Ingénierie de l'enlèvement de monocouche atomique de cuivre monocrystallin : impact du rayon d'arête d'outil

Résumé

L'objectif ultime de la coupe mécanique est de réduire l'épaisseur de copeau minimale à une monocouche atomique. Dans cette étude, le mécanisme d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe sur du cuivre monocrystallin est étudié par une série d'analyses de dynamique moléculaire. Les résultats de recherche rapportent que lorsque la profondeur de coupe diminue à l'échelle atomique, l'épaisseur de copeau minimale pourrait être réduite à une monocouche atomique par coupe mécanique en utilisant un outil à arête arrondie. Le comportement d'enlèvement de matériau pendant l'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe présente quatre caractéristiques, incluant la formation de copeau par mouvement de dislocation entraîné par contrainte de cisaillement, la déformation élastique sur la surface traitée, l'effet de taille atomique et l'effet de rayon d'arête de coupe. Sur la base de cette compréhension, un nouveau modèle de coupe est proposé pour étudier le comportement d'enlèvement de matériau dans le processus d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe, significativement différent de ceux pour la nanocoupe et la coupe conventionnelle. Les résultats fournissent un soutien théorique pour la recherche et le développement de la technologie de fabrication à l'échelle atomique et proche de l'atome.

Introduction

La coupe mécanique, comme l'une des méthodes d'usinage soustractif les plus importantes, a été appliquée pour produire des pièces avec une haute qualité de finition de surface [1, 2]. Un grand nombre d'études théoriques et expérimentales ont été menées pour clarifier le mécanisme sous-jacent d'enlèvement de matériau à l'échelle nanométrique afin d'établir et d'enrichir la théorie de base de la nanocoupe [3,4,5,6]. Les résultats de recherche contribuent significativement à l'application de la coupe nanométrique dans le monde académique et industriel, permettant la fabrication de pièces haute performance nécessitant une forme complexe et une qualité de finition de surface nanométrique [7, 8]. Cependant, il n'y a encore aucun rapport sur le mécanisme d'enlèvement de matériau en coupe à l'échelle atomique et proche de l'atome (ACS), limitant sérieusement le progrès du développement de la technologie de fabrication de prochaine génération — la fabrication à l'échelle atomique et proche de l'atome (ACSM), c'est-à-dire la Fabrication III [9]. De plus, le développement progressif des dispositifs à l'échelle atomique a également souligné la demande pour divers procédés d'usinage pour atteindre l'ACSM [10].

Dans la coupe macroscopique conventionnelle, la profondeur de coupe est significativement plus grande que le rayon d'arête de coupe, où l'enlèvement de matériau est réalisé par formation de copeau entraînée par cisaillement du matériau [11,12,13]. En micro/nanocoupe, comme la profondeur de coupe est comparable ou inférieure au rayon d'arête de l'outil, la formation de copeau par extrusion devient progressivement dominante avec la diminution de la profondeur de coupe à l'échelle nanométrique, ce qui est grandement influencé par les effets de rayon d'arête de coupe [14,15,16,17,18,19]. En coupe ACS, comme la profondeur de coupe est encore diminuée à l'échelle proche de l'atome et même à l'échelle atomique, qui est bien inférieure au rayon d'arête de coupe, l'effet de rayon d'arête affecterait inévitablement le comportement d'enlèvement de matériau.

De plus, contrairement à la coupe conventionnelle et à la micro/nanocoupe, en coupe ACS, la profondeur de coupe n'est pas seulement significativement inférieure au rayon d'arête de coupe, mais aussi comparable ou même inférieure au rayon des atomes de la pièce. Le comportement pratique d'enlèvement de matériau serait modifié à différents rapports de la profondeur de coupe au rayon atomique de la pièce, ce qui est reconnu comme un nouvel effet de taille, c'est-à-dire l'effet de taille atomique [20]. Par conséquent, en coupe ACS, tanto l'effet de rayon d'arête de coupe que l'effet de taille atomique doivent être considérés. Cependant, il n'y a aucun rapport sur cette question critique dans l'étude de la technologie de coupe ACS.

Pour ces raisons, dans la présente étude, l'effet de taille atomique et l'effet de rayon d'arête sur le mécanisme d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe sont étudiés en utilisant la modélisation par dynamique moléculaire (DM).

Cet article est structuré par les sections suivantes. La section 2 introduit la méthodologie utilisée, incluant la modélisation et le protocole, la fonction de potentiel appropriée. La section 3 présente les résultats d'analyse et les discussions pertinentes. La section 4 discute le mécanisme détaillé d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe, sous l'influence couplée de l'effet d'arête de coupe et de l'effet de taille atomique. Les conclusions de l'étude sont tirées dans la section 5.

Méthodologie

Modèle de simulation et protocole

Comme la profondeur de coupe diminue à l'échelle atomique ou proche de l'atome, il est en effet difficile d'observer expérimentalement le processus d'enlèvement de matériau en pratique. Dans cette étude, une série de simulations DM sont conduites pour analyser le mécanisme d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe, en se concentrant emphatiquement sur l'effet de taille atomique de la pièce et l'effet de rayon d'arête de coupe.

