微/納金屬與半導(dǎo)體器件在工業(yè)4.0、智能制造、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有前所未有的發(fā)展時機(jī)[1,2],而耐久性服役的微/納金屬器件是提高產(chǎn)品力學(xué)性能、表面精準(zhǔn)和可控操作的關(guān)鍵[3] 為了滿足這些嚴(yán)苛的要求,提高材料的力學(xué)性能、表面超精密加工效率和質(zhì)量尤為重要[4,6] 具有強(qiáng)塑性的單晶鎳,是研發(fā)鎳基高熵合金的基礎(chǔ)元料 單晶鎳可用于研發(fā)高強(qiáng)、高硬、耐磨、耐蝕、抗高溫軟化和耐超低溫的合金材料,可用于制造高溫航空發(fā)動機(jī)和航海遠(yuǎn)洋戰(zhàn)利武器[7] 深入研究單晶鎳的微觀變形/去除行為及其機(jī)理,有助于加速其實用化進(jìn)程 目前,研究微觀材料去除的方法,有實驗法、有限元法以及分子動力學(xué)法(簡稱MD) 用實驗方法無法得到材料微結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化信息,基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的有限元法也難以深入剖析接觸體內(nèi)局部接觸區(qū)域的微觀變形特征,而分子動力學(xué)法可彌補(bǔ)這些不足 因此,分子動力學(xué)可用于研究納米尺度下接觸體微結(jié)構(gòu)演變特征和微觀機(jī)制

作為金屬塑性變形的重要載體,位錯環(huán)的產(chǎn)生和演化是激發(fā)材料力學(xué)性能改變的內(nèi)在信息[8,10] 對位錯環(huán)演化機(jī)理的深入認(rèn)識,有助于指導(dǎo)材料性能的提高 Ryu等[8]研究了承受組合載荷的單晶銅微柱內(nèi)位錯的產(chǎn)生和演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)位錯微結(jié)構(gòu)能顯著改變小尺寸微柱的機(jī)械和力學(xué)性能 Subin Lee等[9]對單晶Au受沖擊接觸載荷產(chǎn)生的位錯環(huán)演化進(jìn)行了實驗和計算,發(fā)現(xiàn)位錯環(huán)演變與材料的微觀塑性有密切的相關(guān)性 借助分子動力學(xué)模擬,Xiang等[10]提出了AlN和GaN位錯環(huán)形成的套索狀機(jī)制和嵌套環(huán)機(jī)制 研究結(jié)果表明,兩種不同剪切環(huán)的螺段相鄰,其相互交叉形成棱柱型位錯環(huán) Jinshi等[11]對不同切削工況材料的去除進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬,揭示出單晶硅材料的去除是擠壓和剪切耦合作用的結(jié)果 Yue等[12]研究發(fā)現(xiàn),熔池壓力能誘導(dǎo)熔料去除,并且多晶銅放電能誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的缺陷結(jié)構(gòu)和變形層 Nguyen等[13]對比研究了碳化硅基體\二氧化硅膜表面的滑動和滾動磨削過程,并比較了滑動深度、滑動速度、軋制深度和軋制速度等外部因素使材料去除率差異化 Liu等[14]指出,在納米切削過程中在多晶硅表面極易產(chǎn)生非晶結(jié)構(gòu) Wang等[15]從位移、拋光力、相變等角度分析了孔隙對材料去除的影響,并研究了材料去除的機(jī)理 本文作者研究金屬粘著接觸特性時發(fā)現(xiàn),粘著是微機(jī)械裝置失效的主因,外圍輪廓越大粘著接觸失效越明顯[16,17] 結(jié)合掃描電子顯微鏡在線觀測,Liu等[19]研究了邊緣半徑不同的金剛石刀具對單晶硅的低速納米切割 上述文獻(xiàn)研究了不同基底材料的納米壓痕/劃痕、納米磨削/切削行為和機(jī)理[11,17] 本文建立單晶鎳在磨?；瑒雍蜐L動作用下刮擦的三維模型,闡明刮擦誘導(dǎo)的微結(jié)構(gòu)演變與塑性去除的相關(guān)性并分析晶面對微觀塑性演變特征的影響,進(jìn)而揭示其微觀去除機(jī)制

