotong, kecepatan pemotong, dan geometri alat. Namun, ini tidak berhasil dalam mencegah pembentukan defek permukaan dan meningkatkan kualitas permukaan dari mekanisme pembentukan. Selain itu, penelitian ini berfokus pada proses pemotong nano di dalam ruang vakum. Sebenarnya, dalam pemotongan nanometer, atmosfer dan fluida pendingin ada antara alat dan workpiece, yang dapat mempengaruhi mekanisme pemotong nano dan kualitas permukaan struktur nano.
Berdasarkan pertimbangan di atas, banyak pakar melakukan penelitian pada proses pemesinan nano dengan menggunakan media fluida. Sebagai contoh, Mylvaganam [17] mengeksplorasi efek O2 pada nano-indentasi silikon kubik diamond menggunakan simulasi MD dan menemukan bahwa molekul O2 terurai menjadi atom oksigen dan membentuk ikatan kimia dengan atom silikon. Rentsch [18] menemukan bahwa fluida pemotong memberikan efek besar pada distribusi stres dan suhu dan menegaskan bahwa fluida pemotong dapat mengurangi aus alat. Liu [19] mempelajari pengaruh molekul atmosfer pada kualitas permukaan dan aus alat dalam pemotong nano. Hasilnya menunjukkan bahwa gaya pemotong menurun dan aus alat berkurang karena pelumasan molekul atmosfer. Singh [20] meneliti pengaruh fluida pemotong nanopartikel pada proses pengeluran logam. Wang [21] membahas efek molekul air pada perilaku tribologi dan pengukuran properti dalam proses nano-indentasi dan menemukan bahwa partisipasi molekul air membuat gaya indentasi awal meningkat dan gaya indentasi terbesar berkurang. Chavoshi [22] mempelajari nano-geroskan suhu tinggi silikon tunggal kristal di bawah kondisi oksigen tereduksi, dan tidak ada sisa fasa silikon tekanan tinggi yang diamati dalam simulasi.
Dari literatur yang tersedia, penelitian sebelumnya tentang proses pemotong nano menggunakan media fluida didasarkan pada model simulasi beberapa molekul atau nanopartikel, yang terletak di area antarmuka alat-chip. Namun, tidak ada media fluena yang ditambahkan di area lain, dan pelumasan media fluena dianalisis secara terbatas. Debido kekurangan media fluena dalam model, tindakan pendinginan media fluena tidak mempengaruhi proses pemotong nano, sementara tindakan pendinginan media fluena sama pentingnya dengan tindakan pelumasan pada akurasi pemesinan dan kualitas permukaan.
Oleh karena itu, dalam artikel ini, alat pemotong dan workpiece sepenuhnya dikelilingi oleh media fluida pemotong yang tidak hanya ada di area aksi antarmuka alat-chip tetapi juga ada di area permukaan workpiece, permukaan yang diolah, dan area belakang alat. Dengan demikian, pelumasan yang memadai media fluida antara alat pemotong dan workpiece dapat diselidiki. Selain itu, media fluida diatur pada suhu konstan selama proses pemotong nano, dan tindakan pendinginan media fluida juga dapat dipelajari dengan baik. Fluida pemotong berbasis air luas digunakan dalam proses pemesinan ultra presisi, yang tidak hanya berisi air, tetapi juga minyak dasar larut, minyak ricin, triethanol asam, asam borat, tensida, polietilena glikol, dan fosfat natrium. Namun, konstituen utama fluida pemotong adalah media air, dan fraksi massa air dalam fluida pemotong mencapai sekitar 70%. Karena kesulitan dalam membangun model MD semua zat lain, dan parameter potensial tidak diketahui, studi pada pemotong nano dengan menggunakan fluida pemotong berbasis air tidak dapat dilakukan oleh metode komputasi simulasi dinamis molekuler. Oleh karena itu, media air, yang merupakan komponen utama fluida pemotong, diadopsi dalam penelitian ini untuk mengganti fluida pemotong berbasis air selama simulasi proses pemotong nano. Berdasarkan model MD yang dirintis, proses pemotong nano dilakukan untuk mempelajari efek media air pada pengeluran material dan mekanisme pembentukan defek subpermukaan. Evolusi defek subpermukaan, variasi gaya pemotong, distribusi suhu workpiece, dan transformasi kristal defek subpermukaan diselidiki dengan menggunakan metode parameter sentrisimetri (CSP), analisis tetangga umum (CNA), dan algoritma ekstraksi dislokasi (DXA).
