Caracterización a escala atómica de la deformación por deslizamiento y maquinabilidad nanométrica del monocristal 6H-SiC

Topografía de la superficie mecanizada en diferentes condiciones de orientación / plano de cristal, donde a - f son los modos de proceso correspondientes \ ((0001) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \), \ ((0001) / \ left [10 \ overline {1} 0 \ right ] \), \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \), \ (\ left (01 \ overline { 1} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \), \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [1 \ overline {1} 00 \ right] \) y \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \), respectivamente

Maquinabilidad nanométrica en diferentes condiciones de orientación / plano de cristal, a la influencia de la anisotropía en la profundidad mecanizada y la profundidad del daño, b la influencia de la anisotropía en la cantidad de remoción, la cantidad de desgaste y la relación de molienda. 1, 2, 3, 4, 5 y 6 son los métodos de proceso correspondientes \ ((0001) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \), \ ((0001) / \ left [10 \ overline {1} 0 \ right] \), \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \), \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \), \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [1 \ overline {1} 00 \ right] \) y \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \), respectivamente. La profundidad de la capa de daño se refiere a la profundidad máxima de los defectos internos del cristal causados ​​por el rayado. La profundidad teórica se refiere a la profundidad preestablecida antes del procesamiento. La profundidad mecanizada se refiere a la profundidad residual después del rayado. La cantidad de remoción se refiere al número de átomos de los que se extrae el material de la pieza de trabajo. La cantidad de desgaste se refiere a la diferencia en el número de átomos de los granos abrasivos antes y después del rayado

(i) Como se muestra en la Fig. 3a, b, la maquinabilidad nanométrica de 6H-SiC fue extremadamente similar cuando el modo de procesamiento se seleccionó como \ ((0001) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \) y \ ((0001) / \ left [10 \ overline {1} 0 \ right] \). Sin embargo, el proceso de eliminación de 6H-SiC se inclinó más hacia el modo frágil cuando el modo de procesamiento se seleccionó como \ ((0001) / \ left [10 \ overline {1} 0 \ right] \). (ii) Como se muestra en la Fig. 3c, e, cuando los modos de procesamiento se seleccionaron como \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \) y \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [1 \ overline {1} 00 \ right] \), la profundidad mecanizada y la cantidad de remoción de material fueron significativamente mayores que las en los otros métodos de procesamiento. Como se muestra en la Fig.4, bajo la misma profundidad de procesamiento teórica ( h _t =5.0 nm), la tasa de remoción de material en el modo de procesamiento \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [1 \ overline {1} 00 \ right] \) fue 3.4 veces mayor que que en el modo de procesamiento \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \). La relación de procesamiento de material (cantidad de material extraído / desgaste de la herramienta) fue de 10.1, pero el SSD bajo este parámetro de procesamiento también fue mucho más alto que en otras condiciones de procesamiento, alcanzando 2.3 veces \ ((0001) / \ left [10 \ overline { 1} 0 \ derecha] \). Había una gran cantidad de nanocristalitos en las superficies mecanizadas y en las virutas. En esta condición se produjo un gran número de fallas frágiles. El modo de procesamiento \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [1 \ overline {1} 00 \ right] \) solo es adecuado para el procesamiento de nanogroove que requiere una alta eficiencia de procesamiento pero es insensible a la Daños subsuperficiales. La tasa de eliminación de material de \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \) fue similar a la de \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [1 \ overline {1} 00 \ right] \) pero el SSD era solo el 50% de este último. Además, el grosor de la capa amorfa en la superficie mecanizada era mucho menor que el de \ ((0001) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \) y \ ((0001) / \ left [10 \ overline {1} 0 \ right] \). La distribución de la fase subterránea fue uniforme y las propiedades mecánicas de toda la ranura fueron mejores que las de los otros métodos de procesamiento. Por lo tanto, el modo de procesamiento \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \) es la mejor opción para el procesamiento de micro-nano surcos en una superficie de 6H-SiC con alta eficiencia , alta precisión y SSD bajo. (iii) Como se muestra en las Figs. 3d, f, cuando la dirección de mecanizado era paralela a c eje, la punta estaba muy desgastada durante la etapa de procesamiento inicial. Aunque la profundidad de mecanizado y la tasa de eliminación de material fueron mucho más bajas que las de los otros métodos de procesamiento y la proporción de procesamiento de material fue de solo 1,0, el SSD de \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [ 0001 \ right] \) y \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \) los modos de procesamiento eran más que los de \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \). Por lo tanto, no se recomienda emplear \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \) y \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \) en el procesamiento de micro-nano surcos en la superficie de 6H-SiC. Sin embargo, estos modos demuestran una excelente resistencia al desgaste; por lo tanto, son aptas para la cara de desprendimiento de la herramienta de corte de SiC monocristalino, que tiene amplias perspectivas en el campo del procesamiento de ultraprecisión de metales ferrosos.