La Fig. 1 montre les instantanés pour la configuration atomique du modèle de coupe diamant-cuivre, qui consiste en une pièce de cuivre monocristallin et un outil de coupe en diamant. Les simulations sont conduites sur le plan (111) de cuivre monocristallin. Les dimensions de la pièce dans les directions x-[1 -1 0], y-[1 1 -2] et z-[1 1 1] sont respectivement 27, 10 et 5 nm. Pendant les simulations DM, les atomes de la pièce sont divisés en atomes de couche de frontière, atomes de couche thermostatique et atomes de couche newtonienne, respectivement, comme montré à la Fig. 1. Les deux couches au fond de la pièce, à savoir la couche de frontière, sont maintenues fixes pendant les simulations DM, pour éliminer la translation de position de la pièce induite par la coupe. Les trois couches atomiques adjacentes à la couche de frontière sont les atomes de couche thermostatique. La température de la couche thermostatique est maintenue à 298 K par des méthodes de remise à l'échelle de vitesse. Les atomes restants de la pièce appartiennent à la couche newtonienne. Dans les simulations présentes, l'angle de dépouille et l'angle de dégagement de l'outil de coupe sont de 0° et 12°. Les paramètres détaillés du modèle sont résumés au Tableau 1. Puisque la coupe ACS est préférablement conduite à une vitesse de coupe plus faible, une vitesse de coupe de 25 m/s le long de la direction [-1 1 0] est utilisée après avoir considéré l'effet de la vitesse de coupe et le coût de temps de calcul.

Fonction de potentiel

Le système de coupe cuivre-diamant implique principalement deux types d'atomes, à savoir le cuivre et les atomes de diamant. Dans les simulations DM, les interactions interatomiques doivent être décrites avec précision pour assurer l'exactitude calculatoire des résultats de simulation. Ainsi, la sélection raisonnable de la fonction de potentiel est critique. Dans cette étude, la méthode de l'atome immergé (EAM) fréquemment utilisée est adoptée pour décrire les interactions interatomiques entre atomes de cuivre [21]. La fonction de Morse est appliquée pour calculer les interactions entre atomes de cuivre et atomes de diamant (Cu-C), dépendant principalement de r.

$$ E={D}_0\left[{e}^{-2\alpha \left(r-{r}_0\right)}-2{e}^{\alpha \left(r-{r}_0\right)}\right] $$ (1)

où E et D₀ font référence à l'énergie potentielle de paire et l'énergie de cohésion, α représente une constante, r₀ est la distance d'équilibre, et r est la distance entre deux atomes. Pour les interactions Cu-C, D₀ est 0,087 eV, r₀ est 0,205 nm [22], et α est 51,40 nm⁻¹. Pour les interactions entre atomes de carbone dans l'outil de coupe (C-C), la résistance de liaison significativement plus forte entre atomes de diamant que les atomes de cuivre est négligeable. L'outil de coupe est considéré comme rigide pendant l'analyse.

Définition de la profondeur de coupe

La profondeur de coupe (a) est définie comme la distance entre le point le plus haut de la surface de la pièce et le point le plus bas de l'outil de coupe. La taille d'un atome de pièce est généralement représentée par le rayon atomique (r_w). Comme donné à la Fig. 2, lorsque la première couche atomique supérieure est ciblée pour être enlevée de la surface de la pièce, théoriquement, la profondeur de coupe maximale utilisée peut être obtenue comme suit :

$$ {a}_{\mathrm{max}}={r}_w+0,5\ast {d}_{layer} $$ (2)

Ici, d_layer représente l'espacement entre les couches atomiques voisines supérieures sur la surface de la pièce. Dans cette étude, toutes les analyses sont basées sur la surface (111) de la pièce en cuivre monocrystallin ; par conséquent, le r_w dans l'Éq. (2) fait référence au rayon des atomes de cuivre, à savoir 1,28 Å. Le d_layer est de 2,087 Å. Lorsque a est plus grand que a_max, le point le plus bas de l'outil de coupe entrera en contact direct avec la seconde couche atomique et pourra induire une déformation de matériau et même un enlèvement. Par conséquent, dans la présente étude, les profondeurs de coupe utilisées sont inférieures à a_max (2,32 Å).

Basé sur les résultats, le mécanisme fondamental d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe sera grandement modifié à diverses combinaisons des rapports de a à R et a à r_w.

Résultats et discussion

Selon les résultats DM, tanto l'effet de taille atomique que l'effet de rayon d'arête de coupe ont grandement influencé le processus d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe. Dans les sections suivantes, pour décrire clairement l'effet de taille atomique et l'effet de rayon d'arête d'outil, le rapport de la profondeur de coupe (a) au rayon atomique de la pièce (r_w), a/r_w, et celui de la profondeur de coupe (a) au rayon d'arête (R), a/R, sont employés. Les résultats d'analyse sont étudiés systématiquement sous les aspects de formation de copeau, génération de surface, déformation sous-surface et comportement de déplacement atomique. Les résultats fournissent des aperçus détaillés sur les caractéristiques typiques du mécanisme d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe.

