SiC硬脆材料纳米切削的亚表层损伤与塑性去除机理探析

Mechanism Analysis of Material Remove and Subsurface Layer Damages for SiC during Nanocutting Processes

摘要

采用分子动力学法与微观切削实验法对SiC塑性去除机理展开研究。研究发现，切削弹性期的SiC受挤压诱导产生的晶格高畸变效应导致原子矢量位移出现与切削运动方向相反的回流运动趋势，而切削中期弹塑性变形区的原子矢量位移出现涡流运动趋势。研究结果表明，分子动力学模拟的SiC纳米切削已加工表面的塑性变形介导的非晶层覆盖、立方结构向闪锌矿结构的相变转化、剪切带与裂纹形成同实验结果保持一致，已加工表面区的台阶式随机表面粗糙度随着切削温度和速度的增加而增大。切削塑性去除机理为：刀具和工件紧密接触区的高温高应力会诱使剪切带从前刀面流出，形成切削形貌构型。随着切削距离和切削速度的增加，亚表层损伤度逐渐减小，而随着切削温度和深度的增加，亚表层损伤度逐渐增大；随着切削速度的增加，切屑形貌由卷积形态逐渐变成条状形态；随着体系温度的上升，切屑形貌以卷积形态为主。

Abstract

The plastic removal mechanism of SiC was investigated by molecular dynamics method and micro-cutting experiments. It is found that the high lattice distortion effectiveness of SiC materials induced by extrusion force may lead to the reverse flow trend of the atomic vector displacement in elastic stages during nanoscale cutting， and the eddy current trend of the atomic vector displacement occurs in elastoplasticity deformation stages. The plastic deformation-mediated amorphous layer coverages， the phase transformation from cubic structure to wurtzite structure， and the formation of shear bands and cracks on the machined surfaces of SiC nanocutting obtained from molecular dynamics simulations are consistent with the experimental results.The random surface roughness in machined surface areas is easy to form a stepped type， which increases as cutting temperature and speed increases. The plastic removal mechanism in nanocutting processes is that the high pressure and high temperature induced by loads in closely contact areas between cutting tool and SiC workpiece result in the shear band flow outflow from the rank face and the cutting morphology and configuration are formed finally. The subsurface damage degree gradually decreases with cutting distance and cutting speed increases. Nevertheless， the subsurface damage degree gradually increases with the increase of cutting temperature and depth. Furthermore， with cutting speed increase， chip morphology of SiC materials gradually changed from convolution state to bar state， and the chip morphology is of mainly convolution as the temperature of system increases.

Graphical abstract

关键词

微结构演化 / 分子动力学模拟 / 塑性去除 / 相变转化 / 硬脆材料

Key words

micro-structural evolution / molecular dynamics simulation / plastic remove / phase transition / hard brittle material

0 引言

SiC具有大禁带宽度^［1］、高热导率^［2-4］、高击穿电场强度^［5-7］、高力学性能^［8］、低介电常数^［9］等优异性能，被广泛应用于航空航天、生物医疗、集成电路、类脑芯片等领域。目前，超精密切削加工半导体SiC器件的超光滑表面完整性方法主要包括超精密磨削、抛光以及单点金刚石车削等^［10-14］。与超精密磨削和抛光相比，单点金刚石车削所需要的工序更少、加工效率更高，被证实为超精密加工具有超光滑表面特性SiC器件的一种有效策略^［12-13］。然而，实践表明：采用单点金刚石超精密切削加工SiC硬脆材料时极易造成裂纹萌生、拓展、繁殖、晶粒脱落等加工缺陷，极大降低SiC光电器件的长寿命耐久性服役性能。由于SiC具有超高硬度特性，在纳米切削加工制造中极易造成金刚石刀具刃口与工件接触间的应力高集中和应变显著增大，最终导致刀具出现急剧磨损，这对SiC器件超光滑表面完整性及亚表面损伤程度造成极大影响，显著降低了其切削加工性能。相关文献对SiC材料微观去除机理的研究主要集中于有限元法、分子动力学法（MD）、纳米划痕实验法。有限元法和纳米划痕实验法难以捕捉SiC材料切削的原子迁移轨迹及详细微结构演化特征，而MD法不仅可降低实验法对测试样品和工况内外环境的极高要求及所耗人财物高昂代价，而且还可从原子层面知悉纳米切削加工半导体材料的去除微观机制，及从切削加工工艺角度来降低纳米加工SiC器件亚表层的损伤。

