单晶铜单原子层切削去除机制：刀具刃刃半径的影响

摘要

机械切削的终极目标是将最小切屑厚度降至单原子层。本研究通过分子动力学（MD）系列分析，探究单晶铜切削基单原子层去除机制。研究发现：当切削深度降至原子尺度，使用圆刃刀具可将最小切屑厚度降至单原子层。切削基单原子层去除的材料去除行为呈现四大特征：剪切应力驱动位错运动形成切屑、加工表面弹性变形、原子尺寸效应、刃刃半径效应。基于此理解，提出新切削模型研究单原子层去除过程中的材料去除行为，显著区别于纳米切削和传统切削模型。成果为原子及近原子尺度制造技术（ACSM，即制造III）的研发提供理论支撑。

引言

机械切削作为重要减材制造方法，广泛用于生产高表面质量零件。大量理论与实验研究阐释纳米尺度材料去除机制，建立丰富纳米切削理论，推动纳米切削在学术界和工业界应用，实现复杂形状纳米级表面质量高性能零件制造。但关于原子及近原子尺度（ACS）切削材料去除机制尚无报道，严重制约下一代制造技术——原子及近原子尺度制造（ACSM，制造III）的发展。原子尺度器件的渐进发展也迫切要求各类加工工艺实现ACSM。

传统宏观切削中切削深度远大于刃刃半径，材料去除靠剪切驱动切屑形成。微/纳米切削中切削深度与刃刃半径相当或更小，随深度降至纳米级，挤压主导的切屑形成逐渐占据主导，深受刃刃半径效应影响。ACS切削中切削深度进一步降至近原子甚至原子尺度，远小于刃刃半径，刃刃半径效应必然影响材料去除行为。

此外，ACS切削中切削深度不仅远小于刃刃半径，还与工件原子半径相当甚至更小。不同年工件原子半径比下实际材料去除行为不同，这是一种新的尺寸效应——原子尺寸效应。因此ACS切削中必须同时考虑刃刃半径效应和原子尺寸效应，但现有ACS切削技术研究中尚无相关报道。

基于上述原因，本研究利用分子动力学（MD）建模，探究原子尺寸效应和刃刃半径效应对切削基单原子层去除机制的影响。论文结构：第2节介绍方法（建模、协议、势函数）；第3节呈现分析结果与讨论；第4节在耦合刃刃效应和原子尺寸效应下详细讨论切削基单原子层去除机制；第5节总结结论。

方法

模拟模型与协议

切削深度降至原子/近原子尺度时，实验观测材料去除过程极具挑战。本研究开展系列MD模拟分析切削基单原子层去除机制，重点关注工件原子尺寸效应和刀具刃刃半径效应。图1展示金刚石-铜切削模型原子构型快照：单晶铜工件和金刚石切削刀具。模拟在单晶铜(111)面进行。工件在x[1 -1 0]、y[1 1 -2]、z[1 1 1]方向尺寸分别为27、10、5 nm。MD中工件原子分为边界层、恒温层、牛顿层（图1）。底部两层边界层原子固定消除切削致位移；邻近边界层三层为恒温层，速度重标度法维持298 K；其余为牛顿层。刀具前角0°、后角12°。详细参数见表1。考虑切削速度影响与计算成本，采用25 m/s切削速度（[-1 1 0]方向）。

势函数

铜-金刚石切削系统涉及铜和金刚石两类原子。MD模拟中准确描述原子间相互作用对计算精度至关重要，势函数选择关键。铜-铜相互作用采用嵌入原子法（EAM）势；铜-碳（Cu-C）用Morse函数（公式1，主要依赖r）。参数：D₀=0.087 eV, r₀=0.205 nm, α=51.40 nm⁻¹。金刚石内部C-C键合极强，刀具视为刚体。

