《Micro and Nanostructures》：Effect of bismuth nanoparticles and elliptical vibration on the nanocutting performance of FeNiCr alloy: A molecular dynamics study
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本研究通过分子动力学模拟，揭示椭圆振动切削（EVC）与铋（Bi）添加剂在FeNiCr合金纳米切削中的协同机制。结果表明，Bi颗粒作为变形区吸收能量，EVC的间歇回退促进应力释放，显著降低切削力、温度及等效应力，改善切削形态和表面完整性。该研究为环保型易切削钢开发提供理论依据。
Ruikang Zhang|Fazhan Wang|Haochen Wang|Jiaxing Zhao|Zhihao Zhang
西安建筑科技大学机械与电气工程学院，中国西安，710055
摘要
本研究采用分子动力学（MD）模拟来揭示椭圆振动切割（EVC）与铋（Bi）添加对FeNiCr合金纳米切割效果的影响。通过比较四种情况（含/不含Bi以及含/不含振动），我们发现了一种“1+1>2”的协同效应，即它们的组合显著优于单独优化。结果表明，EVC-Bi组合大幅降低了切割力、温度和冯·米塞斯应力，同时改善了切屑形态并稳定了材料去除过程。这种协同作用源于深层次的机制互补性：Bi颗粒作为优先变形区域吸收切割能量，而EVC的间歇性回缩为这些颗粒周围的应力集中提供了关键的松弛时间。这一过程有效抑制了塑性应变和位错的积累。位错分析（DXA）证实，这种耦合不仅将位错锁定在Bi颗粒周围，防止其迁移到基体中，还利用振动促进了它们的动态响应。最终，这种协同策略实现了最小的亚表面损伤和最佳的表面完整性。我们的发现为高性能含Bi易切削钢的超精密加工提供了重要的理论支持，突显了其在先进制造中的巨大潜力。
引言
现代制造业向高速、高精度和自动化的持续发展对工程材料的加工性能提出了越来越严格的要求，特别是其可加工性[1]、[2]。作为满足这些需求的关键材料，易切削钢直接影响汽车和精密仪器等高附加值行业的生产效率和产品质量。传统上，其优异的可加工性依赖于通过冶金手段引入易加工元素（如硫（S）或铅（Pb）[4]、[5]。硫以硫化锰（MnS）夹杂物的形式存在[6]，通过作为内部应力集中器来优化切屑断裂行为；而铅由于其低熔点，在切割界面提供了原位液相润滑，从而减少摩擦和工具磨损。然而，铅的固有生物毒性和持续的环境危害导致了越来越严格的全球法规（如欧盟RoHS指令），要求逐步淘汰含铅材料。这一转变在材料科学和工程领域提出了重大挑战：需要开发具有类似性能的环保替代品。Bi无毒且具有与铅相似的物理化学性质（特别是低熔点和润滑性能），被学术界和工业界广泛认为是最有前途的下一代环保可加工性增强添加剂[7]。因此，含Bi易切削钢的研发不仅直接响应了市场需求，也代表了绿色制造背景下钢材材料设计概念的根本转变，并成为当前材料加工研究的前沿课题。
许多研究人员通过宏观实验和微观模拟探讨了Bi作为可加工性添加剂的机制。在宏观实验方面，Yaguchi[8]的早期比较研究表明，在高切割速度下，Bi在降低切割力和促进切屑断裂方面优于Pb。这种优势主要归因于Bi在减小积屑边（BUE）尺寸方面的更高效率，从而稳定了切割界面并间接控制了工具磨损。这种改进的根本机制是液态金属脆化（LME），即Bi的低熔点在剪切过程中促进了材料分离。Liu等人[7]的最新原位研究表明，当Bi颗粒在加热过程中软化、熔化和蒸发时，它们会在基体中引起局部膨胀，与硫化物协同作用以优化切割性能。
