金属铈单点金刚石切削加工表面质量的分子动力学仿真

发布时间：2020-06-10 19:51

【摘要】：金属铈作为一种重要的稀土材料,被广泛应用于工业和民用的多个领域,具有很高的实用价值和研究意义。在金属铈的操作、运输、储存与应用中,其耐腐蚀性是需要关注的一个关键问题。由于加工表面质量对于工件的耐腐蚀性具有重要影响,例如减小表面粗糙度和残余应力可以有效地提高工件的耐腐蚀性,因此采用单点金刚石切削加工获得超光滑表面对于增强金属铈材料的表面耐腐蚀性具有重要的意义。本文主要围绕表面加工质量的重要评定指标——表面残余应力与粗糙度,对金属铈切削加工展开分子动力学仿真与实验研究,主要研究内容与结果如下:(1)建立金刚石切削金属铈的分子动力学仿真模型。根据铈的物理与化学特性,建立了常温下单晶铈、多晶铈以及金刚石刀具的原子结构模型,并为仿真选取了合适的势能函数、边界条件和模拟系综,通过晶体缺陷分析技术提取切削过程中不同时态的缺陷结构。开发了用于定量表征表面粗糙度、残余应力和力学性能的算法。(2)采用分子动力学仿真揭示了表面残余应力与粗糙度的形成机理,得出其形成的机理包括主导塑性变形的位错运动和晶格畸变;并开展了不同加工参数(刀具前角、晶体取向、晶粒尺寸以及切削深度)对单晶铈和多晶铈切削表面质量影响的分子动力学仿真研究,据此得出仿真中的最优加工参数。(3)开展了单点金刚石切削金属铈的实验研究,并利用表面轮廓仪、白光干涉仪和纳米压痕仪对加工后铈工件表面进行检测。研究了切削工艺参数(切深、切削速度、进给量)对加工表面质量的影响,结果表明:随着切深与切削速度的增加,表面粗糙度有加大的趋势;随着进给量的增加,表面粗糙度有先减小后增大的趋势。实验结果与动力学仿真结果符合较好。
【图文】：

相图,相图,压强,金属

逦ａ＝２．９２逦ｂ＝ｃ＝４．８４逡逑金属铈能以三价和四价状态稳定存在，这种离子价态的差异导致其电子态极易出现逡逑跃迁，进而在高温高压作用下金属铈极易发生不同相之间的转变。如图１．１所示，在Ｍｏｔｔ逡逑图中，ｆ轨道杂化在变形过程中发生改变，导致ｆ电子不定域（ｃｔ相）和ｆ电子定域（Ｙ相）两逡逑种相的产生１８］。因而在常温常压下金属铈具有稳定的Ｙ相，保持温度不变，压强从标准逡逑大气压升高至０．４邋ＧＰａ左右，Ｙ相开始转变为ａ相，此时原本填充在４ｆ轨道上的外层电逡逑子移动到其他轨道，泊松比急剧下降，体积相应地减小约１５邋％［９，，１Ｑ］，完全变为ａ相后，逡逑弹性模量与德拜温度均上升。ａ相具有顺磁性，且体积较小；Ｙ相体积较大，且磁化率服逡逑从Ｃｕｒｉｅ－Ｗｅｉｓｓ定律⑴】。当温度继续升高，压强继续升高到９ＧＰａ左右时，ａ相转变为ａ＇逡逑相和ａ”相的共存态［１２－１４］；当压强升高至１２邋ＧＰａ以上时ａ１相和ａ＂相开始转变为￡相，但逡逑ｅ相在高压２０８邋ＧＰａ下才能稳定存在［１５－１７］。逡逑２逡逑

周期性边界,原子,单元

（１）周期性边界条件：其思想在于以部分的性质来推广表达全局的性质，反映的是逡逑如何利用边界条件替代所选部分受到周边的影响，使有限的单元体积模拟代替无线大系逡逑统的模拟。如图２－１所示，最中间的单元为建立的分子动力学仿真系统，周围的八个单逡逑元由中间单元复制扩展而成。单元内的原子只和单元内其余的原子发生相互作用，单元逡逑中任何一个原子以一定速度从边界中溢出，相对应就会从相对的边界以相同的速度进入逡逑一个原子，这使得单元内的原子数目保持稳定，最大限度地消除原子数目有限引起的边逡逑界效应。逡逑ｏＢｉ邋ｏｉ邋0￣逡逑ｑ，Ｐ邋ｏ，ｐ邋ｏ逡逑■Ｉｖ１邋Ｏ邋ｉｖ邋Ｏ邋彳邋Ｏ逡逑＂ＷｏＴｅＷｏ逡逑Ｌ逦，ｐ邋ｏ逡逑￣Ｇ０邋０＾邋0ｅ（５邋０￣逡逑，Ｐ邋０邋，Ｐ邋０邋，Ｐ邋０逡逑｜、ｏ眠：尸｜逡逑图２－１系统的周期性边界逡逑９逡逑
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG178

【参考文献】