Metode
Model Simulasi
Untuk menyelidiki efek media fluida pada pengeluran material dan evolusi defek subpermukaan dalam pemotong nano, model MD dengan dan tanpa media air dirintis, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1. Dalam model, molekul air dibangun sesuai dengan model TIP4P [23,24,25]. Gaya kekuatan CHARMM dan fungsi potensial Lennard-Jones (L-J) digunakan untuk menghitung pergerakan molekul air secara akurat. Ini dapat menganalisis secara komprehensif efek energi potensial nonikatan, energi potensial peregangan ikatan, energi potensial benturan sudut ikatan, dan getaran molekuler, yang membuat simulasi molekul air lebih akurat. Material workpiece adalah tembaga tunggal kristal, dan alat pemesinan adalah bahan batu permata. Ini mengandung 62835 molekul air, 368208 atom Cu, dan 2452 atom C. Workpiece dibagi menjadi tiga bagian, yaitu lapisan Newton, lapisan suhu, dan lapisan batas. Untuk mengurangi efek ukuran, kondisi batas periodik (PBC) diadopsi pada [001] dan [010]. Untuk menjaga tekanan dan densitas media air, dinding refleksi digunakan di kedua sisi arah [001]. Dalam proses pemesinan sebenarnya, pendingin membawa sebagian besar panas pemotong, jadi lingkungan air diatur pada suhu konstan 300 K dalam pekerjaan ini. Model simulasi MD dengan lingkungan vakum ditunjukkan dalam Gambar 1b, di mana kondisi simulasi awal serupa dengan model lingkungan fluida. Pengaturan berbeda antara dua model adalah pengaturan terkait media air. Parameter pemotong rinci ditunjukkan dalam Tabel 1.
Model simulasi MD dalam pemotong nano. a Penggunaan media air. b Penggunaan lingkungan vakum
Fungsi Potensial Antar Atom
Dalam simulasi MD, fungsi potensial memainkan peran penting dalam hasil simulasi. Properti material secara dasar dikontrol oleh interaksi antara atom. Dalam penelitian ini, model dibagi menjadi tiga bagian yaitu workpiece, alat pemotong, dan media air, dan mengandung empat jenis atom, yaitu atom Cu, C, H, dan O. Interaksi antara atom yang berbeda dihitung dengan potensial Morse, potensial metode atom tertanam (EAM), potensial Lennard-Jones (L-J), dan potensial Tersoff. Pengantar rinci fungsi potensial yang dipilih antara atom yang berbeda ditunjukkan dalam Tabel 2.
Potensial Morse
Interaksi antara atom Cu dalam workpiece dan atom C dalam alat pemotong dihitung dengan potensial Morse yang ditunjukkan sebagai Eq. (1) [26].
di mana \( r_0 \), \( \alpha \), dan \( D \), masing-masing, adalah jarak atom, modulus elastisitas, dan energi ikatan. Nilai \( r_0 \), \( \alpha \), dan \( D \) ditunjukkan dalam Tabel 3.
Potensial EAM
Fungsi interatomik antara atom Cu dalam workpiece dijelaskan dengan potensial EAM yang ditunjukkan sebagai Eqs. (2) dan (3) [27, 28].
\( E = \sum_i^N [F(\rho_i) + \sum_{j>i}^N u(r_{ij})] \) (2)
\( \rho_i = \sum_j f(r_{ij}) \) (3)
Potensial Lennard-Jones
Fungsi potensial Lennard-Jones adalah potensial ganda, yang mencakup interaksi gaya Coulomb jarak jauh dan gaya van der Waals jarak dekat antara atom. Potensial L-J sering digunakan untuk mensimulasikan materi cair. Dalam artikel ini, potensial Lennard-Jones digunakan untuk menghitung interaksi antara molekul air dan atom lain, yang ditunjukkan sebagai Eq. (4) [29].
di mana \( \sigma \) adalah jarak seimbang ketika energi potensial interaksi sama dengan nol dan \( \varepsilon \) adalah kedalaman jebakan energi potensial.
Untuk materi yang berbeda, \( \sigma \) dan \( \varepsilon \) dapat dihitung dengan Eqs. (5) dan (6) [29].
di mana \( f_c(r_{ij}) \) adalah fungsi pemotongan antara atom, \( V_A(r_{ij}) \) adalah potensial ganda dari istilah serapan, \( V_R(r_{ij}) \) adalah potensial ganda dari istilah tolakan, dan \( r_{ij} \) adalah jarak atom antara atom i dan atom j.
Metode Analisis Defek
Dalam pemotong nano tembaga tunggal kristal, deformasi dan dislokasi terbentuk di subpermukaan workpiece. Dalam artikel ini, parameter sentrisimetri (CSP) diperkenalkan untuk menganalisis pembentukan dislokasi dan evolusi defek workpiece. Untuk materi face center cubic (FCC), nilai CSP dapat dihitung dengan Eq. (9) [31].
\( CSP = \sum_{i=1}^6 |R_i + R_{i+6}|^2 \) (9)
di mana \( R_i \) adalah atom tetangga dengan jarak yang sama dan \( R_{i+6} \) adalah atom tetangga dengan arah berlawanan. Nilai CSP untuk kristal FCC, dislokasi parsial, kesimpulan tumpukan, dan atom permukaan adalah 0, 2.1, 8.3, dan 24.9, masing-masing [32]. Rentang nilai CSP untuk struktur kristal tipis dan pewarnaan atom ditunjukkan dalam Tabel 5.