1 分子動力學(xué)計算1.1 條件設(shè)置

圖1給出了鎳單晶納米尺度磨粒刮擦的三維分子動力學(xué)模型 圖1a觀測了該模型的三維尺寸和材質(zhì)的屬性,其中金剛石球形磨粒被視為剛體,因此限制其原子位移和受力為零 圖1b給出了磨粒的滾動刮擦運(yùn)動：球形剛性磨粒的水平移動與繞自身Y軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相復(fù)合 為了更好地對比磨粒的滑動刮擦和滾動刮擦,使磨粒滾動速度與滑動時水平方向的速度相同 Z方向和Y方向的邊界條件設(shè)為非周期性邊界條件,而X方向設(shè)為周期性邊界條件 將鎳單晶劃分為固定層、恒溫層和牛頓層三個區(qū)域,如圖圖1a所示 恒溫層和牛頓層稱為運(yùn)動層,在NVE系綜下求解其牛頓運(yùn)動方程、完成積分迭代運(yùn)算和更新原子位移,時間步長為1 fs[15,18] 采用郎之萬控溫方法將恒溫層的溫度控制為300 K[17],以符合室溫工況 表1列出了模擬所需的相關(guān)參數(shù) 模擬前,先根據(jù)能量最小原理優(yōu)化物理模型,待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后對整個體系馳豫300 ps；平衡后,磨粒以恒定速度v=100 m/s沿著Y軸負(fù)方向刮擦單晶鎳的(010)晶面 為了比較不同晶面的去除差異,選取單晶鎳的(111)面和(110)面作為對照樣本,模擬時其他模擬條件不變 為了方便敘述,三種晶面的單晶鎳基底簡記為Ni(010)面、Ni(110)面和Ni(111)面 當(dāng)馳豫時間約為200 ps時溫度和能量趨于穩(wěn)定,表明體系已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)

圖1



圖1剛性磨粒刮擦單晶鎳的納觀物理模型

Fig.1Atomic scale physical model between rigid abrasive particle and nickel-based (a) 3D model in horizontal scratch process, (b) YZ plane model in grinding scratch process

Table 1

表1

表1MD模擬參數(shù)的設(shè)置

Table 1Set of molecular dynamics parameters

Physical quantity	Nickel	Rigid particle
Dimension	6 nm×10 nm×6 nm (Lx ×Ly ×Lz )	R=4 nm
Lattice constant	0.353 nm	0.3567 nm
Temperature	300 K
Depth	2.5 nm
Time step	1 fs
Scratch velocity	100 m/s
Rotation period	10 ps
Sliding distance	8 nm

1.2 勢函數(shù)的描述

在整個計算過程中鎳原子之間的相互作用、剛性金剛石球形磨粒與單晶鎳之間作用力的描述,是影響本文計算結(jié)果準(zhǔn)確性的決定性因素 文獻(xiàn)[20]的結(jié)果表明,EAM勢函數(shù)[21]在描述單晶鎳塑性變形行為方面有顯著優(yōu)勢,EAM勢函數(shù)的表達(dá)式為

Etot=12∑i≠jΦij(rij)+∑iEi(ρi)

(1)

式中Etot為總能量,右式中的第一項為原子i與j之間的對勢,第二項為嵌入勢 公式

E(r)=D(e-2α(r-ro)-2e-α(r-ro))

(2)

給出了采用Morse勢函數(shù)描述的球形磨粒與單晶鎳的相互作用[22], 式(2)中D為結(jié)合能系數(shù), α為勢能曲線梯度系數(shù), ro為原子間作用力為零時的間距[20],D=1.0094 eV, α=19.875 nm-1, ro=0.256 nm

1.3 位錯識別和變形的描述

為了洞悉刮擦誘導(dǎo)單晶鎳去除行為的微觀動態(tài)過程,采用共域鄰列表(簡稱CNA)[23]方法研究剪切誘導(dǎo)單晶鎳內(nèi)部的位錯結(jié)構(gòu),以分析納米尺度的塑性變形行為 其中FCC(面心立方結(jié)構(gòu))用綠色原子表示,HCP(密排六方結(jié)構(gòu))用紅色原子表示,BCC(體心立方結(jié)構(gòu))用藍(lán)色原子表示,非晶態(tài)結(jié)構(gòu)用灰色原子表示 同時,根據(jù)剪切應(yīng)變