Análisis del movimiento de los labios y la distribución del daño del subsuelo

Distribución de factores de Schmid en el proceso de raspado basado en la punta de una pirámide triangular

Los sistemas de deslizamiento comunes del sistema de cristal hexagonal (ver Fig. 4) incluyen principalmente deslizamiento basal, deslizamiento prismático y deslizamiento piramidal. La resistencia al deslizamiento está relacionada con la energía de falla de apilamiento generalizada (GSF) y d E _GSF / d x frente a ( x / b ) de los sistemas de deslizamiento. El movimiento de deslizamiento se produciría en el plano más denso ya lo largo de la dirección más corta [10]. Los sistemas de deslizamiento preferenciales en el deslizamiento basal son deslizamiento basal (conjuntos aleatorios) / <\ (1 \ overline {1} 00 \)> y deslizamiento basal (conjuntos aleatorios) / <\ (11 \ overline {2} 0 \)> [20]. Como el primero carece de un mínimo de energía intermedio, el segundo tiene prioridad en las simulaciones y experimentos [20]. Por lo tanto, los movimientos de deslizamiento considerados en este trabajo son los siguientes:deslizamiento basal (conjuntos aleatorios) / <\ (11 \ overline {2} 0 \)> y deslizamiento prismático y deslizamiento . Figura 5.

Sistemas de deslizamiento de sistema hexagonal

El componente de esfuerzo cortante en el plano de deslizamiento τ _ss se puede calcular mediante la relación:

$$ {\ tau} _ {\ mathrm {ss}} ={\ sigma} _ {\ mathrm {cont}} \ mathit {\ cos} <\ overset {\ rightharpoonup} {f}, \ overset {\ rightharpoonup} {n_g}> \ cos <\ overset {\ rightharpoonup} {f}, \ overset {\ rightharpoonup} {t_g}> ={\ sigma} _ {\ mathrm {cont}} \ bullet m $$ (1)

donde σ _cont es el estrés de contacto, \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f} \) es la dirección de carga, \ (\ overset {\ rightharpoonup} {n_g} \) y \ (\ overset {\ rightharpoonup} {t_g} \) son el plano de deslizamiento normal y la dirección de deslizamiento en el sistema de coordenadas cartesianas global, y m es el factor de Schmid. El sistema de coordenadas global fue fijo y el sistema de coordenadas local rotó con la dirección del cristal. La x -eje del sistema de coordenadas local era paralelo al vector básico \ (\ overset {\ rightharpoonup} {a_1} \) mientras que z -eje era paralelo al vector básico \ (\ overset {\ rightharpoonup} {c} \).

Durante el proceso de rayado, la cara de contacto principal de la punta de la pirámide triangular era la cara de inclinación, pero cuando la herramienta se desgastaba mucho, la cara de contacto principal pasaba al compuesto de la cara de inclinación y la punta. La dirección de carga correspondiente \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f} \) se presenta como

$$ \ left \ {\ begin {array} {c} \ overset {\ rightharpoonup} {f_1} =\ left ({f} _ {1x}, {f} _ {1y}, {f} _ {1z} \ right) \ kern8em \ mathrm {rastrillo} \ \ mathrm {face} \ \\ {} \ overset {\ rightharpoonup} {f_2} =\ left ({f} _ {2x}, {f} _ {2y}, {f} _ {2z} \ right) \ kern9.75em \ mathrm {tip} \ \ mathrm {top} \ end {array} \ right. $$ (2)

donde \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f_1} =\ left (1,0, - \ sqrt {2} \ right) \), \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f_2} =\ left (0,0 , -1 \ right) \) en el sistema de coordenadas global.