Metode CSP mampu mengidentifikasi konfigurasi atom, tetapi tidak dapat mengenali status struktur kristal lokal workpiece. Oleh karena itu, analisis tetangga umum (CNA) diperkenalkan untuk mengidentifikasi struktur kristal lokal workpiece. Dalam metode CNA asli yang diajukan oleh Honeycutt [33], berbagai struktur direpresentasikan dengan diagram. Saat ini, itu telah ditingkatkan untuk mengidentifikasi dengan cepat lima jenis struktur dalam perangkat lunak OVITO [34, 35], yaitu face center cubic (FCC), close-packed hexagonal (HCP), body centered cubic (BCC), icosohedral (ICO), dan tidak diketahui. Dalam artikel ini, algoritma ekstraksi dislokasi (DXA) [36] juga diperkenalkan untuk menganalisis evolusi defek dislokasi. Dengan metode DXA, struktur kristal yang berbeda dalam workpiece akan ditandai dengan warna yang berbeda dan defek dislokasi dalam workpiece akan direpresentasikan dengan garis berwarna yang berbeda.
Hasil dan Pembahasan
Evolusi Defek Subpermukaan dalam Proses Pemotong Nano dengan Media Air
Tampang potong sistem pemotong ditunjukkan dalam Gambar 2, yang berisi alat pemotong, workpiece, dan media air selama proses pemotong nano. Untuk secara jelas menangkap deformasi plastik workpiece, metode CSP digunakan untuk menganalisis hasil. Tangkapan layar diwarnai berdasarkan nilai CSP sebagian seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2, di mana Gambar 2a adalah pada jarak pemotong 5 nm dan Gambar 2b adalah pada jarak pemotong 15 nm. Terlihat bahwa lapisan film air padat terbentuk pada permukaan tembaga tunggal kristal yang ditunjukkan sebagai "film monomolekuler air" dalam Gambar 2a. Film air menyebar di seluruh permukaan alat pemotong dan workpiece, di mana atom oksigen menempati pusat jaring kristal tembaga tunggal. Pengaturan teratur molekul air adalah hasil dari tindakan gabungan gaya Coulomb jarak jauh dan gaya van der Waals antara molekul air dan atom tembaga.
Tampang potong sistem pemotong dengan media air dalam proses pemotong nano (warna online). a Jarak pemotong l = 5nm. b Jarak pemotong l = 15nm
Dalam proses pemotong nano, deformasi geseran timbul dari tindakan geseran tekanan awal alat pemotong dan disimpan dalam kristal yang terbentuk sebagai energi regangan. Ketika akuisisi energi regangan mencapai tingkat tertentu, energi regangan dilepaskan. Dan kemudian, jaring tembaga tunggal kristal ditata ulang, yang menyebabkan pembentukan dan perpanjangan dislokasi sepanjang arah \( [1\overline{1}0] \), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a. Terlihat dari Gambar 2a bahwa film monomolekuler air terbentuk pada permukaan workpiece. Selain itu, molekul air menembus ke subpermukaan workpiece di area aksi antarmuka alat-chip, yang ditunjukkan sebagai ilustrasi kanan atas dalam Gambar 2a. Karena tindakan pelumasan molekul air yang ada antara alat pemotong dan workpiece, tindakan geseran tekanan alat pemotong diattenuasi. Dan akuisisi energi regangan berkurang dan dislokasi tidak memanjang cukup. Selain itu, media air membawa banyak panas pemotong, dan energi perluasan dislokasi yang terbentuk tidak mencukupi. Oleh karena itu, perluasan dislokasi tidak mencukupi dan garis dislokasi di subpermukaan workpiece tidak terlihat jelas, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a.
Seiring alat pemotong bergerak maju, workpiece mengalami tindakan tekanan dan gesekan yang dihasilkan oleh bidang flank alat pemotong. Di bawah tindakan tekanan dan gesekan alat pemotong, sejumlah besar dislokasi terbentuk dan memanjang di subpermukaan workpiece. Sebagian dari dislokasi ini bergerak ke atas sepanjang bidang rake dan akhirnya dieluarkan sebagai chip pemotong, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b. Sebagian lain dari dislokasi ini bergerak ke bawah sepanjang bidang rake alat pemotong dan ditransformasi menjadi permukaan yang diolah yang kasar setelah tindakan gesekan tekanan bidang flank alat pemotong, yang ditunjukkan dalam Gambar 2b sebagai "pengaturan air pada permukaan yang diolah." Bagian lain dari dislokasi bergerak ke dalam sepanjang bidang geseran \( [\overline{1}\overline{1}0] \) dan \( [1\overline{1}0] \) dan menghilang di dalam workpiece, yang mengakibatkan pembentukan dislokasi screw, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b. Karena tinggi chip meningkat secara bertahap, molekul air di depan chip tidak dapat mengalir di atas chip ke belakang alat pemotong di periode akhir proses pemotong. Dan densitas dan tekanan media air di belakang alat pemotong menurun secara cepat, yang mengakibatkan panas pemotong tidak dibawa perhatian secara tepat waktu selama proses pemotong nano. Oleh karena itu, dislokasi yang terbentuk memiliki energi yang cukup untuk memanjang di dalam workpiece, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b.
