Menilai Cacat Subpermukaan Induksi Pemesinan: Dampak pada Dinamika Dislokasi dan Kinerja Mekanik melalui Nano-Indentasi

Abstrak

Cacat subpermukaan memiliki dampak signifikan pada presisi dan performa struktur nano. Dalam paper ini, simulasi dinamika molekuler nano-indentasi dilakukan untuk menyelidiki efek cacat subpermukaan induksi pemesinan pada evolusi dislokasi dan properti mekanik material, di mana model spesimen dengan cacat subpermukaan dibangun dengan nano-pengasetan yang sesuai dengan kenyataan. Mekanisme pembentukan cacat subpermukaan dan mekanisme interaksi antara cacat induksi mesin dan evolusi dislokasi dibahas. Kekerasan dan modulus elastis Young dari spesimen tembaga kristal tunggal dihitung. Hasil simulasi menunjukkan bahwa terdapat struktur cacat stabil yang tersisa di subpermukaan workpiece, seperti kluster atom, tetrahedra kesalahan tumpukan, dan dislokasi stair-rod. Pengolahan sekunder nano-indentasi dapat memulihkan cacat internal workpiece, tetapi kerusakan subpermukaan di area pengolahan sekunder semakin parah. Kekerasan nano-indentasi spesimen meningkat dengan pengenalan cacat subpermukaan, yang mengakibatkan pembentukan efek keras kerja. Keberadaan cacat subpermukaan dapat melemahkan kemampuan material untuk menahan deformasi elastis, di mana evolusi saling berkaitan antara dislokasi dan cacat subpermukaan memainkan peran penting.

Latar Belakang

Pembuatan ultra-presisi pada skala metrik nano banyak dianggap sebagai metode efektif untuk mendapatkan komponen nano dengan akurasi dimensi submicron dan kualitas permukaan skala nano [1]. Beberapa cacat subpermukaan stabil tersisa di dalam workpiece setelah pembuatan [2,3,4,5]. Cacat subpermukaan tidak hanya mempengaruhi akurasi pemrosesan dan kualitas permukaan, tetapi juga secara kritis mempengaruhi properti mekanik dan umur pakai komponen nano. Banyak studi tentang cacat subpermukaan telah dilakukan dengan metode dinamika molekuler (MD), terutama berfokus pada pembentukan dan evolusi cacat subpermukaan [6, 7], ketebalan lapisan cacat subpermukaan (SSD) [8, 9], dan pengaruh cacat subpermukaan pada integritas permukaan [10, 11]. Namun, efek cacat subpermukaan pada properti mekanik material workpiece kurang dipelajari. Properti mekanik struktur nano sangat penting untuk performa dan umur pakainya. Oleh karena itu, efek cacat subpermukaan pada properti mekanik material telah menjadi isu kunci yang harus diteliti.

Banyak penelitian telah dilakukan untuk membahas lapisan SSD dengan simulasi dinamika molekuler proses nano-pengasetan. Narayanan [12] mempelajari pembentukan tetrahedra kesalahan tumpukan (SFT) dalam tembaga kristal tunggal dan memperkenalkan mekanisme deformasi yang diinduksi SFT. Inamura [13] menjelajahi pembentukan chip dan deformasi geser material selama proses nano-pengasetan dan menunjukkan bahwa pembentukan chip terutama diinduksi oleh deformasi geser geslip. Pei [14] mempelajari efek parameter pemotongan pada evolusi dislokasi dan gaya pemotongan selama proses nano-pengasetan dan menemukan bahwa ketika workpiece lebih besar dari 40 nm, efek ukuran tidak signifikan. Dai [15] dan Liu [16] mengadopsi simulasi MD dan metode eksperimen masing-masing untuk mempelajari pengaruh struktur alat berlian dan efek ukuran pada evolusi cacat subpermukaan workpiece. Studi sebelumnya menunjukkan bahwa terdapat cacat subpermukaan stabil dalam workpiece setelah nano-pengasetan. Parameter pemotongan dan parameter geometri alat memiliki pengaruh besar pada ketebalan dan evolusi lapisan kerusakan subpermukaan, dan bahkan pada akurasi pemrosesan. Namun, properti mekanik material workpiece tidak dapat dihitung dengan menganalisis data yang relevan yang diperoleh oleh nano-pengasetan.

