多晶材料纳米加工机理及实验研究

Due to the complexity and unique structure, working on the nanomachining mechanism of polycrystalline materials is rarely reported. The project breakthrough the limitation of current research, which is limited to investigation the mechanism of single crystal materials. Based on microstructure topology experimental data, the ultra-large-scale polycrystalline material simulation model with the real characteristics is established for nanomachining, and the atoms belong to each microstructure are classified. The effect of complex conditions, microstructure of the material property characteristics, crystal orientation, grain size, grain boundary thickness on the polycrystalline material surface formation mechanism are analyzed. Furthermore, multi-field coupling effect of the external processing environment, internal stress and temperature on the nano-polycrystalline material removal mechanism and machined surface aging characteristics are also investigated. Based on the three-dimensional microstructures processing system, which integrated the processing and testing function of AFM, combined with FIB/SEM focused ion/electron dual-beam micro-tool nanomachining experiments of nano-poly crystalline materials to revise and improve the simulation model and simulation algorithm, and finally the project is verified systematically. we can obtain the optimization parameters and processing quality mechanism under multi-field coupling and complex process conditions. It is significant that we take constructing polycrystalline material simulation model and nanomachining process into account together, from both theoretical and experimental aspect to establish the theory and technique nanomachining system of polycrystalline materials, which has an important theoretical value and laying the foundation for further development of nanomachining polycrystalline materials.

由于多晶材料结构的复杂性和特殊性，目前关于其纳米加工机理的研究鲜有报道。本项目突破现有纳米加工机理的研究局限于单晶材料的瓶颈，通过获取微观拓扑结构实验数据，建立超大规模多晶材料纳米加工仿真模型，实现微观拓扑结构的辨识；研究复杂工况下材料的微观结构特征、晶向、晶粒尺寸、晶界厚度等属性对多晶材料纳米加工表面形成机理的影响规律；融合加工介质环境、内应力、温度等多场耦合作用，揭示多晶材料去除机理和加工表面时效特性；结合研制的基于AFM三维微结构加工检测一体化加工系统、FIB/SEM双束纳米切削加工实验，修订和完善仿真模型与模拟算法，系统地验证本项目。旨在获得微观拓扑结构、多场耦合作用下多晶材料纳米加工性能参数优化和加工质量保障机制。本项目将多晶材料仿真建模和纳米加工技术有机结合起来，从理论和实验两方面建立多晶材料纳米加工的理论和技术体系，为多晶材料纳米加工技术的进一步发展奠定基础。

依据国家自然科学基金申请书中的相关研究规划，项目执行期间研究团队分别对超大规模多晶材料纳米加工仿真模型的建立及微观结构的辨识、多晶材料力学特性及纳米加工机理、多晶合金材料变形机制等内容展开了深入的研究，具体如下：.（1）针对多晶材料微观结构的复杂性和特殊性，突破以往纳米加工机理的研究局限于单晶材料的瓶颈，基于实验数据、Poisson-Voronoi 方法和Inverse Monte Carlo方法建立超大规模纳米多晶材料分子动力学仿真模型，并实现了对不同维度微观结构的辨识，该方法具备一定的通用性，可用于建立各类多晶/合金材料仿真模型，为后续研究多晶材料纳米加工机理奠定基础。.（2）为准确分析微观结构对多晶材料纳米加工的影响机制，基于分子动力学方法分别研究了压痕初始位置位于不同维度微观结构时多晶材料的变形机理，探讨了晶粒内部、晶界、三叉晶界、顶点团等各个维度对多晶材料内部缺陷、内应力分布等方面的影响，从本质上获得结构属性对多晶材料纳米加工的影响机制。.（3）针对多晶材料特殊的微观结构，研究了纳米加工中晶界面内各个微观结构、孪晶密度、晶粒尺寸、晶向等微观拓扑结构对刀具切削力、晶粒内部缺陷的形核与扩展以及对加工表面质量、刀具磨损等方面的影响规律，指出多晶材料纳米加工中加工参数的优化组合。.（4）在上述研究的基础上，开展了铜铅多晶合金材料力学性能的研究。结合铜铅合金模型分子动力学拉伸仿真，定量分析了晶界微结构、第二相元素含量对铜铅合金力学性能的影响机制，验证了仿真模型的正确性，为研究多晶合金材料纳米加工机理奠定基础。.（5）依托本项目撰写论文6篇(SCI 检索4篇，最高影响因子3.37)，获得CMAMT2014国际会议优秀论文奖，申请软件著作权1项，结合本项目研究内容获得黑龙江省科技进步二等奖一项（排名第一），此外，已完成高水平英文论文的撰写2篇，中文期刊论文2篇。培养博士生2名，硕士研究生6人（已毕业2人，在读4人），1 名在读博士。