CN110334462A - 一种固液两相磨粒流精密加工分子动力学构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种固液两相磨粒流精密加工分子动力学构建方法，其具体方法如下：(1)分子动力学仿真模型的建立；(2)设定模拟区域的边界条件；(3)势函数的选取；(4)系统弛豫；(5)设定和模拟相关参数；(6)核心算法仿真计算；(7)系统内部平衡态演化；(8)数据处理与可视化处理。本发明方法基于微观尺度摩擦与材料晶态结构理论，以碳化硅磨粒微切削铁碳合金工件材料为研究对象，通过对磨粒微切削的动态过程进行分子动力学数值分析，发现在磨粒微切削过程中工件内部存在原子团簇、V形位错环、堆垛层错和位错缺陷结构，对缺陷结构特征及其形成、变化和运动规律进行分析，揭示磨粒流加工铁碳合金材料的微切削作用机制。
Description
技术领域
本发明涉及一种固液两相磨粒流精密加工分子动力学构建方法，属于固液两相磨粒流精密加工技术领域。
背景技术
分子动力学方法是目前应用最广泛的计算宏观复杂体系的方法，发展至今，研究学者建立了许多适用于不同材料体系的力场模型，极大提升了计算复杂体系结构与热力学性质的能力及准确性，其模拟系统中粒子的运动具有了确定的物理依据。同时可获得系统的动态特性与热力学统计数据，为相关研究的理论分析提供了重要的依据。
磨粒流加工过程中的切削效应是发生在工件表面局部区域内的动态过程，为探讨微观尺度下磨粒流微切削作用机制，采用分子动力学模拟方法，对磨粒流精密加工铁碳合金工件过程进行数值模拟研究，为深入研究磨粒流精密加工技术提供理论基础和技术支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固液两相磨粒流精密加工分子动力学构建方法，数值模拟方法即为仿真方法，该方法能为磨粒流精密加工生产实际提供重要的技术指导。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种固液两相磨粒流精密加工分子动力学构建方法，其具体方法如下：
(1)分子动力学仿真模型的建立：利用Lammps软件构建金属铁的晶体模型，选取α-Fe的晶格常数为0.2863nm，模型在x、y和z方向上分别对应晶向[100]、[010]和[001]，各方向尺寸为其中包含114388个Fe原子。工件内碳原子的质量分数分别定为0.30％、0.40％、0.50％和0.60％，根据不同的碳原子质量分数，在所构建的金属铁晶体模型的晶格间隙相应阵点位置处随机加入相应数量的碳原子。选择立方碳化硅为磨粒，利用Materials studio软件中Visualizer窗口构建碳化硅磨粒模型，模型直径包含724个硅原子和682个碳原子，初始放置在工件右上方距工件边缘位置，在Discover设置中能量模块选择CVFF立场，对模型进行空间结构最优化及能量最小化处理；
(2)设定模拟区域的边界条件：施加周期性边界条件并引入最近邻像约定，对中心元胞内的原子运动及其相互作用进行计算；
(3)势函数的选取：选择EAM势来描述铁碳合金工件中Fe-Fe、Fe-C和C-C之间的相互作用，选择Morse势函数来描述铁碳合金工件与碳化硅颗粒中Fe-Si、Fe-C(SiC)、C-C(SiC)和C-Si之间的相互作用，选择Tersoff势函数来描述碳化硅颗粒中C-C、C-Si和Si-Si之间的相互作用；
(4)系统弛豫：选择等温等压系综(NPT)进行平衡约束，利用Nose-Hoover热浴法将系统弛豫10000步，以使系统初始模型达到平衡状态；
(5)设定和模拟相关参数：模拟系统的初始温度分别设定为290K、300K、310K、和320K，磨粒速度设定为60m/s，切削深度为数值模拟步数为140000步，积分步长选择为1fs；
(6)核心算法仿真计算：确定原子初始位置和速度，根据Fi＝-▽Up计算系统势能及原子受力。根据Verlet积分算法预测下一时刻原子速度。根据计算系统动能，验证系统动能是否满足如果满足，则根据Verlet积分算法预测下一时刻原子位置。统计计算结果；