Nano-indentasi adalah teknik efektif untuk mengkarakterisir properti mekanik seperti kekerasan dan modulus elastis [17]. Banyak studi tentang nano-indentasi telah dilakukan untuk mengevaluasi performa properti mekanik dengan model eksperimental dan teoretis. Zimmerman [18] menganalisis emisi dislokasi dalam proses nano-indentasi dengan vektor geslip. Ruestes [19] mempelajari nano-indentasi besi kristal tunggal dengan simulasi MD dan menemukan bahwa generasi dislokasi di subpermukaan diperlukan untuk menghapus material dari zona indentasi. Huang [20] melakukan simulasi MD nano-indentasi pada matriks berlian kristal tunggal dan menemukan bahwa deformasi material berlian di bawah indentasi didominasi oleh nukleasi dan propagasi loop dislokasi 〈110〉 {111}. Sharma [21] membangun model partikel keras buatan dalam matriks tembaga dan menganalisis pengaruh partikel keras pada evolusi cacat subpermukaan dalam proses pemesinan. Peng [22] menyelidiki mekanisme penguatan lapisan grapen pada substrat Cu dengan nano-indentasi, yang dihasilkan dari efek homogenisasi stres yang dihasilkan oleh antarmuka. Dari analisis di atas, terlihat bahwa studi sebelumnya tentang efek cacat subpermukaan terutama didasarkan pada material kristal sempurna atau membangun hipotesis cacat buatan, yang jauh dari cacat subpermukaan aktual. Oleh karena itu, membangun model workpiece dengan cacat subpermukaan secara realistis sangat penting untuk menganalisis pengaruh cacat subpermukaan pada properti mekanik workpiece.

Dalam paper ini, metode nano-pengasetan diadopsi untuk mendapatkan model workpiece dengan cacat subpermukaan yang sesuai dengan karakteristik praktis. Pada dasar ini, simulasi nano-indentasi dilakukan untuk mempelajari efek cacat subpermukaan pada properti mekanik tembaga kristal tunggal. Pertama, mekanisme pembentukan dan evolusi cacat subpermukaan selama proses nano-pengasetan akan dibahas, dan struktur cacat tipikal subpermukaan workpiece setelah nano-pengasetan akan dianalisis. Kedua, mekanisme interaksi antara cacat subpermukaan induksi pemesinan dan nukleasi dislokasi selama indentasi akan dianalisis. Ketiga, berdasarkan data beban-penyelapan yang diperoleh oleh nano-indentasi, kekerasan dan modulus elastis Young spesimen tembaga kristal tunggal akan dihitung. Terakhir, beberapa kesimpulan baru akan diringkas.

Metode

Model Simulasi

Untuk menyelidiki efek cacat subpermukaan pada properti mekanik material dalam pemesinan nano, model spesimen dengan cacat subpermukaan harus dibangun. Dalam penelitian ini, hal ini direalisikan dengan simulasi MD proses nano-pengasetan. Pertama, model simulasi MD dirintis dan simulasi proses nano-pengasetan dilakukan. Kemudian spesimen dan alat pemotongan direlaksasi selama waktu yang cukup selama simulasi MD. Terakhir, beberapa cacat stabil tetap di subpermukaan workpiece. Diagram skematis model simulasi MD tiga dimensi ditunjukkan dalam Gambar 1, di mana model nano-pengasetan ditunjukkan dalam Gambar 1a dan model nano-indentasi dengan cacat subpermukaan ditunjukkan dalam Gambar 1b. Dalam Gambar 1, material workpiece dan spesimen adalah tembaga kristal tunggal dan alat serta indenter adalah material berlian. Alat berlian tepis lengkung digunakan dalam proses nano-pengasetan, dan jari-jari tepi alat adalah 3 nm. Indenter berbentuk setengah bola dalam proses nano-indentasi, dan diameternya 6 nm. Workpiece dan spesimen dibagi menjadi tiga bagian, yaitu lapisan Newton, lapisan suhu, dan lapisan batas, masing-masing. Untuk mengurangi efek ukuran dan efek batas, kondisi batas periodik (PBC) diadopsi pada arah [010] sistem simulasi. Untuk menghindari interaksi awal antara alat dan workpiece, alat pemotongan ditempatkan 3 nm kanan atas workpiece dan indenter ditempatkan 6 nm di atas spesimen. Parameter simulasi detail ditunjukkan dalam Tabel 1.

Fungsi Potensial Interatom

Dalam penelitian ini, simulasi MD tiga dimensi dilakukan oleh large-scale atomic/molecular massively parallel simulator (LAMMPS). Komputasi paralel direalisikan dengan bantuan perpustakaan antarmuka pesan. Potensial Morse, potensial Metode Atom Terbenam (EAM), dan potensial Tersoff digunakan dalam simulasi, yang dipanggil dari paket perangkat lunak LAMMPS. Interaksi antara atom Cu dalam workpiece dan atom C dalam alat dihitung oleh potensial Morse yang ditunjukkan dalam Eq. 1 [23].

$$ u\left({r}_{ij}\right)=D\left[\exp \left(-2\alpha \left({r}_{ij}-{r}_0\right)\right)-2\exp \left(-\alpha \left({r}_{ij}-{r}_0\right)\right)\right] $$ (1)

di mana r₀, α, dan D masing-masing adalah jarak atom, modulus elastisitas, dan energi ikatan. Nilai ditunjukkan dalam Tabel 2.

