单晶镍纳米加工表面与切屑形成机理及影响因素研究-博士学.PDF

博士学位论文公示材料 学生姓名 朱宗孝 学号 1310061 二级学科 机械制造及其自动化 导师姓名 巩亚东 论文题目 单晶镍纳米加工表面与切屑形成机理及影响因素研究 论文研究方向 单晶材料纳米加工仿真 论文关键词 纳米加工；分子动力学；单晶镍；缺陷演化；加工力；加工表面；切屑；最小 加工厚度 论文摘要(中文) 随着材料科学的飞速发展和现代科技对于具有特殊性能零件的需求增加，单晶零件被越来越多的 应用于国民生产的各个行业。在通过机械加工手段得到最终所需要的单晶零件过程中，发现原有的对 于传统材料的加工机理已不再适用于单晶材料的加工。为了从本质上研究单晶材料的加工机理，就必 须从组成单晶材料的原子入手。纳米加工技术很好的集成了机械、计算机、材料和测量等领域的前沿 科技成果，可以实现纳米级表层材料的去除，是从本质上研究单晶材料加工机理的有效手段。然而， 对于纳米加工中材料去除、表层形成及材料的微观结构状态进行系统地研究，需要进行大量纳米级的 加工试验，但是受到当前加工、检测设备精度及实验成本的限制，在单晶材料微-纳尺度加工机理的实 验研究中极难对正在进行的纳米级机械加工过程进行全方位的动态观察和检测。目前国内外普遍采用 分子动力学仿真方法进行纳米切削加工机理的相关研究，并取得了丰硕的研究成果。然而目前多集中 在对单晶铜纳米切削加工过程的研究，而对于航空航天单晶零件中占有较大比重的镍基单晶研究较少。 本文针对单晶镍进行不同加工条件下的纳米加工仿真，采用分子动力学仿真方法，结合材料力学、热 力学、统计物理学和晶体学等基础理论，对单晶镍的纳米加工过程进行了仿真，主要从加工过程中材 料的变形机理、工件内部的缺陷演化、加工系统的温度特性、不同加工条件下的加工结果对比、切屑 形成的条件以及加工表面的性能等几个方面进行深入研究。主要研究工作体现在以下几个方面。 (1) 采用分子动力学方法建立了单晶镍纳米加工和压痕的仿真模型，合理的应用晶体辨识技术和 体现材料微观变化的相关分析手段和方法，为使用分子动力学模拟深入分析单晶镍纳米机械加工机理 提供了技术支撑。 (2) 分析了加工过程中，引导切屑和加工表面形成的内部缺陷原子的位移变化情况，并结合加工 力的大小与工件所发生的变形、内部产生的缺陷进行了综合分析，研究了加工力变化与材料内部发生 弹性位移的原子数和工件内部缺陷结构之间的关系；此外，对影响材料发生晶体转变的两种主要因素 进行了说明；最后对加工过程中系统的温度特性进行了研究，提出了时间平均法对系统温度描述所带 来的误差影响，并分析了导致误差产生的原因。 (3) 建立了不同前角、圆角刀具的纳米加工仿真模型，并在不同加工条件（刀具前角、圆角、加工 速度、加工深度）下进行了单晶镍纳米机械加工的分子动力学仿真；对各种加工条件下得到的加工结 果做了详细分析，对比研究了不同刀具前角、圆角、加工深度、加工速度下的加工力、摩擦系数、反 映切屑形态的切屑高度、反映加工去除率的切屑原子数、反映刀具磨损程度的切屑中完好原子比例、 工件的亚表面损伤程度、已加工表面质量和工件内部温度分布情况。 (4) 对纳米加工中刀具分流点的位置及其与刀具圆角之间的关系进行研究；通过理论计算，对不同 圆角加工时的最小加工厚度做出预估；提出了纳米加工中判断切屑产生的依据，并对不同形态切屑产 生时的材料内部变形和切屑的微观特性进行了研究；从加工力和已加工表面两大方面的入手，考察了 加工深度增加导致不同形态切屑产生时的加工力和已加工表面的变化规律。 (5) 对完整单晶镍和表面存在缺陷的已加工单晶镍进行了纳米压痕仿真；分析了纳米压痕过程中完 整和已加工单晶镍的原子位移变形和内部缺陷演化情况，并进行对比，找到了引起两种不同变形和缺 陷演化方式的主要原因；并对完整和已加工单晶镍的压痕-卸载曲线进行对比，得出了不同表面情况的 硬度和弹性模量值，验证了已加工表面由于内部缺陷所导致的软化效应。 本文通过分子动力学仿真对单晶镍的纳米加工过程进行了深入的探索和研究，有助于了解镍基单晶零 —1— 件的加工机理，为优化单晶零件的加工工艺、提高加工精度及获得较高质量的加工表面提供重要的理 论指导。