(7)系统内部平衡态演化：选择微正则系综(NVE)对模拟体系进行平衡约束，当系统能量趋于目标值，且原子速度按照Msxwell-Boltzmann随机分布时，可认为系统达到了平衡状态：
(8)数据处理与可视化处理：通过Lammps软件对自行编写的程序文件进行分子动力学仿真计算，统计计算结果，得到模拟过程及计算结果的相关数据的输出文件，输出文件中包含了变量参数及原子坐标的变化信息，选择Origin软件进行数据处理，选择Ovito软件进行可视化处理；
基于微观尺度摩擦磨损与材料晶态结构理论，通过对磨粒微切削的动态过程进行分子动力学数值模拟，探讨不同参数下磨粒与工件之间的相互作用关系，对亚表面缺陷结构的形成及演变进行分析，揭示磨粒微切削作用机制及材料变形机制，主要研究成果如下：
(1)根据磨粒流加工中磨粒对工件的作用方式，利用理论分析和数值计算方法，从分子动力学角度探讨磨粒与工件表面的相互作用机制，结合分子动力学、流体力学以及磨粒流精密加工相关知识，确定磨粒流加工的分子动力学模拟方案和流程，建立描述磨粒运动的动力学模型。以铁碳合金材料为研究对象，建立铁碳合金模型以及磨粒模型，根据要求加载后经核心算法计算得到相应统计系统计算结果；
(2)对碳化硅磨粒微切削铁碳合金工件过程进行了分子动力学模拟，通过研究发现在切削力作用下，磨粒对工件表面原子的碰撞切削是微切削过程中材料去除和表面成形的主要机制，由于磨粒的微切削作用使得工件原子发生位移，打破原始点阵排布状态，引起材料内晶格变形以及位错产生与变化，在此过程中伴随着热力学量的持续变动。通过对不同的系综温度、切削速度、切削角度和碳原子含量(质量分数)条件进行分子动力学数值分析，探索不同加工因素以及铁碳合金工件材料中碳原子含量对磨粒流微切削过程的影响，揭示磨粒对工件表面材料去除的微观作用机制。为探讨温度对微切削过程的影响，构建不同系综温度下碳化硅磨粒微切削铁碳合金工件的分子动力学模拟模型，通过对微切削过程中磨粒切削力、原子能量、原子位移、工件内晶格变化以及位错变化进行分析可知，温度变动(290K-320K)对原子动能的影响最为直接，微切削过程中原子位移和晶格变化会因温度不同而存在微小差异，而随着温度升高，工件内部分内应力减小，位错线数量减少且密度降低。因此，在磨粒流加工过程中可适当提高加工温度以提升工件加工表面质量与精度，减少内部缺陷结构。通过分析不同切削速度下的磨粒微切削过程，探讨磨粒切削速度对微切削的影响，对不同切削速度条件下材料力学性能及表面微观形貌变化分析发现，随着磨粒切削速度的增加，工件表面切削距离相应增大，完成整个切削过程的时间相应缩短。但切削速度过大会对工件表面产生较大冲击，材料内晶格结构的转变及位错变化与运动相应加剧。在一定速度范围内(40m/s～90m/s)，较大切削速度可以更快的完成微切削过程，有利于提高加工效率，同时仍可保证磨粒流的加工质量。在磨粒流加工过程中，磨粒总是以不同的角度对工件进行微切削作用，为探讨磨粒切削角度对微切削过程的影响，对切削角度从0°～25°条件下的微切削进行分子动力学模拟，得到切削力和能量变化曲线以及原子位移和排布微观形貌。通过分析发现随着切削角度的增大，切削力及原子能量相应升高，磨粒在工件表面的切削深度增大，原子位移变化复杂，在磨粒作用下的原子堆积无法正常形成切屑，材料内更多原子的排布状态发生改变，晶格变化更加复杂，位错密度相应增加，材料更易发生塑性变形且变形愈加复杂，工件加工表面精度与质量的控制越难得以保证。因此，保证较小的切削角度有利于形成更高质量的表面形貌。选择碳原子质量分数分别为0.3％、0.4％、0.5％和0.6％的铁碳合金进行分子动力学数值分析，探讨碳原子含量对微切削过程的影响。由于工件中碳原子的存在导致晶格发生了一定程度的畸变，使得原子能量的分布出现局部不均匀的现象，且部分碳原子附近的铁原子被识别为Simple cubic结构，影响了工件内原子位移、晶体滑移及位错滑移。通过分析可知，随着碳原子含量的增大，材料内变形抗力增大，发生塑性变形的能力降低，磨粒对工件材料的微切削作用逐渐减弱；