Fungsi interatom di antara atom Cu dalam workpiece dijelaskan oleh potensial EAM yang ditunjukkan dalam Eqs. 2, 3 [24, 25].

$$ E=\sum \limits_i^N\left[F\left({\rho}_i\right)+\sum \limits_{j>i}^Nu\left({r}_{ij}\right)\right] $$ (2) $$ {\rho}_i=\sum \limits_jf\left({r}_{ij}\right) $$ (3)

Interaksi antara atom karbon dalam alat berlian dihitung oleh potensial Tersoff yang ditunjukkan dalam Eqs. 4, 5 [26].

$$ E=\frac{1}{2}\sum \limits_{i\ne j}{V}_{ij} $$ (4) $$ {V}_{ij}={f}_c\left({r}_{ij}\right)\left[{V}_R^{\hbox{'}}\left({r}_{ij}\right)+{b}_{ij}{V}_A\left({r}_{ij}\right)\right] $$ (5)

di mana f_c(r_ij) adalah fungsi pemotongan di antara atom, V_A(r_ij) adalah potensial dual dari istilah serap, V_R(r_ij) adalah potensial dual dari istilah tolak, dan r_ij adalah jarak atom di antara atom i dan atom j.

Metode Analisis Cacat

Dalam nano-pengasetan tembaga kristal tunggal, deformasi dan dislokasi ternuklei di subpermukaan workpiece. Dalam paper ini, parameter simetri pusat (CSP) diperkenalkan untuk menganalisis nukleasi dislokasi dan evolusi cacat workpiece. Untuk material kubik pusat wajah (FCC), nilai CSP dapat dihitung oleh Eq. 6 [27].

$$ CSP=\sum \limits_{i=1}^6{\left|{R}_i+{R}_{i+6}\right|}^2 $$ (6)

di mana R_i adalah atom tetangga dengan panjang yang sama dan R_i+6 adalah atom tetangga arah berlawanan. Nilai CSP untuk kristal FCC, dislokasi parsial, kesalahan tumpukan, dan atom permukaan adalah 0, 2,1, 8,3, dan 24,9, masing-masing [27].

Metode CSP mampu mengidentifikasi stager atom, tetapi tidak dapat mengenali status struktur kristal lokal workpiece. Oleh karena itu, analisis tetangga umum (CNA) diperkenalkan untuk mengidentifikasi cacat struktur kristal lokal. Dalam metode CNA asli, yang diusulkan oleh Honeycutt dan Andersen [28], berbagai struktur direpresentasikan oleh diagram. Saat ini, ada lima pola CNA dalam OVITO [29], di mana struktur kristal lokal diidentifikasi sebagai kubik pusat wajah (FCC), heksagonal rapat (HCP), kubik pusat tubuh (BCC), ikosahedral (ICO), dan tidak diketahui, masing-masing. Dalam paper ini, algoritma ekstraksi dislokasi (DXA) [30] juga diperkenalkan untuk menganalisis evolusi cacat dislokasi. Dengan DXA, struktur kristal yang berbeda dalam workpiece akan ditandai dengan warna yang berbeda dan cacat dislokasi dalam workpiece akan direpresentasikan oleh garis dengan warna yang berbeda.

Hasil dan Pembahasan

Evolusi Cacat Subpermukaan dalam Proses Nano-Pengasetan

Dalam proses nano-pengasetan, di bawah aksi tekanan dan geseran alat pemotongan pada workpiece, material permukaan workpiece dengan tebal kedalaman pemotongan dihapus, dan permukaan baru yang diproses dengan akurasi ukuran tertentu dan kualitas permukaan terbentuk. Deformasi elastoplastis kompleks termasuk deformasi stres dan deformasi termal terjadi di permukaan dan subpermukaan workpiece disertai dengan transformasi energi dan konsentrasi stres. Oleh karena itu, lapisan kerusakan subpermukaan terbentuk dan chip dihapus. Gambar 2 menunjukkan tampilan instan evolusi cacat subpermukaan dan pengeluran material selama proses nano-pengasetan tembaga kristal tunggal. Dalam Gambar 2, atom diberi warna berdasarkan nilai CSP dan hasil analisis CNA. Dalam Gambar 2a dan c, atom kuning, hijau, merah, dan biru adalah atom permukaan, atom cacat permukaan, atom cacat subpermukaan, dan atom FCC. Dari Gambar 2 dapat dilihat bahwa banyak struktur cacat tipikal terbentuk di subpermukaan workpiece selama proses nano-pengasetan, seperti cacat titik, cacat rongga, kesalahan tumpukan, cacat kluster, dislokasi prismatik, dan loop dislokasi screw.

Karena efek tekanan dan geseran alat pemotongan, deformasi geslip geser dihasilkan untuk atom di depan muka pelana dan zona geslip geser primer terbentuk dalam workpiece selama proses nano-pengasetan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b. Beberapa atom ini geslip ke atas sepanjang muka pelana dan chip terbentuk seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a. Beberapa bergerak ke bawah dan permukaan yang diproses terbentuk di bawah gesekan tepi samping alat seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b. Lainnya bergerak ke dalam dan cacat subpermukaan terbentuk, seperti kesalahan tumpukan, cacat kluster, dan dislokasi prismatik, ditunjukkan dalam Gambar 2a dan b.