文献表明，国内外学者对SiC硬脆材料的研究聚焦于脆塑转变与材料去除机理^［14-16］、亚表面损伤行为^［17-18］等。GOEL 等^［19］在超精密加工车床上对单晶6H-SiC进行加工，获得了表面粗糙度为9.2 nm的超光滑表面，并通过拉曼显微镜观察到切削中的脆塑转变微观迹象，结果表明，金刚石单点切削加工脆性材料的塑性变形是延性加工的先决条件。WANG等^［20］对单晶6H-SiC进行超精密切削加工时发现，加工表面的亚表层产生了纳米级裂缝，并观察到裂纹的扩展方向会发生突变，且裂纹尖端附近没有明显的晶格原子紊乱。田东禹^［21］研究了单晶3C-SiC在单点金刚石刀具切削作用下的切削机制，指出在延性域切削下，非晶层厚度随着切削深度的增加而增大；当脆塑转变发生后，随着切削深度的增加，非晶层厚度逐渐减小并消失。PIAO等^［22］采用MD模拟研究了含空位缺陷的单晶SiC衬底的去除机理，探讨了金刚石磨料的磨损机理。AI等^［23］用MD模拟单颗金刚石磨削含缺陷SiC单晶的过程，指出在4H-SiC磨削过程中存在一个弹性变形区间，区间内的缺陷会被填充，区间外的缺陷不会被填充。TIAN等^［24］用MD模拟法研究了4H-SiC和6H-SiC材料的C面和Si面在一系列刮擦试验中材料的去除和相关的亚表面缺陷。

本文深入研究切削速度、深度、温度、刀具几何参数变化对SiC切削性能、径向分布函数、微结构演化、亚表层损伤、应力、配位数、原子矢量位移、表面粗糙度的影响关系。

1 分子动力学计算

图1所示为采用MD法建立的纳米尺度SiC切削三维物理模型，SiC基底X、Y、Z轴晶向分别设置为［11-2］、［-110］、［111］。表1所示为分子模拟时所设置的基本参数。模拟前，将SiC基底划分为三层，即固定层、恒温层、牛顿层，恒温层和牛顿层统称为运动层，固定层原子位移和力被限制为零。采用Langevin方法控制恒温层原子温度为300 K。所建SiC原子尺度模型X、Y轴采用周期性边界条件，Z轴采用非周期边界条件。模型初始条件与参数设置后，采用最小能量法优化体系晶体结构，然后在NVE系综下弛豫400 ps，时间步长为1 fs，体系的结构、温度、能量达到稳定平衡态。待平衡后，刀具以不同切削速度沿Y轴负方向水平运动。势函数的选择对分子计算结果准确性起关键作用。采用Tersof势函数描述SiC内部原子间的相互作用力。

2 结果与分析

2.1 纳米切削力分析

切削速度v、切削深度d以及刀具几何参数（α，β）和温度T对SiC水平切削力和法向力的影响分别如图2和图3所示。由图2和图3可知，在滑动距离3 nm之前，水平切削力和法向力与滑动距离成线性关系，随着滑动距离的增大而增大，此时，纳米切削初期，SiC基底晶格以受挤压的弹性变形为主；随后，在滑动距离为3~11 nm间，SiC受切削载荷诱导产生的变形以弹塑性变形和塑性变形混合为主，此时水平切削力曲线呈现波动幅度很小的平稳期，法向力曲线以近似线性关系增大；滑动距离11 nm之后，纳米切削SiC基底以塑性变形为主，刀具和基底紧密接触区产生的高应力推动剪切带滑移形成切屑，并沿前刀面流出。此外，SiC基底塑性变形以非晶原子堆积成簇、位错缺陷萌芽与增殖、立方晶体结构向闪锌矿结构的相变转化为主。稳定切削期的SiC水平切削力和法向力曲线的波动幅度较弹塑性期的大，展现出简谐振动的规律。