(3)对碳化硅磨粒微切削铁碳合金工件过程中工件已加工表面下方的亚表面区域内缺陷结构进行分子动力学数值分析，利用共近邻分析(CNA)方法和位错提取算法(DXA)对工件亚表面缺陷层中存在的缺陷及相应结构状态进行了探讨，阐明了亚表面缺陷结构的形成及变化过程。磨粒周围的原子由于磨粒的作用而积累了较高的能量，当这些原子所积累的能量达到极限值后得到释放，工件原子产生位移，原始排布状态发生变化，切削区域内点阵结构遭到破坏，局部原子发生有规律的错排现象，这些位错会残留在铁碳合金工件材料的亚表面并在微切削过程中不断变化。工件内位错线沿滑移方向产生滑移，它们在磨粒下方区域内形核并扩展，部分产生交叉滑移现象，阻碍位错进一步的向内扩展，然后沿着垂直于原始运动方向产生攀移，从而形成V形位错环。部分位错在铁碳合金工件内形核，本应扩展到自由表面后消失，但是由于位错增殖使其在工件材料内分布密度逐渐增大。铁碳合金工件材料内少量原子吸收能量后脱离原始结构并在微切削作用下移动至其他位置，多个原子相互聚集在一起形成相应的原子团簇。在碳化硅磨粒下方区域内，堆垛层错在磨粒微切削作用下开始形核，由材料内部扩展后在滑移面上形成位错线。
附图说明
图1为碳化硅磨粒切削铁碳合金工件模型；
具体实施方式
(1)分子动力学仿真模型的建立：利用Lammps软件构建金属铁的晶体模型，选取α-Fe的晶格常数为0.2863nm，模型在x、y和z方向上分别对应晶向[100]、[010]和[001]，各方向尺寸为其中包含114388个Fe原子。工件内碳原子的质量分数分别定为0.30％、0.40％、0.50％和0.60％，根据不同的碳原子质量分数，在所构建的金属铁晶体模型的晶格间隙相应阵点位置处随机加入相应数量的碳原子。选择立方碳化硅为磨粒，利用Materials studio软件中Visualizer窗口构建碳化硅磨粒模型，模型直径包含724个硅原子和682个碳原子，初始放置在工件右上方距工件边缘位置，在Discover设置中能量模块选择CVFF立场，对模型进行空间结构最优化及能量最小化处理；
(2)设定模拟区域的边界条件：施加周期性边界条件并引入最近邻像约定，对中心元胞内的原子运动及其相互作用进行计算；
(3)势函数的选取：选择EAM势来描述铁碳合金工件中Fe-Fe、Fe-C和C-C之间的相互作用，选择Morse势函数来描述铁碳合金工件与碳化硅颗粒中Fe-Si、Fe-C(SiC)、C-C(SiC)和C-Si之间的相互作用，选择Tersoff势函数来描述碳化硅颗粒中C-C、C-Si和Si-Si之间的相互作用；
(4)系统弛豫：选择等温等压系综(NPT)进行平衡约束，利用Nose-Hoover热浴法将系统弛豫10000步，以使系统初始模型达到平衡状态；
(5)设定和模拟相关参数：模拟系统的初始温度分别设定为290K、300K、310K、和320K，磨粒速度设定为60m/s，切削深度为数值模拟步数为140000步，积分步长选择为1fs；
(6)核心算法仿真计算：确定原子初始位置和速度，根据计算系统势能及原子受力。根据Verlet积分算法预测下一时刻原子速度。根据计算系统动能，验证系统动能是否满足如果满足，则根据Verlet积分算法预测下一时刻原子位置。统计计算结果；
(7)系统内部平衡态演化：选择微正则系综(NVE)对模拟体系进行平衡约束，当系统能量趋于目标值，且原子速度按照Msxwell-Boltzmann随机分布时，可认为系统达到了平衡状态；
(8)数据处理与可视化处理：通过Lammps软件对自行编写的程序文件进行分子动力学仿真计算，统计计算结果，得到模拟过程及计算结果的相关数据的输出文件，输出文件中包含了变量参数及原子坐标的变化信息，选择Origin软件进行数据处理，选择Ovito软件进行可视化处理；
基于微观尺度摩擦磨损与材料晶态结构理论，通过对磨粒微切削的动态过程进行分子动力学数值模拟，探讨不同参数下磨粒与工件之间的相互作用关系，对亚表面缺陷结构的形成及演变进行分析，揭示磨粒微切削作用机制及材料变形机制，主要研究成果如下：