Karena gesekan dan tekanan tepi samping alat, akumulasi energi terjadi untuk atom dekat tepi samping dan atom menjadi atom berenergi tinggi. Ketika energi atom melebihi tingkat tertentu, energi yang dibawa oleh atom energik akan dilepaskan dan dislokasi terbentuk di bawah penggerak atom energik. Oleh karena itu, banyak dislokasi terbentuk di area gesekan tepi samping, ditunjukkan dalam Gambar 2d. Dengan terbentuknya permukaan yang diproses, dislokasi ternuklei, meluas, dan padam, di subpermukaan. Akhirnya, struktur cacat seperti kesalahan tumpukan, SFT, dan cacat rongga tersisa di subpermukaan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2d. Kesalahan tumpukan ternuklei di zona geslip geser di bawah alat pemotongan, kemudian meluas ke dalam workpiece, dan akhirnya padam di permukaan bebas workpiece. Akhirnya, garis dislokasi terbentuk di permukaan workpiece. Dan garis dislokasi meluas di entlang \( \left[\overline{1}0\overline{1}\right] \), \( \left[\overline{1}01\right] \), dan [101] arah. Loop dislokasi screw, yang terletak di tepi zona geslip geser, terdiri dari beberapa kesalahan tumpukan dan serangkaian dislokasi screw. Dislokasi screw terbentuk di bawah penggerak status tekanan zona geslip geser [11].

Dalam proses nano-pengasetan, dislokasi ternuklei dan meluas di bawah aksi alat pemotongan. Serta dengan agregasi dan pelepasan energi, gaya pemotongan fluktuatif dengan peningkatan jarak pemotongan, yang ditunjukkan dalam Gambar 3 dalam tiga dimensi. Dalam Gambar 3, kurva hitam, merah, dan biru masing-masing adalah gaya umpan (Fx), gaya belakang (Fy), dan gaya spesial (Fz). Dari Gambar 3 dapat dilihat bahwa proses pemotongan dibagi menjadi dua periode yaitu tahap pemotongan awal dan tahap pemotongan stabil. Selama tahap pemotongan awal, gaya umpan dan gaya belakang meningkat dengan cepat, secara linier. Nilai maksimum gaya umpan mencapai lebih dari 1100 nN, tetapi gaya belakang baru mencapai sekitar 600 nN. Ketika ujung alat memotong workpiece sepenuhnya, permukaan yang diproses terbentuk, ditunjukkan sebagai grafik kecil pertama yang ditandai sebagai Permukaan yang Diproses dalam Gambar 3. Kemudian, proses nano-pengasetan dipindahkan ke tahap pemotongan stabil. Pada tahap pemotongan stabil, ketiga gaya fluktuatif di posisi keseimbangannya. Gaya umpan rata-rata sekitar 1000 nN, dan gaya belakang rata-rata hanya sekitar 500 nN. Dari Gambar 3 dapat dilihat bahwa gaya umpan menurun dengan cepat pada jarak pemotongan 20 nm. Itu karena akumulasi energi telah mencapai tingkat tertentu yang merupakan energi stres jaringan kritis, ditunjukkan sebagai grafik kecil kedua dalam Gambar 3. Sementara itu, hambatan besar bekerja pada alat pemotongan yang mengakibatkan gaya pemotongan menjadi nilai puncak. Kemudian, energi dilepaskan yang mengakibatkan emisi dislokasi, dan gaya pemotongan menurun, ditunjukkan sebagai grafik kecil ketiga dalam Gambar 3. Oleh karena itu, gaya pemotongan fluktuatif selama tahap pemotongan stabil. Nukleasi, perluasan, dan pemadaman dislokasi menyebabkan fluktuasi gaya pemotongan dan mengakibatkan cacat subpermukaan yang ada dalam workpiece, akhirnya.

Untuk menyelidiki secara detail evolusi dan emosi cacat dislokasi di subpermukaan workpiece selama proses nano-pengasetan, distribusi dislokasi dan variasinya dengan jarak pemotongan dianalisis secara rinci dengan metode CNA. Evolusi cacat subpermukaan workpiece pada area tertentu ditunjukkan dalam Gambar 4, di mana jarak pemotongan Gambar 4a, b, c, d, e, dan f masing-masing adalah 8 nm, 10 nm, 12 nm, 20 nm, 24 nm, dan 32 nm. Dari Gambar 4a dapat dilihat bahwa banyak cacat dislokasi ternuklei di zona geslip geser di bawah aksi tekanan geser alat pemotongan selama tahap awal proses pemotongan. Secara khusus, dislokasi berupa V dan kesalahan terbentuk di bawah aksi penggerak stres dan energi atom di zona geslip geser, ditunjukkan dalam Gambar 4b. Dalam proses pemrosesan selanjutnya, zona geslip geser bergerak ke depan dengan alat pemotongan terus bergerak. Karena energi deformasi menurun, kesalahan secara bertahap padam. Selama alat pemotongan terus bergerak ke depan, zona gesekan tepi samping bergerak dekat kesalahan. Dan permukaan yang diproses berkasar terbentuk di bawah tekanan dan gesekan tepi samping. Kemudian kesalahan terus padam dan secara bertahap terlepas dari permukaan workpiece, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4d. Akhirnya, kesalahan berubah menjadi cacat kluster yang stabil ada di subpermukaan workpiece. Demikian pula, dislokasi berupa V yang terbentuk secara bertahap berevolusi menjadi SFT di bawah interaksi dua kesalahan tumpukan dan kunci dislokasi. Cacat stabil ini bersama-sama menyusun lapisan deformasi subpermukaan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4e dan Gambar 4f.