Formation de copeau

Les résultats d'analyse indiquent qu'en raison de l'effet de taille atomique de la pièce [20], il existe deux valeurs critiques du rapport de la profondeur de coupe (a) au rayon atomique de la pièce (r_w), à savoir la valeur critique 1 (C₁) et la valeur critique 2 (C₂), qui divisent le comportement de formation de copeau en différents cas.

1. Le rapport de a/r_w plus petit que la valeur critique 1 (C₁).

La Fig. 3 montre les résultats de simulation DM à divers rayons d'arête d'outil à la profondeur de coupe d'environ 1,1 Å. Ici, le rapport de la profondeur de coupe (a) au rayon atomique de la pièce (r_w) est de 0,781.

Malgré l'augmentation du rayon d'arête de coupe, il y a une déformation élastique se produisant sur chaque surface Cu (111) traitée. Il n'y a pas de formation de copeau et d'enlèvement de matériau sur le processus de coupe. L'étude montre que la profondeur de coupe devrait être plus grande qu'environ 1,1 Å pour permettre l'enlèvement de matériau sur la surface Cu (111).

1. Le rapport de a/r_w est plus grand que C1, mais plus petit que la valeur critique 2 (C₂).

Lorsque la profondeur de coupe est plus grande qu'environ 1,1 Å, à savoir le rapport de a/r_w est plus grand que 0,781, il y a un enlèvement de matériau se produisant sur la surface de la pièce. Comme montré à la Fig. 4, une partie du matériau est enlevée de la surface de la pièce, mais un plus grand nombre d'atomes dans la première couche supérieure reste sur la nouvelle surface traitée, formant des défauts de surface. De plus, comme le rayon d'arête augmente à 7,5 nm, le rapport de a/R est 0,019. Dans un tel cas, une partie des atomes de la première couche atomique a été pressée dans la seconde couche et même la troisième couche atomique, comme montré à la Fig. 4e, ce qui devrait être attribué à l'action d'extrusion de l'outil de coupe. Cela indique également que l'effet de rayon d'arête d'outil commence à exercer une influence sur le processus d'enlèvement de matériau, bien qu'un enlèvement de matériau continu ne puisse pas être obtenu.

1. Le rapport de a/r_w est plus grand que C₂.

La Fig. 5 montre la formation de copeau à la profondeur de coupe d'environ 2 Å. Ici, le rapport de a/r_w = 2 Å/1,28 Å = 1,563. Comparé à la Fig. 3, avec une augmentation de la profondeur de coupe à 2 Å, les atomes dans la couche atomique ciblée pourraient être enlevés de manière continue et stable par formation de copeau. Cela indique que la profondeur de coupe a été plus grande que l'épaisseur de copeau minimale du cuivre monocrystallin, et l'épaisseur de copeau minimale pourrait être réduite à une monocouche atomique avec une profondeur de coupe d'environ 2 Å. Après la coupe, les matériaux dans la première couche atomique ont été entièrement enlevés de la surface de la pièce.

Cependant, on peut aussi remarquer à la Fig. 5 que, en raison de l'augmentation du rapport de a/R, les atomes dans la première couche atomique subissent des processus d'enlèvement évidement différents, en particulier la déformation induite par la coupe sur la surface traitée. À la profondeur de coupe de 2 Å, lorsque l'outil de coupe aigu est utilisé, à savoir le rapport de a/R est 5,70, seule une légère déformation se produit sur la surface traitée. Comme le rayon d'arête de coupe augmente à 3 nm, le rapport de a/R est 0,134, l'amplitude de la déformation élastique a été évidement augmentée.

Lorsque le rayon d'arête d'outil est augmenté à 4 nm, comme donné à la Fig. 5d, de nombreux atomes dans la première couche atomique ciblée ont été pressés dans la seconde couche atomique, formant la nouvelle surface traitée. Au rayon d'arête d'outil d'environ 7,5 nm, une partie des atomes de la première couche est même diffusée dans la troisième couche atomique. Lorsque le rayon d'arête d'outil atteint environ 10 nm, une déformation élastique et plastique évidente se produit, ce qui peut être également déterminé dans la Section 3.3 suivante.

Par conséquent, l'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe dépend non seulement du rapport de a/r_w, mais aussi du rapport de a/R. Pour atteindre l'enlèvement de monocouche atomique par coupe mécanique, c'est-à-dire l'enlèvement de matériau à l'échelle atomique, tanto les effets de taille atomique que l'effet de rayon d'arête de coupe doivent être considérés, significativement différent de la micro/nanocoupe et de la coupe macroscopique conventionnelle.

Génération de surface

Un objectif de l'enlèvement de couche atomique basé sur la coupe est d'obtenir la surface traitée sans défaut avec une structure cristalline idéale. L'effet de taille atomique de la pièce sur la génération de surface en coupe ACS a été étudié récemment [20]. Dans l'étude présente, pour indiquer clairement l'effet de rayon d'arête de coupe sur la génération de surface en coupe ACS, la topographie de surface et la composition de surface de la nouvelle surface traitée sont étudiées comme suit.

