刀具为碳化硅增韧氧化铝陶瓷刀具复合材料，其中碳化硅增韧为闪锌矿结构，晶格常数为a = b = c = 4.348Å，氧化铝基体为刚玉结构，通过Materials Studio得到的刚玉结构导入Atomsk中，建立复合材料刀具模型。刀具的尺寸为5 * 5 * 5 nm，刀尖圆弧半径为2 nm，整个刀具由13,724个原子组成，其形状及原子种类的呈现如图1所示，SiC增韧在Al₂O₃基体中间，每个增韧尺寸为5 * 5 * 1 nm，增韧与基体接触处形成界面，刀具中每个原子随机分布于晶体内。

图1. 碳化硅增韧氧化铝刀具模型

工件材料为Inconel718镍基合金，模拟过程采用镍基合金简化模型，将工件按照镍基合金中的主要元素构造Ni-Fe-Cr-Co-Cu系镍基合金分子动力学简化模型，各元素所占的比例和原子数如表1，所建立的工件如图2，其中工件尺寸为20 * 10 * 5 nm，由91,707个原子组成，为使模拟结果准确，每个原子在准确的晶格结构下随机分布。

表1. 工件元素比例及原子数

图2. Ni-Cr-Fe-Co-Cu系镍基合金工件模型

图3所示为SiC增韧氧化铝陶瓷刀具切削Ni-Fe-Cr-Co-Cu系镍基合金的三维分子动力学切削模型。将刀具和工件分为牛顿层、恒温层、边界层。边界层防止工件和刀具在切削过程中产生刚性移动，恒温层和牛顿层的原子都遵循经典牛顿运动定律。整个体系采用微正则系综(NVE)进行约束，切削方向为沿X轴负向正交切削。

图3. 切削模型

为了减小模拟体系中原子小于真实体系中的原子数而产生的尺寸效应，在x和y方向上施加自由边界条件，在z方向上施加周期性边界条件。模拟过程的相关参数如表2所示。

表2. 切削过程相关参数

EAM势能够精确模拟金属原子间的相互作用 [ 9 ]，因此采用EAM势函数来描述工件中镍、铁、铬、钴、铜之间的相互作用和氧化铝基体内部原子间的相互作用，形式如下：

U e a m = ∑ i = 1 N ∑ j = i + 1 N u ( r i j ) + ∑ i = 1 N E i ( ρ i ) (1)

其中 u ( r i j ) 为原子i与原子j之间的对势，求和遍及所有原子对； E i ( ρ i ) 为原子i的原子核嵌入能，ρ_i是原子核所处背景的电子云密度，r_ij为原子i和j之间的距离。

由于SiC增韧中C-C、Si-Si、C-Si键均为非金属共价键，故其原子间相互作用形式采用Tersoff势函数加以描述 [ 10 ] [ 11 ]：

E = ∑ i E i = 1 2 ∑ i ≠ j V i j (2)

其中E为总能量，子函数V_ij为原子i与原子j之间的成键能量，且

V i j = f c ( r i j ) [ f R ( r i j ) + b i j f A ( r i j ) ] (3)

其中f_c为截断函数，f_R为吸引对势，f_A为排斥对势，b_ij为键序。

刀具与工件间和刀具内部基体与增韧间的相互作用力采用Morse势函数来描述 [ 12 ] [ 13 ]：

E ( r i j ) = D 0 { exp [ − 2 α ( r i j − r 0 ) ] − 2 exp [ − α ( r i j − r 0 ) ] } (4)

其中E为总能量，D₀为解离能，α为弹性模量，₀为原子间的平衡间距，r_ij为原子i与原子j之间的距离。

通过计算得到的不同原子之间的Morse势参数如表3。

表3. Morse势参数

图8为切削过程中原子在x方向的位移云图，能够直观的显示原子在x方向的移动趋势，更好的解释工件和切屑原子的流动过程。由图可知，切削时工件原子呈剪切状态，在剪切力作用下形成切屑，工件原子和切屑原子受到刀具前刀面原子的挤压作用，使部分工件和切屑原子向刀具内部运动，产生原子扩散现象。

图8. 原子x方向位移云图

晶体的主要特征是晶体原子或分子的规则排列，但在切削过程中晶体中的原子排列会产生偏离原有的排列，因此对切削过程中晶体的有序性进行拟合，来解释切削中的扩散现象。

晶体的有序性可以通过式(6)计算：

S y = 1 N | ∑ j = 1 ( i k p ⋅ r j ) | (6)

其中N为原子数量，r_j为j原子的位置矢量。且

k p = 2 π L n x 2 + n y 2 + n z 2 (7)

L = − 0.09 [ ln ( 1 − T / T m ) + 1 ] (8)

其中T_m= 950 K，原子矢量位置通过计算原子平均均方位移求得，拟合得到的60 m/min，90 m/min，120 m/min速度下的晶体有序性变化曲线如图9：

图9. 不同切削速度的晶体有序性变化

对于理想晶体，有序性初始值为1，但由于晶体缺陷的存在，初始值会略大于理想晶格的初始值。由图9可知，随着切削的进行，原子的晶格破裂导致原子间距离增加，原子位移增加产生原子间扩散，使不同速度下晶体的有序性均偏离初始值，曲线呈上升趋势，随后由于晶格破裂后部分晶格发生重组，上升趋势开始减缓，但偏离有序性初始值依然增加，说明扩散原子增加，加剧切削过程原子扩散程度。同时可以发现切削速度越大，晶体的有序性偏离初始值越高，扩散越严重。