切削深度定义

切削深度(a)定义为工件表面最高点与刀具最低点间距离。工件原子尺寸用原子半径(rw)表示。图2示意：针对去除表面最上层第一原子层，理论最大切削深度为 a_max = rw + 0.5·dlayer。dlayer为表面相邻原子层间距。本研究基于单晶铜(111)面，rw=1.28 Å，dlayer=2.087 Å，故a_max=2.32 Å。a大于a_max会导致刀具接触第二原子层引起变形甚至去除，因此本研究切削深度均小于a_max。基于发现，单原子层去除机制将随a/R和a/rw比率组合根本改变。

结果与讨论

MD结果显示原子尺寸效应和刃刃半径效应均深刻影响切削基单原子层去除过程。为清晰描述，引入切削深度(a)与工件原子半径(rw)之比 a/rw，及切削深度(a)与刃刃半径(R)之比 a/R。从切屑形成、表面生成、亚表面变形、原子位移行为系统分析，揭示单原子层去除典型特征。

切屑形成

因工件原子尺寸效应，存在两个临界值C₁、C₂将切屑形成行为划分为不同情形。

1. a/rw < C₁（C₁=0.781，对应切深~1.1 Å）。图3展示不同刃刃半径下切深1.1 Å结果。无论刃刃半径如何增大，Cu(111)表面仅发生弹性变形，无切屑形成和材料去除。切削深度需>1.1 Å方能实现材料去除。
2. C₁ < a/rw < C₂。切深>1.1 Å（a/rw>0.781）时发生材料去除。图4显示部分材料被移除，但大量第一层原子残留形成表面缺陷。刃刃半径增至7.5 nm（a/R=0.019）时，部分第一层原子被压入第二甚至第三层（图4e），归因于刀具挤压作用。刃刃半径效应开始影响去除过程，但无法获得连续材料去除。
3. a/rw > C₂（C₂=1.563，对应切深~2 Å）。图5展示切深2 Å切屑形成。a/rw=1.563时，目标原子层内原子可通过切屑形成连续稳定去除，表明最小切屑厚度可达单原子层。切削后第一原子层材料完全移除。但随a/R增大，第一层原子经历明显不同去除过程，尤其加工表面弹性变形差异显著。锐利刀具（a/R=5.70）仅轻微变形；R=3 nm（a/R=0.134）弹性变形幅度显著增大；R=4 nm（图5d）大量第一层原子被压入第二层形成新表面；R≈7.5 nm部分原子扩散至第三层；R≈10 nm出现明显弹塑性变形（后续3.3节验证）。因此单原子层去除不仅取决于a/rw，还取决于a/R，显著区别于微/纳米切削和宏观切削。

表面生成

切削基原子层去除目标之一是获得无缺陷理想晶体结构的加工表面。采用切深2 Å研究刃刃半径效应对表面生成的影响。

表面形貌

图6展示不同刃刃半径下Cu(111)加工表面形貌（原子按z向高度着色）。R<3 nm时（图6a、b）可获得理想晶体结构表面，稳态切削阶段无表面缺陷（左侧缺陷因刀具退出变形）。R增大时缺陷逐渐增多：R=4 nm出现坑状缺陷（图6d）；R≥5 nm大量表面缺陷严重恶化表面质量，且去除超过一层原子。结论：切深2 Å下，R<3 nm可实现单原子层去除。为获得无缺陷表面，a/R应大于阈值，此处临界区间为[0.05, 0.067]。

表面成分

图7展示不同刃刃半径下加工表面成分（绿/蓝=第一/二层原子，红=第二层以下）。锐利刀具（a/R=2.85）加工表面仅含第一层原子（图7a），表明目标层彻底去除，材料去除呈层状逐层进行。R=2、3 nm时表面含两层原子（图7b、c），虽实现单原子层去除但表面生成涉及至少两层。R>4 nm时大量第一层原子残留表面，表明被挤压形成新表面。

随刃刃半径增大，表面生成机制发生巨变，归纳两类：

1. 逐层去除：目标第一原子层完全移除生成新表面，切削过程仅移除第一层原子。
2. 多层去除：虽实现单原子层去除，但目标层原子发生两种典型位移：部分经剪切应力驱动位错运动形成切屑，部分在刀具作用下挤压进入加工表面，去除过程涉及至少两个原子层。