Untuk menguraikan deformasi dislokasi yang mendasari dan struktur kristal atom lokal tembaga tunggal kristal selama proses pemotong nano, metode analisis CSP dan DXA diperkenalkan. Hasil analisis ditunjukkan seperti dalam Gambar 3, 4, 5, dan 6, di mana Gambar 3 dan 4 dirender sesuai dengan nilai CSP dan Gambar 5 dan 6 diwarnai berdasarkan hasil analisis DXA.
Distribusi defek subpermukaan workpiece dengan media air dalam proses pemotong nano. Jarak pemotong a, b, c, dan d adalah 5 nm, 8 nm, 12 nm, dan 15 nm, masing-masing.
Distribusi defek subpermukaan workpiece selama proses pemotong nano di lingkungan vakum. Jarak pemotong a, b, c, dan d adalah 5 nm, 8 nm, 12 nm, dan 15 nm, masing-masing.
Gambar DXA workpiece di tahap awal pemotong nano. Dislokasi diwarnai berdasarkan skema berikut: biru tua untuk dislokasi sempurna, hijau untuk dislokasi Shockley, pink untuk dislokasi Stair-rod, kuning untuk dislokasi Hirth, biru muda untuk dislokasi Frank, dan merah untuk dislokasi tidak dikenal. Jarak pemotong a, b, c, dan d adalah 7 nm, 8 nm, 9 nm, dan 10 nm, masing-masing
Gambar DXA workpiece di periode akhir pemotong nano. Skema pewarnaan dislokasi sama dengan Gambar 5. Jarak pemotong a, b, c, dan d adalah 17 nm, 18 nm, 19 nm, dan 20 nm, masing-masing
Distribusi defek subpermukaan workpiece dalam proses pemotong nano dengan media air ditunjukkan dalam Gambar 3, di mana media air tidak ditampilkan untuk mengamati evolusi defek dislokasi dengan lebih jelas. Area kuning, hijau, merah, dan oranye mewakili atom permukaan, atom defek permukaan, atom dislokasi, dan atom defek subpermukaan, masing-masing. Distribusi dan perluasan dislokasi workpiece dalam proses pemotong tanpa media air ditunjukkan sebagai Gambar 4. Terlihat dari kedua gambar bahwa dislokasi yang terbentuk bermigrasi sepanjang vektor geseran \( [\overline{1}10] \) selama proses pemotong nano dengan media air, tetapi memanjang sepanjang vektor geseran \( [\overline{1}\overline{1}0] \) dalam pemotong nano di bawah media vakum. Seperti yang diketahui, tindakan geseran alat pemotong membuat dislokasi memanjang ke arah melawan gerakan alat maju, yaitu vektor geseran \( [\overline{1}10] \). Tindakan gesekan alat pemotong menyebabkan dislokasi bermigrasi ke arah ortokinetik gerakan alat, yaitu vektor geseran \( [\overline{1}\overline{1}0] \). Selama proses pemotong nano di lingkungan vakum, tindakan alat pemotong pada workpiece adalah tindakan geseran bidang rake dan tindakan gesekan bidang flank, sementara pembentukan permukaan yang diolah dan defek subpermukaan dipicu oleh tindakan gesekan bidang flank. Oleh karena itu, perluasan dislokasi menyebar sepanjang vektor geseran \( [\overline{1}\overline{1}0] \) selama proses pemotong nano di vakum. Karena pelumasan molekul air yang ada antara alat dan workpiece, tindakan gesekan alat pemotong berkurang. Dengan demikian, tindakan geseran memainkan peran penting dalam pembentukan permukaan yang diolah dan defek subpermukaan. Oleh karena itu, dislokasi terutama memanjang sepanjang vektor geseran \( [\overline{1}10] \) dalam pemotong nano dengan media air.
Dari Gambar 3 dan 4, ditemukan bahwa skala defek subpermukaan dalam media air lebih besar daripada dalam vakum selama proses pemotong nano. Sebenarnya, defek dislokasi menyebar di seluruh area yang diolah dan memanjang ke dalam workpiece. Panas pemotong dibawa oleh media air, dan energi atom defek berkurang. Oleh karena itu, defek subpermukaan tidak memiliki energi yang cukup untuk dianihilasi. Dengan demikian, sisa defek dislokasi meningkat. Kedalaman lapisan defek subpermukaan relatif lebih tinggi untuk proses pemotong nano dengan media air. Karena interaksi antara molekul air, atom karbon, dan atom tembaga, gesekan tekanan antara alat pemotong dan workpiece diattenuasi dan gangguan atom permukaan yang diolah memburuk dalam proses pembentukan permukaan yang diolah. Selain itu, sisa defek di subpermukaan memburuk dan stres sisih subpermukaan meningkat.