Seperti yang kita ketahui, pelepasan stres sisih dan pemulihan cacat internal akan terjadi pada workpiece setelah perlakuan penuaan. Dalam pembuatan nano aktual, beberapa cacat subpermukaan yang terbentuk selama pemrosesan akan menghilang setelah proses pemesinan. Untuk mensimulasikan kondisi workpiece setelah perlakuan penuaan, relaksasi molekuler dinamika dilakukan pada sistem pemotongan untuk waktu yang lama. Diagram distribusi cacat sisih di subpermukaan workpiece setelah relaksasi MD untuk waktu lama ditunjukkan dalam Gambar 5, di mana atom diberi warna berdasarkan hasil analisis dengan metode CSP dan CNA. Dari Gambar 5 dapat dilihat bahwa dislokasi primer padam setelah relaksasi. Cacat rongga, kesalahan tumpukan, kluster atom, dislokasi prismatik, dislokasi screw, SFT, dan dislokasi stair-rod ada di subpermukaan workpiece, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5. Menurut analisis di atas, cacat-cacat ini, yang terbentuk di bawah induksi stres internal kompleks dan interaksi cacat dislokasi, akan mempengaruhi akurasi ukuran dan kualitas permukaan workpiece setelah pemrosesan nano.

Uji Nano-Indentasi pada Spesimen Tembaga dengan Cacat Subpermukaan Induksi Pemesinan

Cacat sisih subpermukaan induksi pemesinan mengatur properti mekanik permukaan, terutama kekerasan dan modulus Young. Oleh karena itu, penyelidikan tentang nukleasi dan interaksi dislokasi selama nano-indentasi tampak sangat diperlukan. Untuk menyelidiki pengaruh cacat subpermukaan induksi pemesinan pada properti mekanik tembaga kristal tunggal, proses nano-indentasi pada spesimen setelah nano-pengasetan dilakukan dengan parameter yang sama seperti simulasi nano-pengasetan. Hasil simulasi ditunjukkan dalam Gambar 6, 7, 8, 9 dan 10. Citra atom instan distribusi cacat subpermukaan dalam keadaan awal nano-indentasi ditunjukkan dalam Gambar 6. Dari gambar dapat dilihat bahwa ada beberapa SFT, satu dislokasi berupa V, beberapa dislokasi prismatik, dan beberapa cacat kluster di bawah indenter. Cacat subpermukaan ini dapat mempengaruhi nukleasi dan perluasan dislokasi workpiece selama proses nano-indentasi. Dan kemudian properti mekanik material workpiece berubah.

Citra evolusi atom dislokasi subpermukaan selama proses beban nano-indentasi ditunjukkan dalam Gambar 7. Dari Gambar 7a dapat dilihat bahwa nukleasi dislokasi awal terjadi pada permukaan spesimen ketika indenter menyentuh permukaan spesimen. Dengan tekanan ke bawah indenter, dislokasi yang ternuklei berkembang secara bertahap. Sementara itu, di bawah pengaruh stres yang diberikan oleh indenter, sejumlah besar dislokasi ternuklei dan bergerak dialong sistem geslip, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7b. Di bawah interaksi antara dislokasi baru terbentuk dan cacat subpermukaan asli, beberapa cacat sederhana secara bertahap menghilang, dan dislokasi berupa V terus berevolusi dan padam secara bertahap. SFT di bawah indenter berkurang secara bertahap, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7c. Seiring berjalannya proses indentasi, skala cacat dislokasi baru ternuklei meningkat, dan dislokasi berupa V dan SFT1 di bawah indenter menghilang secara bertahap. Secara bersamaan, cacat dislokasi yang terbentuk selama indentasi secara bertahap berevolusi menjadi loop dislokasi prismatik, di mana kesalahan tumpukan secara bertahap menghilang, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7d. Loop dislokasi prismatik baru terbentuk terus meluas ke SFT2 di kanan bawah indenter. Karena strukturnya stabil, SFT2 tetap tidak berubah selama perluasan loop dislokasi prismatik, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7e. Seiring indenter ditekan ke bawah, loop dislokasi prismatik terus meluas ke bawah, dan skala cacat dislokasi di area subpermukaan meningkat secara bertahap. Struktur SFT2 stabil ada di subpermukaan spesimen dan tidak berubah selama gerakan dan interferensi cacat dislokasi, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7 f.