Topographie de surface

La Fig. 6 montre les topographies de surface de la surface Cu (111) traitée à différents rayons d'arête. Ici, une profondeur de coupe de 2 Å est adoptée. Comme montré aux Fig. 6a, b, lorsque le rayon d'arête d'outil est plus petit que 3 nm, les surfaces Cu (111) avec une structure cristalline idéale pourraient être obtenues. Quant aux défauts du côté gauche de la surface de la pièce, c'est dû à la déformation pendant la sortie de coupe de l'outil. Pendant la coupe à un stade stable, il n'y a pas de défaut de surface formé sur la surface traitée.

Comme le rayon d'arête d'outil augmente, cependant, de nombreux défauts sont progressivement formés sur la surface traitée. Au rayon d'arête de 4 nm, de nombreux défauts de type piqué sont formés sur la surface traitée, voir Fig. 6d. De plus, lorsque le rayon d'arête d'outil est égal ou plus grand que 5 nm, il y a un grand nombre de défauts de surface formés, détériorant sérieusement la qualité de surface. Dans un tel cas, plus d'une couche d'atomes a été enlevée de la surface de la pièce. Par conséquent, on peut déterminer qu'à la profondeur de coupe de 2 Å, lorsque le rayon d'arête d'outil est plus petit que 3 nm, l'enlèvement de monocouche atomique pourrait être atteint sur la surface Cu (111). En raison de l'effet de rayon d'arête de coupe, le rapport de la profondeur de coupe (a) au rayon d'arête (R) devrait être plus grand qu'un seuil, afin d'atteindre une surface traitée sans défaut via l'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe. Ici, la valeur critique du rapport de a/R est [0,05, 0,067].

Composition de surface

La Fig. 7 montre la composition des surfaces traitées à divers rayons d'arête d'outil et la profondeur de coupe de 2 Å. Ici, les atomes verts et bleus sont ceux des première et seconde couches, tandis que les atomes rouges sont ceux en dessous de la seconde couche atomique. Comme montré à la Fig. 7a, lorsque un outil de coupe aigu est utilisé, le rapport de a/R est 2,85, la surface traitée ne consiste que d'atomes de la première couche. Ce résultat indique que la première couche atomique ciblée a été entièrement enlevée de la pièce. De plus, cela signifie que l'enlèvement de matériau est conduit sous la forme couche par couche, dans laquelle les matériaux enlevés proviennent seulement de la première couche atomique ciblée sur la surface de la pièce.

Cependant, lorsque le rayon d'arête d'outil est de 2 nm et 3 nm, comme montré aux Fig. 7b, c, les surfaces traitées sont composées de deux couches atomiques (bleu et vert). Cela indique que bien que l'enlèvement de monocouche atomique ait été atteint, le processus de génération de surface implique un minimum de 2 couches atomiques. De plus, lorsque le rayon d'arête d'outil est plus grand que 4 nm, il y a un grand nombre d'atomes de la première couche atomique sur la surface traitée, indiquant que de nombreux atomes de la première couche ont été pressés pour générer une nouvelle surface.

Par conséquent, avec une augmentation du rayon d'arête de coupe, la génération de surface a été grandement modifiée. Deux types de mécanismes de génération de surface impliqués sont résumés ci-dessous :

1. Couche par couche : la première couche atomique ciblée est entièrement enlevée pour générer une nouvelle surface traitée. Seuls les atomes dans la première couche sont enlevés pendant le processus de coupe.

2. Enlèvement multi-couches : bien que l'enlèvement de monocouche atomique puisse être réalisé, les atomes dans la couche atomique ciblée subissent deux comportements de déplacement typiques. Une partie des atomes serait formée en copeau par mouvement de dislocation entraîné par contrainte de cisaillement, tandis que les autres seraient extrudés dans la surface traitée, sous l'action de l'outil de coupe. Le processus d'enlèvement de matériau implique un minimum de deux couches atomiques.

Mécanisme de déformation sous-surface

En nanocoupe, il y a une déformation élastique et plastique sur la surface traitée pendant le processus de coupe. Après que l'outil de coupe passe sur la surface de la pièce, la portion élastique revient, tandis que la partie déformée plastiquement entraînerait une déformation durable [1, 2]. Comme la profondeur de coupe diminue à l'échelle atomique, dans la coupe vers l'enlèvement de monocouche atomique, il est postulé qu'il n'y a que la déformation élastique se produisant sur la surface traitée. Pour le vérifier, les états de déformation sous-surface de la pièce pendant et après la coupe sont analysés. La Fig. 8 illustre les structures de défauts dans le sous-surface de la pièce à divers rayons d'arête d'outil. Ici, les atomes sont colorés basés sur le paramètre de centro-symétrie (CSP), et les atomes avec un CSP inférieur à 3 sont omis, qui représentent ceux avec une structure CFC parfaite.

Lorsque le rayon d'arête de coupe est plus petit que 4 nm, aucun défaut sous-surface n'est formé dans la surface traitée. Il n'y a que la déformation élastique sur la surface traitée en coupe.

