Abstract
Atomistic models for friction suffer from the severe length- and time-scale restrictions of molecular dynamics. Even when they yield good qualitative results, it is difficult to draw meaningful quantitative conclusions from them. In this paper, a novel approach to quantify the scratching work and the energy associated with the creation of plastic zones is presented. The approach is combined with a statistical criterion to determine the significance of simulation box size and sliding rate effects on the friction coefficient. These two methods are applied to a large parametric molecular dynamics study of single-crystal single-asperity aluminium nano-scratch with varying simulation sizes, indentation depths and scratching speeds in order to analyse these size and rate effects. The results show that the simulation size effects are a considerable obstacle to understanding the atomistic origins of friction – using present-day computing hardware – as they have a strong influence on the core mechanisms of sliding friction. A motivation for the development of a new 3D multi-scale method for a hybrid nano- and micro-scale description of plasticity is formulated
چکیده
مدل های اتمی برای اصطکاک، همواره به دلیل محدودیت مقیاس طولی و زمانی شدید دینامیک مولکولی دچار نقص بوده‌اند. حتی زمانی که این مدلها به نتایج کیفی خوبی دست می‌یافتند، ترسیم الگویی معنی دار برای نتیجه گیری کمی از آنها مشکل بود. در این مقاله، روشی نوین برای تعیین کمیت کار تراش دادن و انرژی مرتبط با ایجاد مناطق پلاستیکی ارائه شده است. این رویکرد با معیاری آماری برای تعیین اهمیت تأثیرات اندازه محدوده‌ی (کادر) شبیه سازی و میزان حرکت لغزشی بر ضریب اصطکاک همراه شده است. این دو روش در یک مطالعه بزرگ دینامیک مولکولی پارامتری از تراش نانوی آلومینیوم تک-سختی و تک بلوری با اندازه های شبیه سازی، عمق دندانه‌ها و سرعت تراش متنوع به منظور تجزیه و تحلیل تاثیرات این اندازه و نرخ به کار گرفته شده‌اند. نتایج نشان می دهد که تاثیرات اندازه شبیه سازی، مانعی قابل توجه در درک ریشه های اتمی اصطکاک می‌باشند - با استفاده از سخت افزار محاسباتی امروزی- و تأثیر قوی بر مکانیسم های اصطکاک لغزشی دارند. انگیزه ایجاد یک روش نوین با مقیاس چند سه بعدی برای تشریح انعطاف در مقیاسهای نانو و میکرو فرمول بندی شده است.
1-مقدمه
تماس اصطکاکی بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است، اما هنوز پدیده‌ای است که به درستی درک نشده و در عین حال تأثیر زیادی بر بسیاری از فرآیندهای روزمره دارد. اکثر قوانین توصیف کننده‌ی اصطکاک در مقیاس تماسی کلان ایجاد داده شده‌اند [1، 2، 3]. پدیده‌های اصطکاک در مقیاس میکرو و نانو در دستگاه های میکرو و نانو الکترومکانیکی (به ترتیب MEMS و NEMS،) مانند صفحات سخت و میکروسکوپ نیروی اتمی اتفاق می افتند، که به طور کلی به اندازه کافی توسط این قوانین توضیح داده نشده‌اند [4]. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که مدل سازی در مقیاس کلان به تماس مقیاس نانو شکسته شده و در مورد تماس تک کریستال با فلز تقریبا همیشه با انعطاف پذیری همراه است [5].
این پژوهش با هدف درک بهتر و توصیف کمی تماس لغزش خشک بین یک تراشه در مقیاس نانو و فلز تک بلوری انجام گرفته است. این مورد ساده، عنصری کلیدی در کشف کلی ریشه‌های اتمی اصطکاک و تعیین کمیت کار اصطکاک و انرژی مرتبط با ایجاد حوزه‌های پلاستیک است….