(1)根据磨粒流加工中磨粒对工件的作用方式，利用理论分析和数值计算方法，从分子动力学角度探讨磨粒与工件表面的相互作用机制，结合分子动力学、流体力学以及磨粒流精密加工相关知识，确定磨粒流加工的分子动力学模拟方案和流程，建立描述磨粒运动的动力学模型。以铁碳合金材料为研究对象，建立铁碳合金模型以及磨粒模型，根据要求加载后经核心算法计算得到相应统计系统计算结果；
(2)对碳化硅磨粒微切削铁碳合金工件过程进行了分子动力学模拟，通过研究发现在切削力作用下，磨粒对工件表面原子的碰撞切削是微切削过程中材料去除和表面成形的主要机制，由于磨粒的微切削作用使得工件原子发生位移，打破原始点阵排布状态，引起材料内晶格变形以及位错产生与变化，在此过程中伴随着热力学量的持续变动。通过对不同的系综温度、切削速度、切削角度和碳原子含量(质量分数)条件进行分子动力学数值分析，探索不同加工因素以及铁碳合金工件材料中碳原子含量对磨粒流微切削过程的影响，揭示磨粒对工件表面材料去除的微观作用机制。为探讨温度对微切削过程的影响，构建不同系综温度下碳化硅磨粒微切削铁碳合金工件的分子动力学模拟模型，通过对微切削过程中磨粒切削力、原子能量、原子位移、工件内晶格变化以及位错变化进行分析可知，温度变动(290K-320K)对原子动能的影响最为直接，微切削过程中原子位移和晶格变化会因温度不同而存在微小差异，而随着温度升高，工件内部分内应力减小，位错线数量减少且密度降低。因此，在磨粒流加工过程中可适当提高加工温度以提升工件加工表面质量与精度，减少内部缺陷结构。通过分析不同切削速度下的磨粒微切削过程，探讨磨粒切削速度对微切削的影响，对不同切削速度条件下材料力学性能及表面微观形貌变化分析发现，随着磨粒切削速度的增加，工件表面切削距离相应增大，完成整个切削过程的时间相应缩短。但切削速度过大会对工件表面产生较大冲击，材料内晶格结构的转变及位错变化与运动相应加剧。在一定速度范围内(40m/s～90m/s)，较大切削速度可以更快的完成微切削过程，有利于提高加工效率，同时仍可保证磨粒流的加工质量。在磨粒流加工过程中，磨粒总是以不同的角度对工件进行微切削作用，为探讨磨粒切削角度对微切削过程的影响，对切削角度从0°～25°条件下的微切削进行分子动力学模拟，得到切削力和能量变化曲线以及原子位移和排布微观形貌。通过分析发现随着切削角度的增大，切削力及原子能量相应升高，磨粒在工件表面的切削深度增大，原子位移变化复杂，在磨粒作用下的原子堆积无法正常形成切屑，材料内更多原子的排布状态发生改变，晶格变化更加复杂，位错密度相应增加，材料更易发生塑性变形且变形愈加复杂，工件加工表面精度与质量的控制越难得以保证。因此，保证较小的切削角度有利于形成更高质量的表面形貌。选择碳原子质量分数分别为0.3％、0.4％、0.5％和0.6％的铁碳合金进行分子动力学数值分析，探讨碳原子含量对微切削过程的影响。由于工件中碳原子的存在导致晶格发生了一定程度的畸变，使得原子能量的分布出现局部不均匀的现象，且部分碳原子附近的铁原子被识别为Simple cubic结构，影响了工件内原子位移、晶体滑移及位错滑移。通过分析可知，随着碳原子含量的增大，材料内变形抗力增大，发生塑性变形的能力降低，磨粒对工件材料的微切削作用逐渐减弱；
(3)对碳化硅磨粒微切削铁碳合金工件过程中工件已加工表面下方的亚表面区域内缺陷结构进行分子动力学数值分析，利用共近邻分析(CNA)方法和位错提取算法(DXA)对工件亚表面缺陷层中存在的缺陷及相应结构状态进行了探讨，阐明了亚表面缺陷结构的形成及变化过程。磨粒周围的原子由于磨粒的作用而积累了较高的能量，当这些原子所积累的能量达到极限值后得到释放，工件原子产生位移，原始排布状态发生变化，切削区域内点阵结构遭到破坏，局部原子发生有规律的错排现象，这些位错会残留在铁碳合金工件材料的亚表面并在微切削过程中不断变化。工件内位错线沿滑移方向产生滑移，它们在磨粒下方区域内形核并扩展，部分产生交叉滑移现象，阻碍位错进一步的向内扩展，然后沿着垂直于原始运动方向产生攀移，从而形成V形位错环。部分位错在铁碳合金工件内形核，本应扩展到自由表面后消失，但是由于位错增殖使其在工件材料内分布密度逐渐增大。铁碳合金工件材料内少量原子吸收能量后脱离原始结构并在微切削作用下移动至其他位置，多个原子相互聚集在一起形成相应的原子团簇。在碳化硅磨粒下方区域内，堆垛层错在磨粒微切削作用下开始形核，由材料内部扩展后在滑移面上形成位错线。