Comme montré à la Fig. 8, lorsque le rayon d'arête de coupe est égal ou plus grand que 4 nm, il y a des défauts sous-surface initialisés. De plus, comme le rayon d'arête de coupe augmente, le nombre de défauts sous-surface est significativement augmenté. Lorsque le rayon d'arête atteint environ 10 nm, une boucle de dislocation a été formée, et elle ne pourrait pas disparaître après la coupe, comme montré à la Fig. 9e. Cela indique clairement la déformation plastique se produisant sur la surface traitée.

Après que l'outil passe sur la surface de la pièce, la portion déformée élastiquement reviendrait ; ainsi, des parties des défauts sous-surface sont annihilées. Comme affiché aux Fig. 9a–c, finalement, il n'y a pas de défaut sous-surface existé, lorsque le rayon d'arête d'outil est de 2 nm ou 3 nm.

Quant à la portion déformée plastiquement, elle entraîne une déformation durable. Comme montré à la Fig. 9, lorsque le rayon d'arête d'outil est de 7,5 nm, il y a un petit nombre de défauts sous-surface restés. Lorsque le rayon d'arête d'outil est de 10 nm, la boucle de dislocation et le défaut d'empilement sont finalement existés dans le sous-surface de la pièce.

Basé sur l'analyse ci-dessus, on peut inférer que pour permettre l'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe, la déformation plastique devrait être évitée, et seule la déformation élastique est permise sur la surface traitée. C'est considéré comme une caractéristique distinctive du processus d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe.

Comportement de déplacement atomique

Selon les fichiers de trajectoire DM, le mouvement de dislocation a dominé le processus d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe. La Fig. 10 montre les résultats de simulation en utilisant différents rayons d'arête d'outil. Au rayon d'arête de 2 nm, sous l'action de l'outil de coupe, seule la première couche atomique glisse le long de la direction de coupe pour former en copeau, tandis que les autres restent immobilisés. Cela pourrait être considéré comme une section transversale d'une dislocation de bord.

Comme le rayon d'arête d'outil augmente, une partie du matériau dans la première couche atomique a été pressée dans la surface traitée, induisant le glissement des couches atomiques en dessous de la première couche. De plus, comme le rayon d'arête d'outil augmente, le nombre de couches atomiques subissant le processus de glissement de matériau tend à croître. Lorsque le rayon d'arête d'outil est de 4 nm, excepté la première couche atomique, la seconde couche atomique conduit également le glissement de matériau le long de la direction de coupe, comme illustré à la Fig. 10. Lorsque le rayon d'arête d'outil est de 7,5 nm, comme l'outil de coupe avance, les trois couches atomiques supérieures sur la surface de la pièce ont glissé le long de la direction de coupe. De plus, lorsque le rayon d'arête d'outil est augmenté à 10 nm, une grande quantité de matériau a été pressée pour former une nouvelle surface traitée ; il y a une déformation plastique (voir Fig. 10e) se produisant sur la surface de la pièce, ce qui peut être également déterminé à la Fig. 9.

La Fig. 11 montre le processus de glissement de la couche atomique ciblée le long de la direction de coupe. La zone de glissement est continuellement agrandie avec l'outil de coupe avançant. À la distance de coupe de 17,5 nm, la zone de glissement a atteint une valeur maximale. Par la suite, les matériaux dans la zone de glissement sont continuellement formés en copeau ; le volume du copeau est également augmenté.

Globalement, selon l'analyse dans les Sections 3.3 et 3.4, comme le rayon d'arête d'outil augmente, tanto le mécanisme de déformation sous-surface que le comportement de déplacement atomique ont grandement changé. À différents rayons d'arête d'outil, différents nombres de couches atomiques tendent à glisser le long de la direction de coupe, tandis que différents régimes de déformation se produisent sur la surface traitée, comme résumé au Tableau 2. De plus, on peut trouver que dans le processus d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe, la formation de copeau est gouvernée par le mouvement de dislocation entraîné par contrainte de cisaillement, significativement différent de la formation de copeau en coupe conventionnelle et nanocoupe. Cela peut être également considéré comme une caractéristique distinctive de l'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe.

Force de coupe

Influence de l'effet de rayon d'arête

La Fig. 12 montre l'effet de rayon d'arête de coupe sur les forces de coupe moyennes à la profondeur de coupe de 2 Å. Ici, les composantes tangentielle et normale des forces de coupe, à savoir F_t et F_n, sont comparées. Comme illustré, pour un outil de coupe aigu, le rapport de a/R est 2,85, et le F_t de 16,4 nN est évidement plus petit que F_n de 23,7 nN. Comme le rayon d'arête d'outil augmente, tanto F_t que F_n sont augmentés. Cependant, le F_n a exhibé des amplitudes de croissance grandement plus grandes que F_t. Cela indique clairement que comme le rayon d'arête d'outil augmente, la force de coupe normale aurait un effet plus grand sur le processus d'enlèvement de matériau au processus de coupe ACS. Cependant, lorsque le rayon d'arête d'outil est plus grand qu'environ 3 nm, l'enlèvement de monocouche atomique ne pourrait pas être atteint. Ainsi, une force de coupe normale plus grande ne serait pas utile pour permettre l'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe, et une force de coupe normale plus faible devrait être préférablement adoptée.