Untuk lebih baik mengungkap efek media air pada proses evolusi defek dislokasi, metode DXA digunakan untuk menganalisis workpiece dalam proses pemotong nano dengan media air, di mana tahap awal dan periode akhir ditunjukkan sebagai Gambar 5 dan 6, masing-masing. Defek kristal stabil ditemukan ada dalam beberapa lapisan atom di bawah permukaan yang diolah di tahap awal proses pemotong nano, yang terletak antara dua kesimpulan tumpukan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5d. Keberadaan defek kristal akan mempengaruhi kualitas permukaan yang diolah dan bahkan dapat mengakibatkan terjadinya mikroretakan pada permukaan yang diolah. Oleh karena itu, proses pembentukan defek diselidiki. Terlihat dari Gambar 5a bahwa banyak dislokasi parsial Shockley terbentuk di bawah tindakan gesekan bidang flank alat pemotong dalam saat awal pembentukan defek. Dislokasi Shockley ini berevolusi menjadi lingkaran dislokasi berupa V selama alat pemotong maju, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5b. Selanjutnya, dislokasi berupa V secara bertahap berevolusi menjadi serangkaian dislokasi parsial Shockley. Akhirnya, dislokasi parsial ditransformasi menjadi defek sisih di subpermukaan. Karena panas pemotong dibawa oleh media air, atom defek memiliki terlalu sedikit energi untuk dianihilasi dan ditransformasi menjadi defek tidak bergerak di bawah permukaan yang diolah. Keasahan permukaan yang diolah akan meningkat, dan stres sisih di subpermukaan akan menyebabkan penurunan yang lebih buruk. Selain itu, mikroretakan permukaan dapat diinduksi oleh defek.
Efek media air pada tindakan geser geseran alat pemotong selama proses pengeluran chip diselidiki dengan metode DXA, yang ditunjukkan sebagai Gambar 6. Terlihat dari Gambar 6a bahwa sejumlah besar dislokasi parsial Shockley terbentuk di depan alat pemotong. Dan bidang geser geserannya dibentuk oleh dislokasi ini. Dalam proses pemotong berikutnya, serangkaian kesimpulan tumpukan dan dislokasi parsial terbentuk dan diperpanjang pada bidang geser geser. Di bawah pembentukan dan gerakan dislokasi di depan alat pemotong, chip pemotong dieluarkan secara bertahap sepanjang bidang geser geser, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6c. Sementara itu, efek gesekan tekanan bidang rake alat diattenuasi karena tindakan pelumasan media air. Pembentukan dan propagasi dislokasi tidak mencukupi dan sisa defek subpermukaan tidak jelas selama proses pemotong nano, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6a–d. Dengan demikian, tindakan geseran alat pemotong pada workpiece menjadi lebih signifikan. Oleh karena itu, chip yang terbentuk lebih mudah dieluarkan dengan partisipasi media air dalam proses pemotong nano. Dan gaya pemutaran utama akan berkurang bersamaan, yang akan dibahas secara rinci lebih lanjut dalam artikel ini.
Efek Media Air pada Variasi Gaya Pemotong dan Panas Pemotong
Dalam proses pemotong, pengeluran material direalisasikan oleh tindakan tekanan dan geseran alat pemotong. Karena kekuatan, kekakuan, dan ketahanan materi logam, bidang rake alat pemotong mengalami gaya reaksi yang dihasilkan oleh resistensi deformasi materi workpiece selama proses pengeluran material. Dan bidang flank alat terpengaruh oleh resistensi gesekan permukaan yang diolah. Gaya-gaya ini bersama-sama menyusun gaya pemotong. Sinkronisasi, pekerjaan yang dilakukan oleh deformasi geseran chip pemotong serta tindakan gesekan antara alat pemotong dan workpiece dikonversi menjadi panas pemotong yang mengakibatkan kenaikan suhu workpiece. Sertai dengan akuisisi dan pelepasan energi regangan material, pembentukan dan perluasan dislokasi terjadi pada lapisan subpermukaan workpiece, yang menginduksi fluktuasi gaya pemotong dan panas pemotong dengan jarak pemotong.
Dalam penelitian ini, partisipasi media air memberikan pengaruh besar pada variasi gaya pemotong dan panas pemotong. Kurva variasi gaya pemotong dengan jarak pemotong dalam proses pemotong nano dengan dan tanpa penggunaan media air ditunjukkan sebagai Gambar 7 dan 8, di mana kurva hitam, merah, dan biru, masing-masing, adalah gaya pemakan (Fx), gaya balik (Fy), dan gaya spesial (Fz). Karena PBC diadopsi di arah Z dan alat batu permata adalah kolumner di arah Z dalam simulasi, gaya spesial rata-rata (Fz) berada pada tingkat 0 nN baik dalam Gambar 7 maupun 8.