Untuk menunjukkan evolusi dan distribusi cacat subpermukaan selama proses indentasi dengan lebih jelas, metode DXA digunakan untuk menganalisis spesimen setelah indentasi. Citra distribusi dislokasi subpermukaan pada setiap waktu yang sesuai Gambar 7 diperoleh dengan analisis DXA, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8. Dislokasi diberi warna 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 teridentifikasi.

Dari Gambar 8 dapat dilihat bahwa subpermukaan workpiece terutama terdiri dari dislokasi Shockley dan dislokasi stair-rod dalam keadaan indentasi awal. SFT yang ada di subpermukaan adalah struktur tetrahedra reguler yang terdiri dari enam dislokasi stair-rod. Ketika indenter menyentuh workpiece, dislokasi yang ternuklei di permukaan workpiece adalah dislokasi Hirsh kuning, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8a. Seiring indenter ditekan ke bawah, sejumlah besar dislokasi ternuklei dan bergerak dialong sistem geslip. Dislokasi Hirsh kuning secara bertahap berubah menjadi dislokasi Shockley hijau, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8b. Di bawah interaksi antara dislokasi baru terbentuk dan SFT1 asli, beberapa dislokasi sederhana menghilang secara bertahap, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8c. Skala dislokasi subpermukaan meningkat seiring indenter menurun, dan dislokasi baru terbentuk terutama dislokasi Shackley hijau. Interaksi antara dislokasi Shockley dan SFT1 menghasilkan ukuran SFT1 berkurang secara bertahap dan akhirnya SFT1 menghilang, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8d. Seiring dengan peningkatan skala cacat, jumlah dan jenis dislokasi di subpermukaan spesimen meningkat. Ada dislokasi jenis tidak diketahui merah yang terbentuk di subpermukaan, dan beberapa dislokasi Shockley menyusun loop dislokasi prismatik, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8e. Di bawah interaksi antara dislokasi Shockley dan dislokasi stair-rod, SFT2 dan SFT3 yang jauh dari area indentasi tidak menghilang pada akhirnya, karena tekanan indenter yang lebih lemah, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8f.

Citra evolusi dislokasi subpermukaan selama proses pembongkaran nano-indentasi ditunjukkan dalam Gambar 9. Gambar 10 menunjukkan citra distribusi dislokasi subpermukaan yang sesuai dalam Gambar 9. Dari kedua grafik, dapat dilihat bahwa skala cacat subpermukaan meningkat terlebih dahulu, lalu secara bertahap menurun selama proses indenter bergerak ke atas. Ini disebabkan oleh fungsi komprehensif antara pelepasan energi deformasi materi yang berkelanjutan dan gaya adhesi yang diberikan oleh indenter pada spesimen. Pada tahap awal proses pembongkaran, gaya adsorpsi ke atas indenter pada spesimen tidak signifikan. Evolusi cacat subpermukaan terutama didorong oleh energi deformasi materi, yang mengakibatkan skala cacat subpermukaan meningkat. Dan jenis dislokasi utama pada tahap ini adalah dislokasi Shockley hijau dan dislokasi tangga pink, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9a, b dan 10a, b. Interaksi antara SFT2 dan dislokasi Shockley di dekatnya membuat dislokasi stair-rod pink berubah menjadi dislokasi Shackley hijau di area jauh dari indenter. Sementara itu, SFT2 berubah menjadi cacat yang lebih kecil yaitu SFT3, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9c dan 10c. Seiring pengangatan indenter yang berkelanjutan, efek perekat dan adsorpsi yang diberikan oleh indenter pada spesimen meningkat secara bertahap. Serta dengan pelepasan energi deformasi, ukuran dan jenis dislokasi di subpermukaan meningkat. Dan lebih banyak dislokasi sempurna, dislokasi Hirh, dan dislokasi tidak diketahui terbentuk, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9d dan 10d. Pada tahap akhir proses pembongkaran, energi deformasi materi dasarnya telah dilepaskan, dan evolusi cacat subpermukaan didominasi oleh adsorpsi dari indenter. Oleh karena itu, cacat subpermukaan padam dengan cepat, dan skala cacat subpermukaan menurun dengan cepat. Dan satu dislokasi Hirsch tipikal terbentuk di arah indenter bergerak ke atas, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9e, f dan 10e, f. Akhirnya, skala cacat subpermukaan menurun secara signifikan, dan beberapa cacat subpermukaan tipikal, seperti SFT dan kluster atom, secara bertahap menghilang. Dari analisis di atas, dapat dilihat bahwa pemrosesan sekunder (nano-indentasi) dapat memulihkan cacat internal tipikal yang terbentuk dalam nano-pengasetan, dan kerusakan subpermukaan menjadi lebih parah di area pemrosesan sekunder. Karakteristik cacat subpermukaan ini akan mempengaruhi properti mekanik material. Oleh karena itu, perlu untuk mempelajari efek cacat subpermukaan pada properti mekanik material.