Comme les forces de coupe normales fournissent la contrainte de compression pour permettre la déformation élastique et/ou plastique sur la surface traitée, les forces de coupe tangentielles fourniraient la contrainte de cisaillement pour la formation de copeau. Par conséquent, on peut inférer que la formation de copeau dans l'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe devrait être principalement entraînée par la force de coupe tangentielle. On peut aussi le voir à la Fig. 12b que le F_t a exhibé trois types de changements, ce qui mène à différentes topographies de surface (voir Fig. 6), incluant les suivants :

Lorsque le rayon d'arête d'outil est plus petit qu'environ 3 nm, à savoir le rapport de a/R est 0,067, le F_t reste approximativement inchangé, et il est toujours plus petit que 25 nN, alors que le rayon d'arête augmente. Dans un tel cas, seule une couche atomique est enlevée de la surface de la pièce.

Lorsque le rayon d'arête d'outil est de 3 nm et 5 nm, les rapports de a/R sont 0,04 et 0,067, tandis que F_t est évidement augmenté à environ 38,5 nN. Conséquemment, plus d'une couche atomique est enlevée de la surface de la pièce, mais il y a un petit nombre de défauts de surface formés.

Quant au rayon d'arête de plus de 5 nm, F_t converge aussi progressivement vers une valeur constante. Dans ce cas, plus d'une couche atomique est enlevée. Cependant, de grands nombres de défauts de surface sont formés sur la surface de la pièce et le sous-surface.

On peut conclure qu'une force de coupe tangentielle très faible pourrait permettre l'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe à un rayon d'arête raisonnable, tel que 2 nm. En retour, l'enlèvement de monocouche atomique ne pourrait pas être réalisé, malgré la force de coupe tangentielle plus grande.

Influence de l'effet de taille atomique

La Fig. 13 donne davantage le graphique des forces de coupe versus profondeur de coupe au rayon d'arête de 2 nm. On peut trouver qu'au rayon d'arête de coupe de 2 nm, comme la profondeur de coupe augmente, tanto la force de coupe normale que la force de coupe tangentielle ont exhibé des changements en trois étapes. Il y a des changements évidents à la profondeur de coupe d'environ 1,1 Å et 1,6 Å. Les rapports correspondants de la profondeur de coupe (a) au rayon atomique de la pièce (r_w) sont 0,055 et 0,080, qui sont les deux valeurs critiques susmentionnées de a/r_w, C₁ et C₂, comme dépeints dans la Section 3.1.

Lorsque la profondeur de coupe est plus petite que 1,1 Å, à savoir le rapport de a/r_w est moins que 0,055, F_t est toujours 0 nN, tandis que F_n est linéairement augmenté à environ 32 nN. Cependant, les forces de coupe ne pourraient pas permettre la déformation plastique et l'enlèvement de matériau sur la surface de la pièce. Conséquemment, il n'y a que la déformation élastique sur la surface de la pièce, comme montré à la Fig. 3.

Lorsque la profondeur de coupe est plus grande que 1,1 Å, mais plus petite que 1,6 Å, le rapport de a/r_w est plus que 0,055 mais moins que 0,080. Dans ce cas, F_t a grandement augmenté de 0 nN à environ 25 nN, tandis que F_n a encore augmenté à environ 58 nN. Les forces de coupe sont assez grandes pour permettre l'enlèvement de matériau sur la surface de la pièce. À la profondeur de coupe de 1,4 Å, il y a formation de copeau et enlèvement de matériau sur la surface de la pièce. Mais l'enlèvement de matériau stable et continu ne pourrait pas être réalisé et de nombreux défauts sont formés sur la surface traitée, comme montré à la Fig. 4.

Lorsque la profondeur de coupe est plus grande que 1,6 Å, tanto F_t que F_n sont assez grandes pour permettre l'enlèvement de matériau continu sur la surface de la pièce. Conséquemment, le copeau est stablement formé sur la surface de la pièce, et la couche atomique ciblée est continuellement enlevée via formation de copeau, formant une nouvelle surface traitée, comme montré aux Fig. 5b et Fig. 6b.

Globalement, tanto l'effet de rayon d'arête de coupe que l'effet de taille atomique ont une influence sur la force de coupe dans le processus d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe, modifiant ainsi le processus d'enlèvement de matériau et de génération de surface.

Discussions sur le mécanisme d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe

Selon l'analyse ci-dessus, tanto l'effet de taille atomique que l'effet de rayon d'arête de coupe ont une grande influence sur le mécanisme d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe. Comme résumé au Tableau 3, selon le rapport de la profondeur de coupe au rayon atomique de la pièce (a/r_w) et le rapport de la profondeur de coupe au rayon d'arête (a/R), il y a au minimum 5 cas typiques de comportements de déformation et d'enlèvement de matériau dans le processus d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe. Dans cette section, le mécanisme fondamental de déformation et d'enlèvement de matériau de chaque cas est résumé.