Kurva variasi gaya pemotong dalam pemotong nano dengan lingkungan vakum
Kurva variasi gaya pemotong dalam pemotong nano dengan media air
Proses pemotong dibagi menjadi tahap pemotong awal dan tahap pemotong stabil seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7. Dalam tahap pemotong awal, gaya pemakan dan gaya balik meningkat tajam dalam garis lurus. Dan mereka mencapai nilai maksimum mereka ketika alat pemotong memotong ke dalam workpiece sepenuhnya. Dalam tahap pemotong stabil, gaya pemotong fluktuasi naik dan turun di posisi seimbang mereka, dan gaya pemakan mencapai lebih dari 200 nN dan gaya pemotong rata-rata sekitar 180 nN. Gaya balik sangat kecil dan menurun secara bertahap di akhir tahap pemotong stabil. Nilai maksimum gaya balik di bawah 100 nN, dan nilai rata-rata sekitar 50 nN. Secara umum, nilai spesifik antara gaya balik rata-rata dan gaya pemakan rata-rata (Fy/Fx) mewakili koefisien gesekan antara materi alat dan materi workpiece dalam proses pemesinan. Dalam penelitian ini, koefisien gesekan antara batu permata dan tembaga tunggal kristal adalah 0,278 di bawah lingkungan vakum.
Gaya pemakan dan gaya balik berkurang dalam pemotong nano dengan media air dibandingkan lingkungan vakum, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8. Gaya pemakan maksimum mencapai 150 nN, dan gaya pemakan rata-rata fluktuasi pada 120 nN. Kecenderungan variasi gaya balik mirip dengan gaya balik di lingkungan vakum, dan gaya rata-rata sekitar 25 nN. Dalam proses pemotong nano dengan penggunaan media air, koefisien gesekan antara alat pemotong dan workpiece berkurang karena pelumasan air. Dan kemudian resistensi gesekan yang dialami oleh bidang flank alat pemotong berkurang, yang secara efektif meningkatkan tindakan geser tekanan bidang rake alat pemotong. Pengeluran materi workpiece lebih mudah dieluarkan. Oleh karena itu, gaya pemotong berkurang. Terlihat dari analisis sebelumnya bahwa molekul air bertindak sebagai pelumas untuk mencegah gesekan antara alat pemotong dan workpiece. Oleh karena itu, nilai gaya pemakan dan gaya balik berkurang dalam media air. Nilai spesifik antara gaya pemakan dan gaya balik adalah 0,208. Dengan kata lain, koefisien gesekan antara batu permata dan tembaga dalam media air adalah 0,208, jauh lebih rendah dibandingkan lingkungan vakum (0,278).
Dibandingkan dengan fluktuasi Fy dalam Gambar 7 dan 8, ditunjukkan bahwa komponen Fy menurun secara signifikan setelah 15 nm jarak pemotong dalam kedua kasus dengan vakum dan media air sementara nilai Fx hampir stabil hingga 20 nm jarak pemotong. Kesetimbangan dinamis antara pembentukan dan anihilasi dislokasi tercapai, dan chip dieluarkan secara stabil dalam proses pemotong nano, yang mengakibatkan gaya pemotong hampir stabil dengan jarak pemotong sebelum 20 nm. Ketika proses pemotong dilakukan pada jarak tertentu (15 nm dalam penelitian ini), kesetimbangan dinamis antara pembentukan dislokasi baru dan anihilasi dislokasi sebelumnya terbentuk. Dan skala defek internal workpiece stabil pada tingkat tertentu. Pembentukan dan anihilasi dislokasi memberikan efek pada alat pemotong di arah +Y, yang mengakibatkan penurunan komponen Fy. Selain itu, chip pemotong yang stabil dieluarkan setelah 15 nm jarak pemotong, dan gaya yang diberikan pada alat pemotong dari chip berkurang di arah Y. Dengan demikian, nilai Fy berkurang. Namun, ketika jarak pemotong lebih besar dari 15 nm hingga 20 nm, gerakan defek dislokasi dan pengeluran chip tidak dapat membawa pengaruh yang berbeda pada alat pemotong di arah X. Oleh karena itu, nilai gaya pemotong utama (Fx) hampir stabil.
Distribusi suhu workpiece selama proses pemotong nano dengan dan tanpa penggunaan media air ditunjukkan sebagai Gambar 9. Jarak pemotong Gambar 9a dan b dan Gambar 9c dan d adalah 5 nm dan 12 nm, masing-masing. Terlihat dari Gambar 9b dan d bahwa suhu workpiece didistribusikan sebagai gradien konsentrik. Suhu tertinggi menyebar di seluruh zona geser geser dan zona gesekan workpiece di lingkungan vakum, yang di atas 420 K. Suhu chip dan permukaan yang diolah lebih tinggi dari daerah lain, yang berkisar dari 360 hingga 390 K. Untuk seluruh workpiece, suhu berada pada tingkat tinggi, yang berkisar dari 340 hingga 360 K. Dari Gambar 9a dan c, suhu workpiece juga didistribusikan sebagai gradien konsentrik dan suhu tertinggi didistribusikan di area atas chip, yang sekitar 370 K. Nilai suhu seluruh workpiece berada pada tingkat lebih rendah yang di bawah 320 K. Suhu zona geser geser, zona gesekan, dan permukaan yang diolah lebih tinggi dari daerah lain, yang berkisar dari 320 hingga 340 K.