亚表面变形机制

纳米切削中加工表面发生弹塑性变形，刀具通过后弹性部分回弹，塑性变形导致永久变形。切深降至原子尺度时，推测单原子层去除切削中加工表面仅发生弹性变形。通过分析切削中/后工件亚表面变形状态验证。图8展示不同刃刃半径下工件亚表面缺陷结构（按CSP着色，CSP<3的完美FCC原子省略）。R<4 nm时亚表面无缺陷形成，切削中仅弹性变形。R≥4 nm时亚表面缺陷初生，随R增大缺陷数显著增加。R≈10 nm形成位错环且切削后不消失（图9e），明确指示发生塑性变形。

刀具通过后弹性变形部分回弹，部分亚表面缺陷湮灭。图9a-c显示R=2、3 nm时最终无亚表面缺陷残留。塑性变形部分导致永久变形：R=7.5 nm残留少量缺陷；R=10 nm位错环和堆垛错最终存留（图9）。推断：实现切削基单原子层去除应避免塑性变形，仅允许弹性变形，这是ACS切削的特征之一。

原子位移行为

MD轨迹文件显示位错运动主导单原子层去除过程。图10展示不同刃刃半径下原子位移行为。R=2 nm时，仅第一层在刀具作用下沿切削方向滑移形成切屑，其余层固定，可视为一刃型位错剖面。R增大时，部分第一层材料被压入加工表面诱导下层原子层滑移，滑移层数随R增加而增加。R=4 nm时第二层也沿切削方向滑移（图10）；R=7.5 nm时顶部三层滑移；R=10 nm大量材料被压入形成新表面，发生塑性变形（图10e，图9验证）。

图11展示目标原子层沿切削方向滑移过程（R=2 nm）。滑移区面随刀具前移持续扩大，切削距离17.5 nm达最大，随后滑移区材料持续形成切屑，切屑体积增大。

综合3.3、3.4节分析，随刃刃半径增大，亚表面变形机制和原子位移行为剧变。不同刃刃半径下不同原子层数沿切削方向滑移，加工表面发生不同变形机制（汇总见表2）。切削基单原子层去除中切屑形成由剪切应力驱动位错运动主导，显著区别于传统切削（剪切主导）和纳米切削（挤压主导），也是ACS切削特征之一。

切削力

刃刃半径效应影响

图12展示切深2 Å下刃刃半径对平均切削力影响（切向力Ft、法向力Fn对比）。锐利刀具（a/R=2.85）Ft=16.4 nN显著小于Fn=23.7 nN。随R增大两力均增大，但Fn增长幅度远大于Ft，表明ACS切削中法向切削力对材料去除影响更大。但R>3 nm无法实现单原子层去除，更大法向力无益，应采用较低法向力。

法向力提供压应力致弹/塑性变形，切向力提供剪切应力驱动切屑形成。推断切屑形成主要由切向力驱动。图12b显示Ft随R呈三阶段变化，对应不同表面形貌（图6）：R<3 nm（a/R>0.067）Ft基本不变<25 nN，仅去除一层；R=3、5 nm（a/R=0.04、0.067）Ft增至~38.5 nN，去除超一层但缺陷少；R>5 nm Ft趋于常值，去除超一层且大量表面/亚表面缺陷。极低切向力配合合理刃刃半径（如2 nm）可实现单原子层去除；反之大切向力也无法实现。

原子尺寸效应影响

图13展示R=2 nm下切削力随切深变化。Ft、Fn随切深增大呈三阶段变化，在~1.1 Å和~1.6 Å处显著变化，对应a/rw临界值C₁=0.055、C₂=0.080（对应3.1节）。切深<1.1 Å（a/rw<0.055）Ft恒0，Fn线性增至~32 nN，但无法引起塑性变形去除，仅弹性变形（图3）。1.1–1.6 Å（0.0551.6 Å（a/rw>0.080）两力足以实现连续稳定去除，切屑稳定形成，目标层连续去除生成新表面（图5b、6b）。两大效应均影响切削力，进而改变材料去除与表面生成过程。