Dans l'usinage conventionnel, comme la profondeur de coupe est significativement plus grande que le rayon d'arête de coupe, l'effet de rayon d'arête de coupe peut être ignoré. Comme la profondeur de coupe est diminuée à l'échelle nanométrique, qui est comparable ou inférieure au rayon d'arête, l'effet de rayon d'arête ne peut plus être ignoré. En nanocoupe, le processus d'enlèvement de matériau est dominé par la déformation d'extrusion, qui est grandement influencée par le rayon d'arête de coupe. Comme la profondeur de coupe est encore diminuée à l'échelle atomique, excepté l'effet de rayon d'arête de coupe, un nouvel effet de taille, l'effet de taille atomique [20] a une grande influence sur l'enlèvement de matériau.

Comme montré à la Fig. 14, dans le processus d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe, il y a deux portions impliquées dans la coupe, à savoir l'arête de coupe nanométrique et les atomes les plus bas de l'outil de coupe (B). De telles deux portions pourraient être couplées pour permettre l'enlèvement de monocouche atomique. La taille de l'arête de coupe, considérée comme « nano-outil », est décrite par le rayon d'arête (R). L'arête de coupe est la courbe enveloppe des atomes les plus externes dans l'outil de coupe. Concernant les atomes les plus bas, comme « outil atomique », il est décrit par le rayon atomique de la pièce (r_w). L'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe est le résultat des actions couplées du nano-outil et de l'outil atomique sur le matériau de la pièce.

Premièrement, selon le rapport de la profondeur de coupe (a) au rayon atomique de la pièce (r_w), c'est-à-dire a/r, il y a trois types de comportement de déformation de matériau dans le processus de coupe ACS.

1. Le rapport de a/r_w est plus petit que la valeur critique 1 (C₁).

Comme montré à la Fig. 15, la formation de copeau ne se produit pas, mais la déformation élastique se produit sur la surface de la pièce. Pendant le processus de coupe, après que la pièce passe le point le plus bas de l'outil de coupe, la partie déformée élastiquement récupérerait complètement. Conséquemment, aucune déformation et enlèvement de matériau ne se sont produits sur la surface supérieure. Dans un tel cas, l'effet d'arête d'outil pourrait être ignoré. Ce rapport pourrait être affecté par les propriétés du matériau (cas 1).

1. Le rapport de a/r_w est plus grand que C₁, mais plus petit que la valeur critique 2 (C₂).

Comme le rapport de la profondeur de coupe au rayon atomique (a/r_w) augmente pour être plus grand que C₁ mais plus petit que la valeur critique 2 (C₂), il y a un enlèvement de matériau sur la surface de la pièce, mais il est non-continu. Dans un tel cas, seulement une partie du matériau dans la couche atomique ciblée est formée en copeau par mouvement de dislocation entraîné par contrainte de cisaillement, tandis que les autres restent sur la surface de la pièce. Lorsque l'outil de coupe passe sur la surface de la pièce, la qualité de surface de la surface traitée est sérieusement détériorée (cas 2) (Fig. 16).

1. Le rapport de a/r_w est plus grand que la valeur critique 2 (C₂).

Lorsque le rapport de la profondeur de coupe au rayon atomique (a/r_w) augmente pour être plus grand que la valeur critique, il y a un enlèvement de matériau continu par formation de copeau pendant le processus de coupe. Dans un tel cas, les effets de rayon d'arête ne peuvent plus être ignorés. Pour le processus de coupe ACS, la profondeur de coupe maximale est d'ordre sub-nanométrique. À une profondeur de coupe aussi extrêmement faible, indépendamment de l'angle de dépouille nominal, l'angle de dépouille effectif est toujours largement négatif. La face de dépouille négative peut produire le stress de cisaillement nécessaire pour permettre la formation de copeau par mouvement de dislocation et la force de compression pour permettre la déformation élastique et/ou plastique sur la surface traitée.

Selon le rapport de la profondeur de coupe (a) au rayon d'arête d'outil (R), différents types de processus de déformation élastique et/ou plastique se produisent sur la surface de la pièce. Il y a deux valeurs seuils de a/R, à savoir la valeur seuil 1 (T₁) et la valeur seuil 2 (T₂), menant à différents processus d'enlèvement de matériau.

1. Le rapport de a/R est plus grand que le seuil (T₁).

Comme montré à la Fig. 17, il y a un plan de glissement atomique. Le matériau de la pièce en dessous de ce plan aurait une déformation élastique. Quant aux matériaux au-dessus de ce plan de glissement, ils subissent une déformation plastique par mouvement de dislocation. Une partie des matériaux est aussi formée en copeau par mouvement de dislocation entraîné par contrainte de cisaillement, tandis que l'autre subit le glissement de dislocation. Après que la pièce passe le point le plus bas de l'outil de coupe, la partie déformée élastiquement récupère complètement (cas 3).

