单晶铜纳米加工过程对其组织结构变化及温度场影响研究

摘要

纳米加工技术是在纳米尺度加工制造各种微结构的技术，标志着国家科技发展水平，并为国防战略发展提供技术保障。纳米加工精度是纳米技术发展水平的标志。然而，目前其发展受到测量技术及加工理论的制约，特别是缺乏对亚表面变形机理的研究。而纳构件亚表面组织结构状态对其力学性能及加工精度等有重要的影响。因此探讨纳米加工过程中纳构件亚表面的形成机理、分析其组织结构变化意义重大。此外，加工过程构件的热变形也是影响加工精度的重要因素。
　　首先，在阅读国内外文献的基础上，对纳米加工过程中亚表面变形层的研究现状作出综合评价；建立了纳米切削过程分子动力学模型，研究纳米加工过程中材料的去除机理和表面形成机理，并分析了纳构件原子的应力分布和有序度变化。仿真结果表明：单晶铜的切削过程中，在刀具附近的构件表面形成位错并扩展；在刀具和工件接触的部位应力较高；切削过程中，纳构件原子的有序度降低。
　　其次，通过前面建好的模型和仿真的结果，并利用球谐函数分析加工过程中纳构件材料的结构变化。研究切削过程中不同切削方向、不同切削速度对亚表面结构变化的影响，以及纳米压痕过程中，压痕深度和压头半径对压痕后的试件亚表面的结构变化影响。仿真结果表明：在纳构件件表面出现正二十面体的结构，并出现密排结构和缺陷的面心立方结构。对于不同的切削方向和切削速度，亚表面变形层区域大小不同，并且正二十面体结构和缺陷面心结构的原子数比例不同。纳米压痕过程中，出现缺陷面心立方结构；随着压痕深度和压头半径的增加，该部原子数比例升高，而变成其他晶体结构的原子数变化不大。
　　最后，进行了纳米加工过程中纳构件温度场的研究。利用统计热力学中的统计温度对加工过程中工件原子的温度进行表征，并研究不同切削参数对纳构件温度场分布的影响。本文还研究了切削过程工件结构变化与其温度场分布的关系。分析结果表明：在纳米切削过程中，构件的温度场呈现以刀尖为中心的同心圆分布，构件的高温范围在300-700°C之间；随着切削速度和切削深度的增加，构件的最高温度变高，温升加大，发生的热变形变大。纳构件的原子结构随构件的温度场高低变化；不同加工速度影响工件的温度分布，进而影响工件的结构变化。

目录

单晶铜纳米加工过程对其组织结构变化及温度场影响研究

STUDY OF STRUCTURAL CHANGES ANDTEMPERTATURE FIELD INNANOFABRICATION PROCESS OF SINGLECRYSTAL COPPER

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 纳米加工过程中材料亚表层组织变化国内外研究现状

1.3 本课题的主要研究内容

第2 章 分子动力学的理论基础

2.1 引言

2.2 分子动力学仿真理论

2.3 分子动力仿真程序设计和模型建立

2.4 纳米加工单晶铜亚表层组织缺陷分析方法

2.5 本章小结

第3 章 单晶铜纳米切削仿真及缺陷演化分析

3.1 引言

3.2 纳米切削单晶铜MD 仿真及分析

3.3 纳米切削过程位错缺陷分析

3.4 本章小结

第4 章 单晶铜加工过程亚表面结构变化分析

4.1 引言

4.2 材料亚表面组织结构分析方法

4.3 单晶铜纳米切削过程结构变化分析

4.4 单晶铜纳米压痕过程结构变化分析

4.5 本章小结

第5 章 单晶铜纳米加工过程温度场分析

5.1 引言

5.2 纳米切削过程工件温度场分析

5.3 单晶铜纳米切削过程中结构变化与其温度场分布的关系

5.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