分子動力学法によるナノ切削機構の原子論的アプローチに関する研究

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銅単結晶およびシリコン単結晶の超精密切削実験を行い、透過型電子顕微鏡によって加工変質層を結晶学的に解析した。また、分子動力学法によるナノ切削シミュレーターを開発し、原子レベルでの材料の変形挙動を動的に観察した。切削実験および計算機シミュレーションから得られた知見に基づいて、ナノ切削機構を考察した。得られた結果をまとめると次のとおりである。(1)銅単結晶のナノ切削機構(1)すべり面をすべり方向に切削した場合の変形は,主に切削面と平行なすべり面の活動によって起こる.このため,切削面表層では積層不整が起こるが,結晶の回転はほとんど起こらない.(2)上記(1)以外の結晶方位に切削した場合には,切削面表層で結晶の回転が起こる.さらに,結晶の回転は細長い結晶粒を単位として起こり,(110)面を[110]方向に切削した場合のように,切削方向とすべり方向が同じときには結晶粒の長手方向と切削方向とは一致する.(3)切削面の変形機構は結晶方位によって大きく異なるが,切込み量が微小な超精密切削においては,このような変形は表面あらさなどの切削面性状の違いとしては現れない.(4)加工変質層は結晶方位によらず、表層の微細多結晶層と切削面に平行なトルセル組織の層状構造からなる。(5)切削初期段階の変形挙動に関してシミュレーション結果と実験結果に整合性が認められた。これにより、微小領域での材料の変形挙動の動的観察が可能となった。(2)シリコン単結晶のナノ切削機構(1)加工変質層は表層のアモルファス層と内部の転位層からなる。また、流れ型の切りくずが得られる場合には、その構造は完全なアモルファス相となっている。(2)内部に導入される転位は、被削材の結晶方位および工具形状に依存する。(3)微小領域での脆性-延性遷移はすべり変形の起こり易さに大きく依存する。(4)上記(3)の結果に基づき、すべり変形の起こり易さを数値化するためのSlip modelを提案し、結晶方位に依存する脆性-延性遷移点の違いを予測可能とした。(5)銅単結晶の計算機シミュレーションとシリコンの切削実験の間の相関を見いだし、すべり変形の動的観察の結果に基づき、工具形状(すくい角)に依存する脆性-延性遷移点の違いを明らかにした。