然而，宏观切割实验本质上无法揭示含Bi合金在超精密切割过程中的原子尺度变形、界面润滑行为和塑性演变机制。相比之下，MD模拟能够捕捉包括原子运动轨迹、应力演化和位错动力学在内的全过程微观信息，已被充分验证为研究纳米尺度切割过程的强大、通用且公认的核心工具[9]、[10]、[11]。这种方法的广泛适用性已在多种材料系统和加工场景中得到验证：对于以金刚石为代表的超硬材料，MD可以有效地模拟抛光过程中的多物理场耦合行为，实现原子尺度的无损伤表面[12]；对于金属基纳米切割，MD也成为揭示原子尺度材料去除和变形机制的最常用和可靠方法。Wang等人[14]通过MD模拟发现，在纳米尺度切割过程中，硬度较低的Bi颗粒会发生优先塑性变形，从而有效降低切割区和冯·米塞斯应力。
"EVC通过其独特的‘工具-切屑分离’机制，在加工高性能合金方面显示出显著优势。对于钛合金（Ti-6Al-4V），EVC被发现可将残余拉应力和工作硬化降低近50%，并通过优化的锯齿状切屑形成延长了工具寿命[15]、[16]。在镍基超级合金（Inconel 718）的情况下，EVC可将平均切割力降低多达60%，并消除表面‘涂抹’现象，实现类似镜面的表面，显著抑制了扩散磨损[17]。此外，对不锈钢和硬化钢的研究表明，EVC能有效减少毛刺形成，并通过控制关键切屑厚度实现延性加工[18]。
然而，现有研究大多单独探讨了Bi添加剂的改性效果或EVC的工艺优势，而它们组合的协同机制仍是一个未探索的研究空白。因此，本研究采用MD模拟系统地揭示了Bi纳米颗粒和EVC对FeNiCr合金纳米尺度切割行为的耦合机制。我们构建了含有Bi颗粒的FeNiCr基体和立方氮化硼（c-BN）工具的原子模型，并通过比较四种情况——CC与EVC，以及纯基体与含Bi基体——来识别它们的协同效应。在模拟过程中，我们关注了切割力和温度等宏观响应，并使用开放可视化工具（OVITO）软件以及DXA和常见邻居分析（CNA）[19]，深入研究了包括位错演变、应力分布、晶格转变和最终加工表面完整性在内的微观机制。本研究旨在从原子尺度阐明在这种耦合效应下的材料去除规律和塑性变形机制。
模型参数
在本研究中，我们使用lammps[20]建立了一个纳米尺度切割模型，如图1所示。
该纳米切割模型由含有Bi夹杂物的多晶FeNiCr基体和立方氮化硼（c-BN）工具组成，采用系统原子方法确保了几何和晶体学的准确性。
首先定义了一个基本的面心立方（FCC）单元格，晶格常数为3.5 ?，Fe、Ni和Cr原子在晶格上随机分布
切割力和温度
如图3(a-e)所示，切割过程大约在16 ?时正式开始。在此之前，工具与工件非常接近，切割力可以忽略不计。从16 ?到55 ?，切割力迅速上升，表明工件开始发生初始塑性变形。当工具开始进入并切割第一个Bi夹杂物区域（55–115 ?）时，机械响应曲线显示出显著变化。具体来说，在CC条件下，两者
结论
在这项工作中，我们利用分子动力学模拟系统研究了含Bi FeNiCr合金在EVC过程中的材料去除机制，特别关注了Bi掺杂、椭圆振动和振动幅度比对切割响应、界面演变、塑性变形机制和加工质量的影响。还进行了具有不同关键参数的系统性敏感性模拟，以验证结果的稳健性
CRediT作者贡献声明
Ruikang Zhang：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论，概念化。Fazhan Wang：撰写——审阅与编辑，项目管理。Haochen Wang：软件，数据管理。Jiaxing Zhao：验证。Zhihao Zhang：研究
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在竞争性利益的财务利益/个人关系：Fazhan Wang报告称获得了陕西省重点研发计划的财务支持。Fazhan Wang报告称获得了陕西省自然科学基础研究计划基金的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系
致谢
本研究得到了陕西省重点研发计划[资助编号 2022GY-399]和陕西省自然科学基础研究计划项目[资助编号 2023-JC-YB-313]的支持。