1. Le rapport de a/R est plus petit que le seuil 1 (T₁), mais plus grand que le seuil 2 (T₂).

Sous l'action de l'arête de coupe, un minimum de deux couches atomiques subissent le glissement de dislocation, tandis que la déformation élastique se produit sur la surface traitée, comme montré à la Fig. 18. L'arête de coupe fournit une force pour générer le stress de cisaillement pour permettre la formation de copeau par mouvement de dislocation et le stress de compression pour induire la déformation élastique sur la surface traitée. Dans un tel cas, une partie du matériau dans la couche atomique ciblée est formée en copeau par mouvement de dislocation, tandis que l'autre est extrudée dans d'autres couches atomiques pour former une nouvelle surface traitée. Cela entraîne aussi le glissement d'autres couches atomiques sur la surface de la pièce, menant à la montée de dislocation négative. Après que le matériau de la pièce passe le point le plus bas de l'outil de coupe, la portion élastique revient (cas 4).

1. Le rapport de a/R est plus petit que le seuil 2 (T₂).

Comme le rapport de a/R diminue pour être plus bas que T₂, il n'y a soit pas de formation de copeau, soit un volume de copeau extrêmement petit, mais une déformation élasto-plastique se produit sur la surface traitée, comme montré à la Fig. 19. Après que le matériau de la pièce passe le point le plus bas de l'arête de coupe, la partie déformée élastiquement revient. La partie déformée plastiquement (Δ) entraîne une déformation durable. Un tel rapport est lié aux propriétés du matériau, à la géométrie de l'outil et aux conditions de processus (cas 5).

Conclusions

Dans l'étude présente, tanto l'effet de taille atomique que l'effet de rayon d'arête de coupe sont analysés pour étudier leur influence sur la formation de copeau, la génération de surface, la déformation sous-surface et le comportement de déplacement atomique pendant la coupe de cuivre monocrystallin vers l'enlèvement de monocouche atomique. Les conclusions suivantes peuvent être tirées.

1. Un nouveau modèle est proposé pour décrire le mécanisme sous-jacent de déformation et d'enlèvement de matériau dans le processus d'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe, qui présente quatre caractéristiques, incluant la formation de copeau par mouvement de dislocation, la déformation élastique se produisant sur la surface traitée, l'effet de taille atomique et l'effet de rayon d'arête de coupe.

2. Tanto l'effet de taille atomique que l'effet de rayon d'arête de coupe ont une grande influence sur la déformation et l'enlèvement de matériau pendant le processus de coupe de cuivre monocrystallin vers l'enlèvement de monocouche atomique. Avec un rapport spécifique de la profondeur de coupe au rayon d'atome de la pièce (a/r_w) et celui de la profondeur de coupe au rayon d'arête (a/R), l'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe pourrait être atteint sur la surface Cu (111).

3. La formation de copeau est affectée par les rapports de a/r_w et a/R. Il y a une formation de copeau seulement lorsque le rapport de a/r_w est plus grand qu'une valeur critique (C1) et le rapport de a/R est plus petit qu'une valeur seuil (T1). De plus, la formation de copeau dépend principalement du mouvement de dislocation entraîné par contrainte de cisaillement, significativement différent de la formation de copeau dominée par extrusion en nanocoupe et de la formation de copeau dominée par cisaillement en usinage conventionnel.

4. L'enlèvement de monocouche atomique peut être atteint via l'enlèvement couche par couche et l'enlèvement multi-couches. Le premier fait référence à ce que la couche atomique ciblée pourrait être entièrement enlevée de la surface de la pièce. Le second signifie que la première couche atomique est partiellement enlevée tandis que les matériaux restants sont pressés dans d'autres couches atomiques, formant une nouvelle surface traitée.

5. Il n'y a que la déformation élastique se produisant sur la surface traitée pendant le processus de coupe ACS, différent de la déformation élasto-plastique en nanocoupe. Cela peut être considéré comme une caractéristique distinctive en coupe ACS.

6. Selon l'effet combiné de l'effet de taille atomique et de l'effet de rayon d'arête de coupe, il existe cinq cas de processus de déformation et d'enlèvement de matériau pendant l'enlèvement de monocouche atomique basé sur la coupe : aucun matériau de pièce n'est enlevé (cas 1), les matériaux de pièce sont non-continûment enlevés (cas 2), une partie des matériaux est formée en copeau tandis que les autres subissent le glissement de matériau via mouvement de dislocation (cas 3), une partie des matériaux dans la couche atomique ciblée est formée en copeau tandis que les autres sont extrudés dans d'autres couches atomiques pour former une nouvelle surface traitée (cas 4), et la partie déformée élastiquement revient, tandis que la partie déformée plastiquement entraîne une déformation durable (cas 5).

Disponibilité des données et matériaux

Les auteurs déclarent que les matériaux, données et protocoles associés sont disponibles pour les lecteurs, et toutes les données utilisées pour l'analyse sont incluses dans cet article.

Abréviations

ACS :

Échelle atomique et proche de l'atome

ACSM :

Fabrication à l'échelle atomique et proche de l'atome

DM :

Dynamique moléculaire