Distribusi suhu workpiece dalam pemotong nano. a dan c adalah dalam media air, b dan d adalah di lingkungan vakum
Area suhu tertinggi workpiece dipindahkan dari zona gesekan ke chip pemotong selama proses pemotong nano dengan media air seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9. Dan suhu tertinggi dan seluruh workpiece berkurang secara signifikan dengan penggunaan tambahan media air, dan penurunan suhu mencapai sekitar 40–60 K. Karena efek pelumasan molekul air, gesekan antara alat pemotong dan permukaan yang diolah berkurang selama proses pemotong nano dengan media air. Oleh karena itu, suhu zona gesekan menurun secara dramatis. Sementara itu, deformasi geser maksimum terjadi di area chip dan energi deformasi jaring maksimum disimpan dalam chip, yang membuat suhu chip lebih tinggi dari zona gesekan. Oleh karena itu, area suhu tertinggi dipindahkan dari zona gesekan ke chip pemotong. Sinkronisasi, sejumlah besar panas pemotong dibawa oleh media air yang berperan dalam pendinginan alat, workpiece, dan area pemotong. Dan gerakan termal molekul tembaga tunggal kristal melemah. Selain itu, energi kinetik gerakan termal atom dan energi deformasi jaring berkurang secara signifikan. Oleh karena itu, suhu keseluruhan dan suhu tertinggi workpiece berkurang, tingkat penurunan mencapai 40–60 K. Akhirnya, stres termal dan deformasi termal workpiece berkurang secara signifikan. Karena partisipasi media air, tindakan gesekan antara bidang flank alat pemotong dan workpiece melemah dalam proses pemotong. Kemudian, pembentukan panas oleh gesekan antara alat pemotong dan workpiece berkurang. Dengan demikian, area suhu tertinggi workpiece dipindahkan dari zona gesekan bidang flank ke area chip. Yang lebih penting, efek pendinginan dan pelumasan media air akan mempengaruhi pembentukan, perluasan, dan anihilasi dislokasi di subpermukaan workpiece dan pada akhirnya mempengaruhi pembentukan dan evolusi lapisan kerusakan subpermukaan workpiece.
Efek Media Air pada Transformasi Struktural Defek Subpermukaan
Untuk secara jelas mengidentifikasi defek subpermukaan workpiece dalam pemotong nano, metode CNA digunakan untuk menganalisis workpiece setelah pemotong nano. Workpiece diwarnai oleh struktur atom yang berbeda. Distribusi struktural defek workpiece selama proses pemotong nano dengan dan tanpa penggunaan media air ditunjukkan sebagai Gambar 10 dan 11, di mana hijau, merah, biru, dan abu-abu masing-masing mewakili struktur FCC, HCP, BCC, dan tidak diketahui.
Evolusi defek subpermukaan workpiece dalam pemotong nano tanpa media air. Area hijau, merah, biru, dan abu-abu masing-masing mewakili struktur FCC, HCP, BCC, dan tidak diketahui. Jarak pemotong a, b, c, dan d adalah 1 nm, 3 nm, 8 nm, dan 15 nm, masing-masing
Distribusi defek permukaan dan subpermukaan dalam pemotong nano untuk workpiece dengan media air. Area hijau, merah, biru, dan abu-abu masing-masing mewakili struktur FCC, HCP, BCC, dan tidak diketahui. Jarak pemotong a, b, c, d, e, dan f adalah 3 nm, 8 nm, 12 nm, 15 nm, 18nm, dan 20nm masing-masing
Dalam proses pemotong nano di lingkungan vakum, pembentukan dislokasi terjadi di subpermukaan workpiece di bawah tindakan tekanan dan geseran alat pemotong, dan struktur kristal ditransformasi menjadi BCC, yang ditunjukkan sebagai Gambar 10a. Dislokasi yang terbentuk diperpanjang ke arah \( [\overline{1}\overline{1}0] \), dan struktur kristal ditransformasi menjadi HCP. Struktur kristal banyak atom di zona geser geser menjadi BCC, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10b. Dua dislokasi parsial diperpanjang ke arah \( [\overline{1}\overline{1}0] \) dan \( [1\overline{1}0] \), saling menghalangi, dan terdiri dari kunci dislokasi Lomer-Cottrell. Akhirnya, lingkaran dislokasi berupa V terbentuk, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10c. Sebagian atom di zona geser geser dipindahkan ke atas sepanjang bidang rake dan dieluarkan sebagai chip pemotong. Bagian lain dari atom bermigrasi ke bawah sepanjang bidang flank dan terbentuk menjadi permukaan yang diolah yang kasar oleh tekanan dan gesekan alat pemotong, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10d.
