بررسی اثر چسبندگی بین دو سطح بر کار نیروی اصطکاک و سایش در مقیاس نانو با استفاده از دینامیک مولکولی

نوع مقاله : مکانیک جامدات

نویسنده

نویسنده مسئول: استادیار، گروه خلبانی دانشگاه امام علی(ع)، تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش، با بهره‌گیری از دینامیک مولکولی اثر چسبندگی بر میزان حذف و جدا شدن مواد در طی فرایند خراش در مقیاس نانو و به روش عددی با کمک آزمون نانو خراش موردمطالعه قرارگرفته است. در این شبیه‌سازی، آزمون خراش با استفاده از یک سری تنظیمات مجازی بر یک زیرلایه صاف با ساختار مکعبی وجوه پر تک‌بلور و یک قلم خراش مخروطی با نوک کروی با عمق‌های خراش 0، 3، 7 و 10 آنگستروم انجام‌شده است. از پتانسیل کلاسیک بین‌اتمی لنارد-جونز برای مدل‌سازی و تنظیم چسبندگی بین اتم‌های قلم و زیرلایه استفاده‌شده است که این چسبندگی‌های در نظر گرفته‌شده از 5 تا 70 درصد قدرت چسبندگی بین‌اتمی اتم‌های آلومینیوم هست. با این کار اثر ماده روانکار بدون مدل‌سازی آن موردبررسی قرار می‌گیرد. باوجوداینکه بررسی تأثیر چسبندگی به‌طور مداوم در مطالعات گذشته صرف‌نظر می‌شده، اما مشاهده‌شده است که در خراش با عمق‌های کمتر، کار چسبان اثر قابل‌توجهی بر کار اصطکاک و سایش خواهد داشت. شایان‌ذکر است که در این مطالعه به دلیل اینکه اثر شکل‌پذیری اصلی‌ترین مکانیسم سایش بوده است، مطابق با مشاهدات تجربی کار اصطکاک و سایش باهم رابطه‌ای خطی دارند.