Claims (2)
1.本发明涉及一种固液两相磨粒流精密加工分子动力学构建方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)分子动力学仿真模型的建立：利用Lammps软件构建金属铁的晶体模型，选取α-Fe的晶格常数为0.2863nm，模型在x、y和z方向上分别对应晶向[100]、[010]和[001]，各方向尺寸为其中包含114388个Fe原子。工件内碳原子的质量分数分别定为0.30％、0.40％、0.50％和0.60％，根据不同的碳原子质量分数，在所构建的金属铁晶体模型的晶格间隙相应阵点位置处随机加入相应数量的碳原子。选择立方碳化硅为磨粒，利用Materials studio软件中Visualizer窗口构建碳化硅磨粒模型，模型直径包含724个硅原子和682个碳原子，初始放置在工件右上方距工件边缘位置，在Discover设置中能量模块选择CVFF立场，对模型进行空间结构最优化及能量最小化处理；
(2)设定模拟区域的边界条件：施加周期性边界条件并引入最近邻像约定，对中心元胞内的原子运动及其相互作用进行计算；
(3)势函数的选取：选择EAM势来描述铁碳合金工件中Fe-Fe、Fe-C和C-C之间的相互作用，选择Morse势函数来描述铁碳合金工件与碳化硅颗粒中Fe-Si、Fe-C(SiC)、C-C(SiC)和C-Si之间的相互作用，选择Tersoff势函数来描述碳化硅颗粒中C-C、C-Si和Si-Si之间的相互作用；
(4)系统弛豫：选择等温等压系综(NPT)进行平衡约束，利用Nose-Hoover热浴法将系统弛豫10000步，以使系统初始模型达到平衡状态；
(5)设定和模拟相关参数：模拟系统的初始温度分别设定为290K、300K、310K、和320K，磨粒速度设定为60m/s，切削深度为数值模拟步数为140000步，积分步长选择为1fs；
(6)核心算法仿真计算：确定原子初始位置和速度，根据计算系统势能及原子受力。根据Verlet积分算法预测下一时刻原子速度。根据计算系统动能，验证系统动能是否满足如果满足，则根据Verlet积分算法预测下一时刻原子位置，统计计算结果；
(7)系统内部平衡态演化：选择微正则系综(NVE)对模拟体系进行平衡约束，当系统能量趋于目标值，且原子速度按照Msxwell-Boltzmann随机分布时，可认为系统达到了平衡状态；
(8)数据处理与可视化处理：通过Lammps软件对自行编写的程序文件进行分子动力学仿真计算，统计计算结果，得到模拟过程及计算结果的相关数据的输出文件，输出文件中包含了变量参数及原子坐标的变化信息，选择Origin软件进行数据处理，选择Ovito软件进行可视化处理。
2.根据权利要求1所述的一种固液两相磨粒流精密加工分子动力学构建方法，其特征在于：基于微观尺度摩擦磨损与材料晶态结构理论，通过对磨粒微切削的动态过程进行分子动力学数值模拟，探讨不同参数下磨粒与工件之间的相互作用关系，对亚表面缺陷结构的形成及演变进行分析，揭示磨粒微切削作用机制及材料变形机制，主要研究成果如下：
(1)根据磨粒流加工中磨粒对工件的作用方式，利用理论分析和数值计算方法，从分子动力学角度探讨磨粒与工件表面的相互作用机制，结合分子动力学、流体力学以及磨粒流精密加工相关知识，确定磨粒流加工的分子动力学模拟方案和流程，建立描述磨粒运动的动力学模型。以铁碳合金材料为研究对象，建立铁碳合金模型以及磨粒模型，根据要求加载后经核心算法计算得到相应统计系统计算结果；