Properti mekanik material dapat dihitung dari kurva beban-penyelapan, seperti kekerasan, modulus elastis, dan kekuatan leleh. Dalam studi ini, kekerasan dan modulus Young tembaga kristal tunggal diteliti. Variasi beban pada indenter dipantau selama proses nano-indentasi, dan kurva beban-penyelapan proses nano-indentasi digambarkan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11. Kedalaman indentasi maksimum kurva merah dan hitam masing-masing adalah 2 nm dan 3 nm, di mana baik proses beban maupun pembongkaran termasuk. Arah ke atas beban didefinisikan sebagai arah positif, jadi kurva beban-penyelapan semua di atas nol dalam proses beban, sementara beban pada indenter berubah dari positif ke negatif selama pembongkaran. Pemulihan elastis matriks materi yang terdeformasi memberikan gaya ke atas pada indenter. Oleh karena itu, untuk menjaga indenter naik dengan kecepatan seragam, diperlukan gaya ke bawah (positif). Seiring pemulihan deformasi secara bertahap, gaya berkurang sampai menghilang. Kemudian gaya yang diberikan pada indenter menjadi negatif, dan nilai absolut gaya pertama meningkat lalu menurun. Dari grafik, dapat dilihat bahwa spesimen berada dalam tahap deformasi elastis selama proses beban, dan beban meningkat proporsional terhadap penyelapan. Ketika penyelapan indenter adalah 1 nm, beban pada indenter fluktuatif secara dramatis, seperti yang ditunjukkan oleh panah di sisi kiri Gambar 11. Ini karena indenter ditekan ke SFT1 yang ditunjukkan dalam Gambar 7, yang mengakibatkan hambatan yang lebih besar bagi indenter. Ketika penyelapan indenter dalam rentang 2 hingga 3 nm, amplitudo fluktuasi beban meningkat. Ini karena indenter ditekan ke lapisan SSD, dan hambatan indenter terhadap cacat subpermukaan dalam spesimen lebih signifikan, jadi amplitudo fluktuasi beban meningkat secara signifikan.

Menurut Metode Oliver-Pharr [31], kekerasan nano-indentasi dapat didefinisikan sebagai beban indentasi dibagi dengan luas kontak antara indenter dan spesimen, yang dihitung oleh Eq. 7.

$$ H={F}_{\mathrm{max}}/{A}_c $$ (7)

Di mana, F_max adalah nilai puncak beban. A_c adalah luas kontak proyeksi untuk indenter dan spesimen, yang dapat diperoleh oleh

$$ {A}_c=\pi {r}^2 $$ (8)

di mana r adalah jari-jari kontak untuk indenter. Karena indenter berbentuk setengah bola, r secara mendekati sama dengan kedalaman indentasi.

Deformasi elastis material tembaga kristal tunggal disebabkan oleh beban yang diberikan oleh indenter. Berdasarkan kurva beban-penyelapan sebelumnya, modulus Young (E) tembaga kristal tunggal dapat dihitung oleh Eq. 9.

$$ E=\frac{\sigma }{\varepsilon }=\frac{F/S}{DL/L}=\frac{F/\pi {r}^2}{DL/L} $$ (9)

di mana F adalah beban yang diterapkan, S adalah luas kontak, r adalah jari-jari proyeksi indenter, DL adalah deformasi materi dialong arah beban, yang sama dengan kedalaman indentasi, dan L adalah panjang total materi dialong arah beban. Dalam studi ini, L sama dengan 30 nm.

Menurut metode Oliver-Pharr dan data beban-penyelapan, kekerasan nano-indentasi dan modulus elastis Young material tembaga kristal tunggal dengan cacat subpermukaan dapat dihitung berdasarkan Eqs. 7, 8, 9. Tabel 3 menunjukkan beban yang diterapkan pada spesimen oleh indenter dengan kedalaman indentasi yang berbeda.

Kekerasan nano-indentasi tembaga kristal tunggal dapat dihitung oleh Eqs. 7 dan 8 menggabungkan data dalam Tabel 3. Ketika kedalaman maksimum adalah 2 nm, F_max = 190,67 nN dan dari Gambar 11 r = 2,75 nm. Nilai yang dihitung kekerasan nano-indentasi H2 adalah 8,029 GPa. Ketika kedalaman maksimum adalah 3 nm, F_max = 244,66 nN dan r = 3 nm. Nilai yang dihitung kekerasan nano-indentasi H3 adalah 8,675 GPa, yang sedikit lebih besar dibandingkan pada kedalaman indentasi 2 nm. Itu karena indenter ditekan ke area cacat subpermukaan pada kedalaman indentasi 3 nm, dan resistensi deformasi cacat subpermukaan meningkat. Oleh karena itu, kekerasan tembaga kristal tunggal meningkat. Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa cacat subpermukaan membuat permukaan yang diproses jauh lebih keras, yang merupakan fenomena keras kerja.