کلیدواژه‌ها


Smiley face

[1] Mohammadi S, Montazeri A, Urbassek HM. Geometrical aspects of nanofillers influence the tribological performance of Al-based nanocomposites. Wear. 2020;444:203117.##
[2] Liu B, Xu Z, Chen C, Li R, Gao X, Liang L. Numerical and experimental investigation on ductile deformation and subsurface defects of monocrystalline silicon during nano-scratching. Applied Surface Science. 2020;528:147034.##
[3] Pham VT, Fang TH. Pile-up and heat effect on the mechanical response of SiGe on Si (0 0 1) substrate during nanoscratching and nanoindentation using molecular dynamics. Computational Materials Science. 2020;174:109465.##
[4] Zhu J, Xiong C, Ma L, Zhou Q, Huang Y, Zhou B, Wang J. Coupled effect of scratching direction and speed on nano-scratching behavior of single crystalline copper. Tribology International. 2020;150:106385.##
[5] Bowden FP, Tabor D. The Friction and Lubrication of Solids-Part II. Oxford, England, University Press; 1964.##
[6] Arvanitaki A, Briscoe B, Adams M, Johnson S. The friction and lubrication of elastomers.  Tribology Series. 30: Elsevier; 1995. p. 503-11.##
[7] Beake B, Harris A, Liskiewicz T. Review of recent progress in nanoscratch testing. Tribology-Materials, Surfaces & Interfaces. 2013;7(2):87-96.##
[8] Tiwari A, Natarajan S. Applied nanoindentation in advanced materials: John Wiley & Sons; 2017.##
[9] Komanduri R, Chandrasekaran N, Raff L. Some aspects of machining with negative-rake tools simulating grinding: a molecular dynamics simulation approach. Philosophical Magazine B. 1999;79(7):955-68.##
[10] R. Komanduri, N. Chandrasekaran, and L. M. Raff. “Effect of tool geometry in nanometric cutting: A molecular dynamics simulation approach”. Wear, vol. 219, no. 1, pp. 84–97, Aug. 1998.##
[11] Komanduri R, Chandrasekaran N, Raff L. Effect of tool geometry in nanometric cutting: a molecular dynamics simulation approach. Wear. 1998;219(1):84-9.##
[12] Fang T-H, Weng C-I. Three-dimensional molecular dynamics analysis of processing using a pin tool on the atomic scale. Nanotechnology. 2000;11(3):148.##
[13] Shimizu J, Eda H, Zhou L, Okabe H. Molecular dynamics simulation of adhesion effect on material removal and tool wear in diamond grinding of silicon wafer. Tribology Online. 2008;3(5):248-53.##
[14] Yan Y, Sun T, Dong S, Liang Y. Study on effects of the feed on AFM-based nano-scratching process using MD simulation. Computational materials science. 2007;40(1):1-5.##
[15] Freitas R, Asta M, De Koning M. Nonequilibrium free-energy calculation of solids using LAMMPS. Computational Materials Science. 2016;112:333-41.##
[16] Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics. Journal of computational physics. 1995;117(1):1-19.##
[17] Daw MS, Foiles SM, Baskes MI. The embedded-atom method: a review of theory and applications. Materials Science Reports. 1993;9(7-8):251-310.##
[18] Foiles S, Baskes M, Daw MS. Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys. Physical review B. 1986;33(12):7983.##
[19] Jian-Hao C, Qiu-Yang Z, Zhen-Yu Z, Cong D, Zhong-Yu P. Molecular dynamics simulation of monocrystalline copper nano-scratch process under the excitation of ultrasonic vibration. Materials Research Express. 2021;8(4):046507.##
[20] Lin W, Yano N, Shimizu J, Zhou L, Onuki T, Ojima H. Analysis of Nanoscratch Mechanism of C-Plane Sapphire with the Aid of Molecular Dynamics Simulation of Hcp Crystal. Nanomaterials. 2021;11(7):1739.##
[21] Zhang P, Zhang Q, Fang Y, Yue X, Yu X, Wang Y. Research on the mechanism of surface damage of Ni-based high-temperature alloy GH4169 based on nano-cutting. Vacuum. 2021;192:110439.##
[22] Dai L, Chen G, Shan Z. Study on ultra-high speed nano-grinding of monocrystalline copper with V-shaped diamond abrasive grains based on molecular dynamics method. Diamond and Related Materials. 2021;111:108224.##
[23] Wang G, Zhao G, Song J, Ding Q. Effect of velocity and interference depth on the tribological properties of alumina sliding with Cu: A molecular dynamics simulation. Chemical Physics Letters. 2021;775:138669.##
[24] Filippova V, Kunavin S, Pugachev M. Calculation of the parameters of the Lennard-Jones potential for pairs of identical atoms based on the properties of solid substances. Inorganic Materials: Applied Research. 2015;6(1):1-4.##
[25] Agrawal R, Moldovan N, Espinosa H. An energy-based model to predict wear in nanocrystalline diamond atomic force microscopy tips. Journal of Applied Physics. 2009;106(6):064311.##
[26] Ramalho A, Miranda J. The relationship between wear and dissipated energy in sliding systems. Wear. 2006;260(4-5):361-7.##
[27] Gotsmann B, Lantz MA. Atomistic wear in a single asperity sliding contact. Physical review letters. 2008;101(12):125501.##
[28] Jacobs TD, Carpick RW. Nanoscale wear as a stress-assisted chemical reaction. Nature nanotechnology. 2013;8(2):108-12.##
[29] Liu J, Jiang Y, Grierson DS, Sridharan K, Shao Y, Jacobs TD, et al. Tribochemical wear of diamond-like carbon-coated atomic force microscope tips. ACS applied materials & interfaces. 2017;9(40):35341-8.##
[30] Maw W, Stevens F, Langford S, Dickinson J. Single asperity tribochemical wear of silicon nitride studied by atomic force microscopy. Journal of Applied Physics. 2002;92(9):5103-9.##
[31] Shao Y, Jacobs TD, Jiang Y, Turner KT, Carpick RW, Falk ML. Multibond model of single-asperity tribochemical wear at the nanoscale. ACS applied materials & interfaces. 2017;9(40):35333-40.##
دوره 18، شماره 1 - شماره پیاپی 67
شماره پیاپی 67، فصلنامه بهار
خرداد 1401
صفحه 161-169
  • تاریخ دریافت: 01 شهریور 1400
  • تاریخ بازنگری: 03 آبان 1400
  • تاریخ پذیرش: 11 آبان 1400
  • تاریخ انتشار: 01 اردیبهشت 1401