为更好地对比切削中期和稳定期的各切削变量对SiC纳米切削过程受力的影响，图4定量示出了平均水平切削力和平均法向力的差异性。由图4a可知，随着切削深度从2.0 nm增加到4.4 nm，SiC受到的水平切削力增加幅度比法向力的大，增幅分别为55.9%、3.34%；由图4b可知，随着温度从低温1 K升到高温800 K，SiC受到的水平切削力和法向力逐渐减小，其下降幅度分别为7.32%、11.96%；由图4c可知，随着高速切削速度的增加，SiC受到的水平切削力和法向力逐渐减小，下降幅度分别为10.72%、17.38%。可见，纳米切削硬脆材料SiC受到切削速度、深度、刀具几何参数的显著影响。

2.2 微结构演化与亚表层损伤分析

切削参数对SiC纳米切削微结构和亚表层损伤程度影响如图5所示。由图5可知，纳米切削SiC时，基底存在相变转化，即立方晶体结构向闪锌矿晶体结构转变，且已加工表面覆盖了一定厚度的非晶层，刀具圆弧刃与基底紧密接触区在挤压应力诱导下产生一定厚度的非晶原子数和剪切滑移带。随着切削距离的推进，非晶原子数在剪切带作用下沿着刀具前刀面流出，变成切屑原子。由图5a可知，随着滑动距离s的增加，SiC受切削载荷诱导产生卷积形态，在内应力驱动下，会诱导硬脆材料形成剪切带，进而在水平切削力推动下，前刀面卷积形态的切屑会产生崩碎。然而，随着切削速度v的增加（图5b），切屑形貌由卷积态逐渐变成条状态。随着体系温度T的上升（图5c），切屑形貌以卷积形态为主，且已加工表面和切削表面的非晶原子数显著增多。此外，由图5d和图5e可知，随着刀具前角或后角的增加，切屑形貌主要以卷积态向条状态转变，且切屑形态内部的相变转化和剪切带数量也明显增多。

从图5中可明显看出，切削参数的变化会显著影响SiC已加工表面亚表层损伤程度。随着切削距离和切削速度的增加，亚表层损伤度逐渐减小，而随着切削温度的升高，亚表层损伤度逐渐增大。另外，刀具前角和后角的单调性变化不会使得SiC亚表层损伤度呈现相应的单调性增加或减小趋势，反而是当前角和后角为15°时，SiC亚表层损伤度最小。可见，合理设计刀具前角和后角会显著影响纳米切削硬脆材料的切削性能、切屑形貌、亚表层损伤情形。由图5还可知，在已加工表面，由于体系表面原子层的自由能和受挤压产生的应变能的耦合影响，切削产生的非晶原子会因内应力产生的高温效应而发生团簇，产生烧结现象，形成块状非晶层，此非晶层阻碍了亚表层位错缺陷的滑移与增殖，有利于位错发生湮灭，限制其延展性上升。