ηiMises=6ηxy2+6ηyz2+6ηxz2+(ηxy-ηyy)2+(ηyy-ηzz)2+(ηzz-ηxx)26

(3)

和靜水應(yīng)力

σstill=-(σxx+σyy+σzz)3

(4)

可得到去除過程中剪切應(yīng)變的分布 式(3)中 σxx、 σyy、 σzz分別為應(yīng)力張量分量, 式(4)中的 ηxx、 ηyy、 ηzz、 ηxz、 ηxy、 ηyz分別為剪切應(yīng)變分量 根據(jù)剪切應(yīng)變可對比分析不同晶面的塑性去除差異,用靜水應(yīng)力描述局部接觸區(qū)受載響應(yīng)材料的去除行為

2 結(jié)果和討論2.1 表面的剪切應(yīng)變

分析表面剪切應(yīng)變,以揭示塑性去除機(jī)制和微觀結(jié)構(gòu)演變的動態(tài)過程 圖2給出了不同晶面的剪切應(yīng)變云圖,單晶鎳不同晶面的剪切應(yīng)變是各向異性的(如圖2a中白色箭頭所示) 各晶面刮擦誘導(dǎo)產(chǎn)生的剪切變形程度,從強(qiáng)至弱的排序為(110)晶面>(111)面>(010)面 圖2b中的白色虛線勾勒了磨粒與單晶鎳的緊密接觸區(qū)域,黑色箭頭表示刮擦后創(chuàng)成表面的凹槽區(qū)(即緊密接觸邊緣外) 由圖2b可見,緊密接觸邊緣內(nèi)的變形比其緊密接觸外的變形弱 同時,圖2b表明,刮擦后Ni(110)面的變形程度比Ni(100)面和Ni(111)面更劇烈 圖3給出了在低溫和高溫條件下Ni(111)面的剪切變形 隨著溫度的升高Ni(111)面的剪切應(yīng)變減小,接觸邊緣的變形小幅度減弱 當(dāng)溫度高達(dá)700 K時,單晶鎳仍具有良好的抵抗變形能力 文獻(xiàn)[24]指出：低于1100 K的溫度對單晶鎳剪切強(qiáng)度的影響甚微,間接驗證了上述選取的模擬條件、參數(shù)設(shè)置和勢函數(shù)是可行的

圖2



圖2滑動距離為8 nm時不同晶面的剪切應(yīng)變

Fig.2Shear strain of different crystal surfaces of nickel specimens at a sliding distance of 8 nm

圖3



圖3在不同溫度下Ni(111)晶面刮擦誘導(dǎo)的剪切應(yīng)變

Fig.3Snapshot of the scratch-induced shear strain for Ni(111) at different temperatures (a) top view; (b) front view

圖4給出了在不同溫度晶面刮擦產(chǎn)生的磨屑數(shù)(即隸屬于磨屑的原子個數(shù))和切向力,其中磨屑數(shù)的統(tǒng)計以完整晶面為基準(zhǔn) 由圖4a、b可見,溫度越高則磨屑越多；與其他兩個晶面相比,(110)晶面產(chǎn)生的磨屑數(shù)最多 與圖4a和圖4c對比可見,刮擦?xí)r三個晶面的磨屑原子數(shù)規(guī)律具有與三個晶面受到的水平切向力規(guī)律呈正相關(guān)性,即(110)面受到的切向力最大,產(chǎn)生的磨屑數(shù)也最多 滑動距離小于2 nm時,三個晶面切向力的變化趨勢相近 滑動距離超過2 nm時,三個晶面的切向力均隨著滑動距離的增加而增大；滑動距離一定時,(110)晶面的切向力更大 磨粒正前方被擠兌出的磨屑數(shù)與切向力之間有強(qiáng)烈的相關(guān)性,堆積在磨粒前方和邊緣側(cè)面的磨屑數(shù)目越多,磨粒運(yùn)動受阻越大,從而使水平切向力增大 圖4d表明,溫度越高則切向力曲線的振蕩幅度越大 采用徑向分布函數(shù),選取截斷半徑在1.2 nm內(nèi)的200幀數(shù)據(jù)進(jìn)行徑向分布的統(tǒng)計平均,繪制出不同溫度下刮擦前期、中期和后期三個階段的徑向分布函數(shù)曲線(圖5a) 可以看出,隨著溫度的升高刮擦前期(S=0 nm)的徑向分布函數(shù)的每個峰值都大幅度下降 其原因是,高溫使單晶鎳原子的熱運(yùn)動加劇,使鎳原子間的距離增加 這個結(jié)果,與文獻(xiàn)[25]報道的溫度對氮化鎵材料的影響趨勢相似 在刮擦中期(S=4 nm)和后期(S=8 nm),也出現(xiàn)類似的趨勢 但是,在同等溫度條件下,刮擦中期和后期的徑向分布函數(shù)曲線的差異很小 考慮到實際工況中磨粒的運(yùn)動也有滾動方式,為了對比不同運(yùn)動方式對基底材料去除影響,圖5b繪制出了在滑動刮擦、滾動刮擦工況下切向力隨著刮擦距離的變化曲線 與滑動刮擦相比,滾動刮擦過程中的切向力更小、磨屑數(shù)更少 同時,滾動刮擦過程中的黏著效應(yīng)顯著,使切向力曲線劇烈振蕩 在滾動刮擦前期(圖5b中的A點),磨粒外圍有少部分鎳原子粘附于磨粒外表面,其數(shù)量隨著滾動刮擦距離的增大而增多(圖5c)