Como sistema de cristal hexagonal, el sistema de deslizamiento de 6H-SiC se puede expresar como { h k i l } / < u v t w >. El plano de deslizamiento normal \ (\ overset {\ rightharpoonup} {n_c} \) y la dirección de deslizamiento \ (\ overset {\ rightharpoonup} {t_c} \) en el sistema de coordenadas cartesianas local se muestran como

$$ \ overset {\ rightharpoonup} {n_c} =\ left (\ frac {3} {2} h, \ frac {\ sqrt {3}} {2} \ left (h + 2k \ right), \ frac { 3 la} {2c} \ right) $$ (3) $$ \ overset {\ rightharpoonup} {t_c} =\ left (u- \ frac {1} {2} \ left (v + t \ right), \ frac {\ sqrt {3}} {2} \ left (vt \ right), \ frac {c} {a} w \ right) $$ (4)

El plano de deslizamiento normal \ (\ overset {\ rightharpoonup} {n_g} \) y la dirección de deslizamiento \ (\ overset {\ rightharpoonup} {t_g} \) en el sistema de coordenadas cartesianas global se muestran como

$$ \ overset {\ rightharpoonup} {n_g} =T \ bullet \ overset {\ rightharpoonup} {n_c} $$ (4) $$ \ overset {\ rightharpoonup} {t_g} =T \ overset {\ rightharpoonup} {\ viñeta {t} _c} $$ (5)

donde la forma de la matriz de rotación desde el sistema de coordenadas global al sistema de coordenadas local y los ángulos de rotación correspondientes se muestran en la Tabla 3

Según las fórmulas (1) - (5), los factores de Schmid de los sistemas de deslizamiento correspondientes cuando las direcciones de carga eran \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f_1} \) y \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f_2} \ ) se muestran en la Tabla 4. (i) El valor c / a de 6H-SiC alcanzó 4,901, que es mucho mayor que 1,633. Por lo tanto, el esfuerzo cortante crítico requerido para el deslizamiento basal fue menor que el del sistema de deslizamiento prismático. Cuando la superficie mecanizada era un plano basal, el coeficiente del sistema de deslizamiento basal era más alto que el de los otros sistemas de deslizamiento. Por lo tanto, cuando los modos de procesamiento se seleccionaron como \ ((0001) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \) y \ ((0001) / \ left [10 \ overline {1 } 0 \ right] \), el movimiento de deslizamiento basal tuvo lugar primero. (ii) Cuando los modos de procesamiento se seleccionaron como \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \) y \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [1 \ overline {1} 00 \ right] \), considerando solo las direcciones de carga \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f_1} \) y \ ( \ overset {\ rightharpoonup} {f_2} \), era teóricamente imposible que ocurriera el deslizamiento basal, y el movimiento de deslizamiento prismático tuvo prioridad. (iii) Cuando los modos de procesamiento se seleccionaron como \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \) y \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right ) / \ left [0001 \ right] \), como se muestra en la Fig.4, la punta se desgastó seriamente durante la etapa de procesamiento inicial y \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f_2} \) jugó un papel crucial en el proceso de rascado. Por lo tanto, el movimiento de deslizamiento ocurriría en el sistema de deslizamiento prismático distribuido simétricamente con el plano YOZ en las coordenadas globales.

Distribución de daños superficiales / subsuperficiales

Como se muestra en la Fig. 6a, b cuando \ ((0001) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \) y \ ((0001) / \ left [01 \ overline {1 } 0 \ right] \), el movimiento de deslizamiento se produjo principalmente en el sistema de deslizamiento \ ((0001) / <1 \ overline {2} 10> \), que se debe al empuje hacia adelante de la herramienta. El modo de movimiento deslizante correspondiente es coherente con los resultados del cálculo del coeficiente de Schmidt. Había granos nanocristalinos y desviaciones de la red en el área del subsuelo y estos daños formaron algunas zonas irregulares de distorsión de la red. La fase amorfa cubrió toda la superficie mecanizada y la profundidad de la dislocación estuvo cerca de la profundidad de la capa de distorsión de celosía.

La sección transversal del área mecanizada, D es dislocación, A es una fase amorfa, SCF es una forma monocristalina, O es otro tipo de defecto, donde un - f son los modos de proceso correspondientes \ ((0001) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \), \ ((0001) / \ left [10 \ overline {1} 0 \ right ] \), \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \), \ (\ left (01 \ overline { 1} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \), \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [1 \ overline {1} 00 \ right] \) y \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \), respectivamente.