切削参数对SiC硬脆材料径向分布函数的影响如图6所示，可知，切削参数变化对径向分布函数峰值影响显著。随着切削距离的增加，径向分布函数峰值逐渐下降，且下降程度逐渐减小。当温度从低温1 K升到800 K时，其径向分布函数峰值陡然下降，表明SiC基底产生无序化非晶原子数越多，晶格受损程度越加严重，随着温度逐渐升高，径向分布函数下降幅度变缓。然而，在切削速度从50 m/s到400 m/s或切削深度从2 nm到4.4 nm时，径向分布函数下降幅度较小，有着均匀性下降趋势，表明高速400 m/s产生的非晶无序化程度更大，这与图5展示的微结构演化程度一致。径向分布函数随着前角或后角的增加而呈现下降趋势，但下降幅度非常小，表明刀具几何形状变化影响SiC非晶无序化的程度十分有限，主要影响切屑形貌和亚表层损伤程度。

图7为纳米压头刀具在SiC表面滑动一定距离后的透射电子显微镜图^［24］，及其与纳米切削SiC基底的表层微观规律的对比。由图7b可知，随着切削深度的增加，SiC纳米切削的亚表层损伤程度逐渐增加，且切削形貌形态由卷积形态向条状形态转变。此外，切削形貌的剪切带也逐渐增加，形成更多的崩碎切削。从图7c中可知，随着滑动距离的增加，已加工表面塑性区形成明显的非晶层和立体晶体结构向闪锌矿晶体结构发生的相变转化，并产生一定数量的裂纹，此模拟结果同文献［24］实验结果一致。另外，在刀具前刀面和SiC工件紧密接触区产生裂纹拓展，且形成较显著的立体晶体结构向非晶层切削形态转变的剪切带。随着切削距离的增加，切削形貌主要由非晶层原子构成，且切削卷积形态不断累积，形成滚雪球式的切削形态。在切削中，切削碳化硅产生的类表面台阶结构与文献［25］（图7e）一致。

2.3 塑性去除分析

切削参数对SiC硬脆材料位错总长和温度的影响如图8所示，可知，刀具切削速度、深度、几何参数对切削SiC位错总长和温度的影响有着显著差异。在已加工表面塑性区，随着滑动距离的增加，SiC切削产生的位错总长与刀具前角、后角未呈现单调性关系，而在刀具后角\alpha=0°时，SiC切削位错总长最大，其次是\alpha=15°，最后才是\alpha=25°。由于位错间的耦合反应和位错与非晶原子团簇的相互作用，导致SiC纳米切削位错总长随着压深的增加呈现减小趋势。由图8d~图8f可知，随着切削深度和速度的增加，SiC切削温度升高，表明高温导致的材料软化会诱导材料内原子间相互作用加强，使温度上升更快。相变结构内在的微观结构决定了其在切削中的塑性变形方式。这种相变结构中的微观结构可以通过配位数来具体分析。切削参数对SiC硬脆材料相变类型和位移幅度的影响如图9所示。观察图9a和图9b可知，在SiC已加工表面，配位数小于4的区域主要分布在表层和非晶层处，少部分非晶层和相变转化区域的配位数大于4。随着切削速度和温度的增加，切削形貌的配位数主要以小于4为主。随着刀具几何参数后角的增加，前刀面和切削形貌紧密接触区及刀具圆弧半径和SiC基底紧密接触区的配位数以小于3为主，而切削形貌内部中间和相变区域的配位数以小于4为主。由图9c可知，切削形貌区的位移幅度最大，与切削速度、切削深度、几何参数的增加无单调性变化趋势。然而，在已加工表面区，SiC切削表面的位移幅度随着切削速度和温度的增加而逐渐增大，其中，塑性回流区的位移幅度最大。此外，随着刀具前角的增加，已加工表面区的位移幅度也相应增加，但增加幅度较小。

为更好地了解纳米切削SiC的原子位移矢量迁移分布状态，图10给出原子位移矢量随切削速度、深度、刀具几何参数的变化分布情形。观察图10可知，在SiC纳米切削的弹性期，即SiC晶格受挤压产生晶格畸变时，原子矢量位移出现向右水平运动的回流趋势；在切削SiC中期的弹塑性变形区，原子矢量位移出现涡流式的运动趋势；在切削SiC稳定期的塑性变形区，原子矢量位移运动轨迹向切削正前方运动；SiC基底与刀具紧密接触区的原子矢量位移运动方向与水平方向保持45°的倾斜角。此外，随着切削速度和温度的增加，SiC纳米切削弹性期的原子矢量位移的回流运动趋势更加显著；随着刀具几何参数前角和后角的增加，切削中期的弹塑性区原子矢量位移的涡流式运动趋势也更加显著。