圖4



圖4鎳單晶的不同晶面以及在不同溫度下的磨屑數(shù)量和切向力隨滑動距離的變化

Fig.4Variation ofchip-atoms number (a) and tangential force on Ni specimens with different crystal face with sliding distance (b), variation of chip-atoms number (c) and tangential force on Ni specimen at different temperatures (d)

圖5



圖5在不同溫度下經(jīng)磨粒刮擦后單晶鎳的徑向分布函數(shù)、在滑動和滾動作用下切向力的演化以及滾動刮擦距離為1.2 nm和6 nm時的磨粒形貌

Fig.5Radial distribution function of single nickel after scratching at different temperatures (a), evolution of tangential forces under sliding and rolling actions (b) and morphologies of abrasive particles when scratching distance are 1.2 nm and 6 nm (c)

2.2 微結(jié)構(gòu)演化和塑性去除

為了揭示不同晶面刮擦引起的單晶鎳內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化,用CNA法描述單晶鎳位錯結(jié)構(gòu)的演化特征(圖6) 由圖6可見,因去除形成的表面磨屑是非晶態(tài)的(圖6a中的黑色箭頭所示),而在亞表層刮擦導(dǎo)致單晶鎳亞表層發(fā)生了FCC結(jié)構(gòu)向HCP結(jié)構(gòu)的相變[18] HCP結(jié)構(gòu)數(shù)目隨滑動距離的增加而增多,約為隨著滑動距離增加切向力增大,使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變加劇 刮擦后部分相變恢復(fù),部分HCP結(jié)構(gòu)永久保留(圖6中的S=8 nm) 在整個刮擦過程中產(chǎn)生了不同程度的密排HCP結(jié)構(gòu)堆垛(圖6),堆垛形式與方位強(qiáng)烈依賴于晶面取向 主要體現(xiàn)在：三個晶面中的HCP結(jié)構(gòu)堆垛均出現(xiàn)與Y軸近似45°夾角的堆垛方位 文獻(xiàn)[26]的實驗表明,HCP堆垛較低的層錯能可釋放刮擦擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力集中,進(jìn)而誘導(dǎo)產(chǎn)生HCP相變結(jié)構(gòu) 在圖6a給出的(010)晶面中,HCP結(jié)構(gòu)的交叉延長線夾角為90度(圖6中的藍(lán)色虛線)；圖6b中的(110)晶面卻出現(xiàn)了水平方向的HCP堆垛構(gòu)型(見圖6黃色虛線),而其余的(010)晶面和(111)晶面沒有此類特征,表明刮擦誘導(dǎo)的單晶鎳內(nèi)部位錯滑移平行于Y軸方向,最終在外表面生成磨屑原子,在磨粒正前方堆積的磨屑原子數(shù)不斷增加 這解釋了圖4中不同晶面的磨屑數(shù)不同；在圖6c的(111)晶面中相鄰HCP堆垛出現(xiàn)交叉,其角度不超過90°(見圖6藍(lán)色虛線) 在刮擦作用下,單晶鎳的不同晶面其位錯滑移特性不同和微結(jié)構(gòu)不同