Modulus Young E tembaga kristal tunggal dapat dihitung oleh Eq. 9 menggabungkan data dalam Tabel 4. Hasil perhitungan ditunjukkan dalam Tabel 4. Perlu diperhatikan bahwa modulus Young menjadi jauh lebih tinggi ketika kedalaman indentasi lebih kecil dari 1,5 nm. Pada tahap awal nano-indentasi, indenter tidak menyentuh area sisih cacat di subpermukaan. Namun, efek keras kerja membuat material spesimen tidak mudah mengalami deformasi elastis; oleh karena itu, modulus Young tembaga kristal tunggal lebih besar pada tahap awal indentasi. Nilai modulus Young adalah 119,4 GPa ketika kedalaman indentasi adalah 2 nm, yang hampir sama dengan penelitian Zhang (120,4 GPa) [14]. Seiring peningkatan kedalaman indentasi, modulus elastis Young spesimen tembaga kristal tunggal berkurang secara bertahap, dan kemampuan material untuk menahan deformasi elastis melemah. Ini karena deformasi elastis permanen berasal dari gerakan dislokasi dan interaksinya dengan cacat subpermukaan. Terungkap bahwa cacat subpermukaan induksi nano-pengasetan akan mempengaruhi properti fisik dan mekanik material tembaga kristal tunggal, yang juga berlaku untuk material FCC lainnya. Keberadaan cacat subpermukaan akan meningkatkan kekerasan permukaan yang diproses dan melemahkan kemampuan material untuk menahan deformasi elastis, di mana evolusi saling berkaitan antara dislokasi dan cacat subpermukaan memainkan peran penting. Oleh karena itu, sangat penting untuk memprediksi ketebalan lapisan deformasi subpermukaan dan mempelajari properti permukaan untuk pembuatan nano.

Kesimpulan

Cacat subpermukaan yang stabil ada dalam workpiece setelah nano-pengasetan dapat mempengaruhi properti mekanik, yang krusial untuk performa dan umur pakai struktur nano. Studi sebelumnya terutama didasarkan pada material kristal sempurna atau membangun hipotesis cacat buatan, yang jauh dari cacat subpermukaan aktual. Dalam paper ini, simulasi dinamika molekuler nano-pengasetan dilakukan untuk membangun model spesimen dengan cacat subpermukaan. Berdasarkan model MD yang dibangun, simulasi nano-indentasi dilakukan untuk mempelajari pengaruh cacat subpermukaan induksi pemesinan pada properti fisik dan mekanik material tembaga kristal tunggal. Mekanisme interaksi antara dislokasi dan cacat kompleks selama nano-indentasi dipelajari. Kekerasan nano-indentasi dan modulus elastis Young material tembaga kristal tunggal dihitung. Berdasarkan analisis di atas, beberapa kesimpulan menarik dapat ditarik sebagai berikut.

1. Nukleasi dan perluasan dislokasi di subpermukaan workpiece didorong oleh aksi tekanan dan geser alat pemotongan selama proses nano-pengasetan, yang mengakibatkan fluktuasi gaya pemotongan. Setelah nano-pengasetan, ada struktur cacat stabil yang tersisa di subpermukaan workpiece, seperti cacat rongga, kesalahan tumpukan, kluster atom, SFT, dan dislokasi stair-rod, yang bersama-sama menyusun lapisan cacat subpermukaan workpiece.

2. Keberadaan cacat subpermukaan mempengaruhi nukleasi dan perluasan dislokasi selama proses nano-indentasi. Beberapa cacat stabil tepat di bawah indenter, seperti dislokasi berupa V dan SFT1, padam setelah indentasi. Dan SFT2 yang jauh dari area indentasi berubah menjadi yang lebih kecil. Pemrosesan sekunder nano-indentasi dapat memulihkan cacat internal tipikal workpiece, tetapi cacat subpermukaan di area pemrosesan sekunder semakin parah.

3. Kekerasan nano-indentasi spesimen meningkat dengan pengenalan cacat subpermukaan, yang mengakibatkan pembentukan efek keras kerja. Modulus Young tembaga kristal tunggal lebih besar pada tahap awal indentasi dan secara bertahap berkurang seiring peningkatan kedalaman indentasi. Keberadaan cacat subpermukaan dapat melemahkan kemampuan material untuk menahan deformasi elastis, di mana evolusi saling berkaitan antara dislokasi dan cacat subpermukaan memainkan peran penting.

Ketersediaan Data dan Bahan

Kesimpulan yang dibuat dalam naskah ini didasarkan pada data yang semua disajikan dan ditampilkan dalam paper ini.

Singkatan

MD:

Dinamika molekuler

SSD:

Cacat subpermukaan

SFT:

Tetrahedra kesalahan tumpukan

PBC:

Kondisi batas periodik

LAMMPS:

Simulator paralel massal skala besar atom/molekul

EAM:

Metode atom terbenam

CSP:

Parameter simetri pusat

FCC:

Kubik pusat wajah

CNA:

Analisis tetangga umum

HCP:

Heksagonal rapat

BCC:

Kubik pusat tubuh

ICO:

Ikosahedral

DXA:

Algoritma ekstraksi dislokasi