切削参数对SiC硬脆材料切削方向的应力量化影响如图11所示。由图11a~图11c可知，在滑动距离3 nm前，SiC硬脆材料应力呈线性递增关系；在滑动距离超过3 nm后，SiC硬脆材料应力呈波动式的增加与下降趋势；随着切削深度的增加，由于切削载荷增大，导致SiC基底应力波动幅度越来越大；随着温度的升高，SiC基底应力波动幅度逐渐减弱。此外，随着刀具几何参数前角和后角的增大，SiC基底应力波动幅度不呈单调性变化。相反，在刀具前角和后角等于15°时，SiC基底应力随着滑动距离的增加下降幅度最大。由图11e~图11f可知，随着切削温度和速度的增加，SiC基底平均应力逐渐增大，增幅分别为21.75%、8.79%；随着切削深度的增大，SiC基底平均应力也逐渐增大，增幅为56.69%。

图12为不同切削参数下SiC硬脆材料应力分布云图，可知，SiC基底与刀具间紧密接触区集中了高应力，高应力集中产生的高温会诱导剪切带沿着前刀面流出，形成切屑。此外，随着切削速度的增加，紧密接触区的高应力集中逐渐减弱。在低温和高温下，紧密接触区也更容易产生应力集中，会促进SiC待加工表面材料被更好去除。另外，随着刀具后角和前角的增大，紧密接触区的应力集中也逐渐减弱。对比图12的von Mises应力和静水应力云图可知，SiC基底的应力集中主要分布在刀具与工件的挤压区，有利于剪切带的形成。

3 结论

1）纳米切削初期，SiC以受挤压弹性变形为主；纳米切削中期，SiC基底变形以弹塑性变形和塑性变形混合为主；纳米切削稳定期，SiC基底以塑性变形为介导，SiC基底塑性变形介导的非晶层覆盖、立方结构向闪锌矿结构的相变转化、剪切带、裂纹的产生同实验结果一致。

2）切削深度从2.0 nm增加到4.4 nm，SiC水平切削力增加幅度比法向力更大，增幅分别为55.9%、3.34%；随着温度从1 K升到800 K，SiC水平切削力和法向力逐渐衰减，下降幅度分别为7.32%、11.96%；随着高速切削速度的增加，SiC受到的水平切削力和法向力也逐渐呈现下降趋势，下降幅度分别为10.72%、17.38%。

3）随着切削距离的增加，径向分布函数峰值逐渐下降，且下降程度逐渐减慢。当温度从1 K升到800 K时，SiC基底无序化非晶原子数越来越多，晶格受损更加严重，导致径向分布函数峰值陡然下降。当切削速度从50 m/s到400 m/s或切削深度从2 nm到4.4 nm时，径向分布函数下降幅度较小，有着均匀性下降趋势。

4）切削深度、速度、温度、前角、后角变化显著影响SiC已加工表面亚表层损伤程度。随着切削距离和切削速度的增加，亚表层损伤度逐渐减小；而随着切削温度和深度的升高，亚表层损伤度逐渐增大。另外，切削参数变化也显著影响切削形貌构型，随着切削速度和切削深度增加，切屑形貌由卷积态逐渐变成条状态；随着体系温度上升，切屑形貌以卷积形态为主。

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基金资助

国家自然科学基金(62563030)

江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ2402622)

江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ2402616)

南昌理工学院科研课题(NLZK2418)

南昌理工学院科研课题(NLZK2446)

基于“竞赛+项目”的机械类学生双创能力培养体系构建项目(NLJG-24-21)