(2)对碳化硅磨粒微切削铁碳合金工件过程进行了分子动力学模拟，通过研究发现在切削力作用下，磨粒对工件表面原子的碰撞切削是微切削过程中材料去除和表面成形的主要机制，由于磨粒的微切削作用使得工件原子发生位移，打破原始点阵排布状态，引起材料内晶格变形以及位错产生与变化，在此过程中伴随着热力学量的持续变动。通过对不同的系综温度、切削速度、切削角度和碳原子含量(质量分数)条件进行分子动力学数值分析，探索不同加工因素以及铁碳合金工件材料中碳原子含量对磨粒流微切削过程的影响，揭示磨粒对工件表面材料去除的微观作用机制；
①为探讨温度对微切削过程的影响，构建不同系综温度下碳化硅磨粒微切削铁碳合金工件的分子动力学模拟模型，通过对微切削过程中磨粒切削力、原子能量、原子位移、工件内晶格变化以及位错变化进行分析可知，温度变动(290K-320K)对原子动能的影响最为直接，微切削过程中原子位移和晶格变化会因温度不同而存在微小差异，而随着温度升高，工件内部分内应力减小，位错线数量减少且密度降低。因此，在磨粒流加工过程中可适当提高加工温度以提升工件加工表面质量与精度，减少内部缺陷结构；
②通过分析不同切削速度下的磨粒微切削过程，探讨磨粒切削速度对微切削的影响，对不同切削速度条件下材料力学性能及表面微观形貌变化分析发现，随着磨粒切削速度的增加，工件表面切削距离相应增大，完成整个切削过程的时间相应缩短。但切削速度过大会对工件表面产生较大冲击，材料内晶格结构的转变及位错变化与运动相应加剧。在一定速度范围内(40m/s～90m/s)，较大切削速度可以更快的完成微切削过程，有利于提高加工效率，同时仍可保证磨粒流的加工质量；
③在磨粒流加工过程中，磨粒总是以不同的角度对工件进行微切削作用，为探讨磨粒切削角度对微切削过程的影响，对切削角度从0°～25°条件下的微切削进行分子动力学模拟，得到切削力和能量变化曲线以及原子位移和排布微观形貌。通过分析发现随着切削角度的增大，切削力及原子能量相应升高，磨粒在工件表面的切削深度增大，原子位移变化复杂，在磨粒作用下的原子堆积无法正常形成切屑，材料内更多原子的排布状态发生改变，晶格变化更加复杂，位错密度相应增加，材料更易发生塑性变形且变形愈加复杂，工件加工表面精度与质量的控制越难得以保证。因此，保证较小的切削角度有利于形成更高质量的表面形貌；
④选择碳原子质量分数分别为0.3％、0.4％、0.5％和0.6％的铁碳合金进行分子动力学数值分析，探讨碳原子含量对微切削过程的影响。由于工件中碳原子的存在导致晶格发生了一定程度的畸变，使得原子能量的分布出现局部不均匀的现象，且部分碳原子附近的铁原子被识别为Simple cubic结构，影响了工件内原子位移、晶体滑移及位错滑移。通过分析可知，随着碳原子含量的增大，材料内变形抗力增大，发生塑性变形的能力降低，磨粒对工件材料的微切削作用逐渐减弱；
(3)对碳化硅磨粒微切削铁碳合金工件过程中工件已加工表面下方的亚表面区域内缺陷结构进行分子动力学数值分析，利用共近邻分析(CNA)方法和位错提取算法(DXA)对工件亚表面缺陷层中存在的缺陷及相应结构状态进行了探讨，阐明了亚表面缺陷结构的形成及变化过程；
①磨粒周围的原子由于磨粒的作用而积累了较高的能量，当这些原子所积累的能量达到极限值后得到释放，工件原子产生位移，原始排布状态发生变化，切削区域内点阵结构遭到破坏，局部原子发生有规律的错排现象，这些位错会残留在铁碳合金工件材料的亚表面并在微切削过程中不断变化；工件内位错线沿滑移方向产生滑移，它们在磨粒下方区域内形核并扩展，部分产生交叉滑移现象，阻碍位错进一步的向内扩展，然后沿着垂直于原始运动方向产生攀移，从而形成V形位错环；部分位错在铁碳合金工件内形核，本应扩展到自由表面后消失，但是由于位错增殖使其在工件材料内分布密度逐渐增大；
②铁碳合金工件材料内少量原子吸收能量后脱离原始结构并在微切削作用下移动至其他位置，多个原子相互聚集在一起形成相应的原子团簇；在碳化硅磨粒下方区域内，堆垛层错在磨粒微切削作用下开始形核，由材料内部扩展后在滑移面上形成位错线。
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