Cuando se selecciona \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \), como el coeficiente de Schmidt de < basal un > deslizamiento es igual a 0, el basal < a > el deslizamiento no debería ocurrir en teoría. Pero el ángulo entre la dirección de carga \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f_1} \) y la dirección de deslizamiento \ (\ left [11 \ overline {2} 0 \ right] \) era de solo 5,3 °. Bajo la acción de cizallamiento debido al movimiento relativo entre el área de contacto y el área sin contacto (ver Fig. 6c), la < a > el deslizamiento se activó antes del deslizamiento prismático en el modo de procesamiento de \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [2 \ overline {1} \ overline {1} 0 \ right] \) y Ocurrió en ambos lados de la ranura en V. Bajo el modo de procesamiento de \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [1 \ overline {1} 00 \ right] \), los ángulos entre la dirección de carga \ (\ overset {\ rightharpoonup } {f_1} \) y las direcciones deslizantes \ (\ left [1 \ overline {2} 10 \ right] \) y \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} 20 \ right] \) fueron 24,7 ° y 35,3 °, respectivamente. La acción de cizallamiento no indujo un movimiento de deslizamiento del plano basal. El modo de movimiento de deslizamiento correspondiente es consistente con los resultados del cálculo del coeficiente de Schmidt. Como se muestra en la Fig. 6e, cuando se seleccionó \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [1 \ overline {1} 00 \ right] \), el sistema de deslizamiento \ (\ left [ 1 \ overline {2} 10 \ right] / \ left (\ overline {1} 010 \ right) \) tenía un coeficiente de Schmidt alto bajo la acción conjunta de \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f_1} \) y \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f_2} \), lo que inevitablemente daría como resultado una gran profundidad de la capa de daño del subsuelo. La distorsión de la red y la fase amorfa también existieron, pero a diferencia del mecanizado en el plano basal, la profundidad de dislocación fue significativamente mayor que la de la distorsión de la red. El sp ³ → sp ² El comportamiento de transición ocurrió en la región del subsuelo.

Cuando la dirección de procesamiento era paralela a la c -Eje, debido al desgaste severo de la punta, el deslizamiento prismático causado por la extrusión hacia abajo fue el modo de movimiento de deslizamiento primario en la etapa estable de rayado. El modo de movimiento de deslizamiento correspondiente fue consistente con los resultados del cálculo del coeficiente de Schmidt. Cuando se seleccionó \ (\ left (01 \ overline {1} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \), con la dirección de carga \ (\ overset {\ rightharpoonup} {f_2} \), los sistemas de deslizamiento \ (\ left [1 \ overline {2} 10 \ right] / \ left (\ overline {1} 010 \ right) \) y \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} 20 \ right] / \ left (1 \ overline {1} 00 \ right) \) tenía el mismo coeficiente de Schmidt, se produjo un deslizamiento cruzado en las dos superficies de deslizamiento con un ángulo de 60 °, y luego, se produjo el efecto de fijación que obstaculizó el movimiento de deslizamiento . Por lo tanto, la profundidad máxima de daño subsuperficial SSD _máx sería menor o igual que h _t tan θ / 2 cuna α / 2, donde θ =101 ° es el ángulo teórico del nanogroove y α =60 ° es el ángulo entre el plano de deslizamiento \ (\ left (\ overline {1} 010 \ right) \) y \ (\ left (1 \ overline {1} 00 \ derecha) \). Cuando se seleccionó \ (\ left (11 \ overline {2} 0 \ right) / \ left [0001 \ right] \), los sistemas de deslizamiento \ (\ left [\ overline {2} 110 \ right] / \ left ( 0 \ overline {1} 10 \ right) \) y \ (\ left [1 \ overline {2} 10 \ right] / \ left (\ overline {1} 010 \ right) \) también tenían el mismo coeficiente de Schmidt, pero el movimiento de deslizamiento se vio afectado por el desgaste irregular de la punta y solo se produjo el sistema de deslizamiento \ (\ left [1 \ overline {2} 10 \ right] / \ left (\ overline {1} 010 \ right) \).

En resumen, como se muestra en la Fig. 7, los daños en las regiones del subsuelo bajo diferentes condiciones de procesamiento fueron principalmente dislocaciones, distorsión de la red (torsión / deslizamiento relativo) y fase amorfa. La deformación del 6H-SiC fue causada principalmente por el movimiento de deslizamiento, la no cristalización de los materiales y la distorsión irregular de la red. Los principales modos de deformación por deslizamiento fueron el deslizamiento basal y el deslizamiento prismático, que están estrechamente relacionados con la superficie / dirección de procesamiento.

Distribución de la forma de daño superficial / subterráneo procesado. un xy sección transversal. b xz sección transversal