基于位错理论的单晶硅纳米切削脆塑转变过程的仿真研究

摘要

随着未变形切屑厚度的改变，单晶硅在超精密切削中存在脆性和塑性两种不同去除模式，一旦在脆性模式下进行去除，已加工表面将会出现裂纹、凹坑等缺陷，严重影响单晶硅加工质量和使用性能。脆性材料这种切削特性与微结构中缺陷演化息息相关，为控制单晶硅去除方式，提高加工质量，本文从发生脆塑转变的微纳米尺度入手，结合位错理论，利用分子动力学探究位错缺陷对脆塑转变过程的影响。
　　首先，为模拟出单晶硅去除模式由塑性转变为脆性这一过程，建立了未变形切屑厚度在切削过程中不断增大的单晶硅纳米切削分子动力学斜坡模型，最大未变形切屑厚度为30nm。
　　其次，分析了非切削状态下单晶硅剪切滑移和解理断裂两种典型变形方式中位错作用机制，探讨了位错塞积和位错反应这两种位错行为对单晶硅力学性能影响。从力、应力、应变角度分析位错行为与单晶硅变形关联性。发现位错可以通过不同行为影响单晶硅内应力状态进而改变其变形方式，为后续分析切削过程尤其是脆塑转变过程中位错作用机制奠定基础。
　　接着，对单晶硅纳米切削脆塑转变过程进行分析，根据单晶硅变形机制不同将切削过程分为不同阶段，从力、能量、应力应变的角度结合切削瞬时位置图阐述了单晶硅的变形机制。对最小切削厚度存在原因、刀具与工件间原子粘结现象进行了探讨。在整个切削过程中，相变原子从0增加到80000个左右，位错数量由0波动增长至40个左右。经过分析认为在整个切削过程中剪应力作用下位错形核运动是释放切削过程中不断增加的原子应变能从而改变单晶硅变形方式的重要作用机制，发现刀具前方产生的不动位错是引导剪切带形成从而使得单晶硅去除模式从塑性转变为脆性的重要影响因素。发生脆塑转变的临界未变形切屑厚度约为15nm。
　　最后，从表面粗糙度、变质层、残余应力等方面对已加工表面完整性进行评价，分析了不同切削阶段下所对应的已加工表面完整差异，从加工质量优劣的角度验证了本文对切削过程中脆塑转变阶段划分的准确性。同时观察了切削过程中产生的位错对已加工表面损伤程度，发现位错作用除了会导致单晶硅脆塑转变外，还会加重已加工亚表层损伤。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究目的与意义

1.2 单晶硅微观结构及其加工性能

1.3 单晶硅纳米切削脆塑转变机理的研究现状

1.4 位错理论在材料去除过程中的应用现状

1.5 目前研究的不足

1.6 论文主要研究内容

第2章 位错理论以及MD理论下单晶硅斜坡模型构建

2.1 引言

2.2 位错理论

2.3 分子动力学仿真模型构建

2.4 本章小结

第3章 位错行为与单晶硅变形关联性分析

3.1 引言

3.2 尺寸效应对材料性质的影响

3.3 剪切滑移

3.4 解理断裂

3.5 位错塞积

3.6 位错反应

3.7 本章小结

第4章 单晶硅纳米切削过程分析

4.1 引言

4.2 总过程初步分析

4.3 弛豫阶段分析

4.4 类压痕阶段分析

4.5 塑性去除阶段

4.6 脆塑转变阶段

4.7 脆性去除阶段

4.8 本章小结

第5章 已加工表面完整性分析

5.1 引言

5.2 变质层

5.3 粗糙度

5.4 残余应力

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