Distribusi dan evolusi defek subpermukaan workpiece dalam pemotong nano dengan penggunaan media air ditunjukkan sebagai Gambar 11. Terlihat dari gambar bahwa mekanisme pembentukan dislokasi dan transformasi struktur kristal mirip dengan proses pemotong di lingkungan vakum. Perbedaan utama adalah bahwa pembentukan dan perluasan dislokasi tidak mencukupi dalam proses pemotong nano media air. Selain itu, banyak kesimpulan tumpukan terbentuk di subpermukaan workpiece. Struktur kesimpulan tumpukan ditransformasi menjadi struktur HCP. Meskipun demikian, defek khas "mirip batas biji (SGB)" terbentuk di subpermukaan workpiece.
Dalam proses pemotong nano, di bawah tindakan tekanan, geser, dan gesekan oleh alat pemotong, deformasi intens workpiece dihasilkan. Banyak energi deformasi dan panas pemotong dihasilkan. Rekonfigurasi jaring atom subpermukaan dihasilkan oleh pelepasan panas pemotong dan energi regangan. Dan defek subpermukaan serta transformasi struktur kristal lokal terbentuk, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11a dan 11b. Ketika media air berpartisipasi dalam proses pemotong nano, sebagian besar panas dan energi dibawa pergi. Oleh karena itu, defek dislokasi memiliki energi yang tidak mencukupi untuk perluasan dan gerakan. Selain itu, kesimpulan tumpukan dianihilasi di subpermukaan workpiece di mana struktur defek kristal tertinggal, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11c, kemudian struktur defek kristal ini terhubung sebagai satu kesatuan dan terdiri dari lapisan kerusakan subpermukaan (SSD) bersama dengan dislokasi yang baru terbentuk, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11d. Setelah relaxasi MD berikutnya, beberapa defek dislokasi subpermukaan menghilang dan ditransformasi menjadi struktur FCC, dan struktur mirip "biji" terbentuk antara permukaan yang diolah dan lapisan defek subpermukaan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11e, sementara defek subpermukaan asli ditransformasi menjadi struktur khas "mirip batas biji (SGB)," seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11f. Pada struktur SGB, lingkaran dislokasi berupa V terbentuk, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11e, f.
Lapisan metamorfis jelas terbentuk oleh pengaruh pembentukan SGB dan struktur "biji" di subpermukaan workpiece. Selain itu, struktur kristal baru yang terbentuk yang mirip dengan materi polikristal dapat mempengaruhi performa mekanis dan dapat diprosesnya materi tunggal kristal. Selain itu, itu akan mempengaruhi bahkan performa komponen nano yang diolah.
Kesimpulan
Berdasarkan model MD yang dirintis dari tembaga tunggal kristal dengan dan tanpa penggunaan media air, simulasi proses pemotong nano dilakukan. Efek media fluida pada pengeluran material dan evolusi defek subpermukaan dianalisis. Evolusi defek subpermukaan, variasi gaya pemotong, distribusi suhu, dan transformasi struktur kristal defek subpermukaan workpiece diselidiki dengan menggunakan metode CSP, DXA, dan CNA. Hasil baru dapat diringkas sebagai berikut.
(1) Pengeluran material workpiece direalisasikan oleh tindakan geser tekanan alat pemotong pada workpiece; partisipasi media air tidak mempengaruhi mekanisme pengeluran material. Karena tindakan pelumasan molekul air yang ada antara alat pemotong dan workpiece, deformasi workpiece berkurang, gaya pemotong berkurang, dan tinggi chip pemotong serta kedalaman lapisan kerusakan subpermukaan menurun.
(2) Area suhu tertinggi dipindahkan dari zona gesekan ke chip pemotong selama proses pemotong nano dengan penggunaan tambahan media air. Dan suhu tertinggi dan seluruh workpiece berkurang secara signifikan, dan penurunan suhu mencapai sekitar 40–60 K. Dengan demikian, deformasi termal workpiece berkurang dan jumlah atom defek subpermukaan berkurang.
(3) Dalam lapisan subpermukaan workpiece, struktur kristal dislokasi yang terbentuk ditransformasi menjadi BCC, dan dislokasi yang diperpanjang ditransformasi menjadi HCP. Struktur kristal atom di zona geser geser menjadi BCC. Di bawah efek media fluida, defek subpermukaan ditransformasi menjadi struktur defek khas "mirip batas biji (SGB)" dalam lapisan SSD, yang dapat mempengaruhi performa mekanis dan dapat diprosesnya materi tunggal kristal. Selain itu, itu akan mempengaruhi bahkan performa komponen nano yang diolah.