圖6



圖6刮擦誘導(dǎo)的單晶鎳不同晶面微結(jié)構(gòu)的演變

Fig.6Evolution of micro-structure of different crystal faces scratch-induced in single crystal nickel

圖7給出了刮擦誘導(dǎo)的單晶鎳微結(jié)構(gòu)塑性環(huán)脫落的動態(tài)過程 可以看出,滑動2 nm后,單晶鎳塑性環(huán)脫落因晶面不同呈現(xiàn)出各向異性特征 在同等條件下(010)面和(111)面出現(xiàn)塑性環(huán)脫落(見圖7黑色箭頭),在塑性環(huán)脫落前三個晶面的塑性環(huán)都出現(xiàn)位錯滑移和繁衍增殖 但是,(110)晶面未見塑性環(huán)脫落,而平行于Y軸方向的滑移卻較為明顯(見圖7藍(lán)色箭頭) 為了研究應(yīng)力與塑性環(huán)演變的關(guān)聯(lián)機(jī)制,計算了靜水應(yīng)力 圖8給出了刮擦過程中靜水壓力的分布 可以看出,刮擦易導(dǎo)致單晶鎳材料內(nèi)部應(yīng)力集中,且磨粒與單晶鎳的緊密接觸區(qū)的應(yīng)力集中最為顯著(見圖8黑色箭頭) 這也是材料在恒定速度下發(fā)生塑性去除的原因 同時,Ni(110)面的應(yīng)力集中最明顯,這是(110)面磨屑數(shù)增加和表面變形的直接原因 但是在亞表層內(nèi),單晶鎳的應(yīng)力分布與微結(jié)構(gòu)演化有明顯的相關(guān)性 這表明,單晶鎳刮擦后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力易引起微結(jié)構(gòu)的演變和增殖 局部內(nèi)應(yīng)力超過一定的閾值時,內(nèi)部應(yīng)力以單晶鎳內(nèi)部塑性環(huán)脫落的形式釋放

圖7



圖7單晶鎳不同晶面刮擦后微結(jié)構(gòu)的演化

Fig.7Evolution of micro-structures of different crystal faces scratch-induced in nickel specimens

圖8



圖8刮擦后鎳單晶不同晶面的塑性變形和材料去除

Fig.8Plastic deformation and removal of different crystal faces scratch-induced in nickel single crystal specimens

由圖9可見,磨粒刮擦不同晶面的鎳基底時,內(nèi)部產(chǎn)生的HCP相變結(jié)構(gòu)(圖9a)和總相變結(jié)構(gòu)(HCP+Other)(圖9b)均隨刮擦距離的增加而增多,表現(xiàn)出近似的線性遞增規(guī)律；三個不同晶面的單晶鎳基底刮擦產(chǎn)生的相變結(jié)構(gòu),占總結(jié)構(gòu)比例的差異性較小

圖9



圖9不同晶面的HCP原子占比和(HCP+Other)總原子占比隨刮擦距離的變化

Fig.9Relationship between HCP atomic ratio and (HCP+Other) total atom ratio and scratching distance

3 結(jié)論

(1) 鎳單晶不同晶面的剪切應(yīng)變分布不同,與Ni(010)晶面和Ni(111) 晶面相比,Ni(110)晶面的剪切變形更加顯著,導(dǎo)致更多的磨屑原子數(shù)；高溫(700 K)與低溫(5 K)下的剪切應(yīng)變相差甚微,表明在高溫下鎳單晶保持了良好的抗變形能力

(2) 在滾動刮擦過程中切向力更小、磨屑數(shù)更少,但是其顯著的粘附效應(yīng)會引起切向力曲線大幅度振蕩

(3) 緊密接觸區(qū)域的應(yīng)力集中是單晶鎳FCC結(jié)構(gòu)向HCP結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的主因,也是引起位錯滑移與塑性變形的直接因素 與Ni(010)晶面和Ni(111)晶面相比,Ni(110)晶面刮擦產(chǎn)生的具有水平滑移特征的HCP微結(jié)構(gòu)有利于表面磨屑的形成,磨屑堆積在磨粒的正前方

(4) 應(yīng)力集中是材料內(nèi)部塑性環(huán)微結(jié)構(gòu)演變和增殖的驅(qū)動力,應(yīng)力集中達(dá)到一定的程度時塑性環(huán)脫落以釋放內(nèi)部集中的應(yīng)力

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