Comportamento dinâmico da frente de trinca na clivagem em estado estacionário (110) das amostras de silício cristalino único sob flexão pura. (A) Morfologias do plano de clivagem (110) (plano xy) das amostras como serradas em diferentes velocidades de propagação de trinca em estado estacionário vs. A trinca se propaga ao longo da direção [110] (eixo x). As linhas de Wallner e frentes de rachadura são destacadas pelas curvas pretas e vermelhas, respectivamente. As dobras locais da frente da fissura são destacadas pelos círculos tracejados em vermelho e as ondulações da superfície são destacadas pelas linhas verdes. (B) Velocidade frontal da trinca local normalizada vl / cR em função da posição vertical normalizada y / h ao longo da frente da trinca, para sete experimentos com diferente vs. Inset ilustra a espessura da amostra heo ângulo θ que representa a direção normal local da frente da fissura (curva vermelha). (C) A medição AFM da zona de torção frontal local mostra o surgimento das ondulações da superfície. (D) Morfologias do plano de clivagem (110) das amostras polidas de superfície em morfologias de superfície de fratura diferentes vs. 0,01h), 0,74cR (abaixo de 0,51 ± 0,02h), e 0,80cR (abaixo de 0,59 ± 0,02h). Crédito:PNAS, doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1916805117
Quando uma fissura dinâmica se propaga através de heterogeneidades materiais (diferenças materiais), ondas elásticas são emitidas para perturbar a fissura e alterar a morfologia da superfície da fratura. Quando uma rachadura se propaga ao longo de planos de clivagem preferenciais de materiais cristalinos livres de aspereza (sem rugosidade), os pesquisadores esperam uma frente de rachadura lisa e uma superfície de fratura semelhante a um espelho. Em um novo relatório agora publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), Ming Wang e uma equipe de pesquisa em Mecânica do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS) na França, a Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia e o Laboratório Hubei Key em Wuhan, China, apresentou propagação de trinca característica em um único silício cristalino sem asperezas do material (rugosidade do material). A frente da trinca apresentou uma torção local durante a propagação da trinca em alta velocidade e gerou ondulações ou ondulações na superfície da fratura periódicas. O fenômeno cresceu de amplitude de angstrom (Å) para algumas centenas de nanômetros (nm) para se propagar com uma longa vida útil em uma velocidade dependente da frequência e com uma forma dependente da escala. As oscilações frontais locais apresentaram a característica de ondas solitárias e Wang et al. denominou as ondas elásticas não lineares de "ondas de ondulação".
Na ciência dos materiais, a propagação de rachaduras pode levar à falha catastrófica do material, e portanto, os cientistas de materiais estudaram intensamente o recurso dinâmico por décadas, mas os detalhes continuam desafiadores. De acordo com a mecânica de fratura elástica linear, uma ponta de trinca em um meio bidimensional (2-D) pode ser descrita como um dissipador de energia em torno do qual ocorre a dissipação para a propagação de energia. Em sistemas 3-D, a velocidade local da trinca é governada pelo balanço de energia local para controlar toda a forma da frente da trinca. No presente trabalho, Wang et al. relataram ondulações de superfície de fratura específicas na clivagem de cristal único de silício emergindo em rachaduras de alta velocidade. Eles não conseguiam explicar a morfologia usando nenhum cenário de deflexão conhecido até agora para descrever a clivagem dos cristais de silício. A equipe, portanto, propôs ondulações auto-emitidas (ondulações) como traços de diferentes ondas elásticas não lineares, conhecidas como ondas de ondulação, que se nucleavam a partir da flutuação da energia de fratura em uma velocidade crítica de trinca. As ondas de ondulação também compartilharam propriedades específicas com as ondas frontais de fissura. A equipe destacou dois atributos intrigantes das ondas de ondulação neste trabalho, incluindo dispersão não linear e dinâmica de interação parecida a uma partícula.
Dependência das ondulações superficiais da velocidade da fissura. (UMA), Altura de início normalizada das ondulações da superfície em função do vs. (B), Ângulo de inclinação das ondulações em função de vs, medido a partir da Fig. S2. (C), Morfologias da superfície de fratura no início da trinca para a amostra serrada (esquerda) e polida de superfície (direita) com vs =0,8cR. O ponto de iniciação da fissura é apresentado pelo ponto branco. As curvas tracejadas pretas representam as linhas de Wallner variantes durante a aceleração da fissura, enquanto as curvas sólidas pretas representam as linhas constantes de Wallner quando a rachadura atinge o regime de estado estacionário. A variação da posição de início e o ângulo de inclinação das ondulações são destacados pela linha tracejada vermelha e a linha verde, respectivamente. Crédito:PNAS, doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1916805117
Experimentos de fratura para estudar as características da superfície
Wang et al. realizaram os experimentos de fratura em placas de silício monocristalino serradas sob flexão pura para formar a clivagem (110). A tensão de ligação era normal para a superfície de fratura se propagar sob um modo de abertura puro. Devido a vários tamanhos de rachaduras na semente, os cientistas obtiveram uma ampla gama de velocidades de crack em estado estacionário, com uma velocidade de onda Rayleigh (velocidade de crack) igual a 4, 460 m / s para a direção (110) [110] do cristal, para examinar a dinâmica do crack. A forma invariante das linhas de Wallner, ou seja, as linhas resultantes da propagação da frente da fissura e das ondas de cisalhamento revelaram a propagação em estado estacionário de toda a frente da fissura. Em um cenário de baixa velocidade, o perfil de velocidade de fissura local diminuiu monotonicamente de baixo para cima ao longo da frente da fissura, enquanto em cenários de alta velocidade, a torção local traduzida em flutuação.
Medição de AFM das ondulações da superfície de fratura nas amostras de silício monocristalino polido. (A) Topografias das ondulações da superfície em vs =0.74cR em diferentes alturas. (B) Colapso de ondulações anteriores e surgimento de novas em instabilidades de trinca de alta velocidade em vfo =0,80cR. (C) Perfis das ondulações da superfície (ao longo da direção perpendicular da crista de ondulação) em diferentes estágios de vida em vs =0.74cR. Os perfis foram extraídos ao longo das linhas tracejadas destacadas em A com as cores correspondentes. Crédito:PNAS, doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1916805117
A equipe conduziu uma segunda série de experimentos em amostras de silício polido de superfície, que excluiu as linhas de Wallner para estudar as características morfológicas precisas das ondulações da superfície da fratura. As ondulações de superfície em duas superfícies de fratura opostas envolveram uma correspondência de pico a vale, que Wang et al. distinta da plasticidade local à frente da ponta da trinca apresentada como uma correspondência pico a pico, e analisou-os usando medições de microscopia de força atômica (AFM). Com base em cinco topografias típicas, the research team observed the amplitude grow from an angstrom level to a maximum roughness of 100 nm. The team noted high-speed crack instability, which induced an abrupt crack path deviation to extend along the local front. The surface corrugations extended along various crystallographic directions depending on the crack speed and did not coincide with a specific crystal plane.
Different stages of crack propagation
Distribution of angle β between corrugation planes. (A) Variations of β as a function of the normalized vertical position y/h at vs =0.74cR. The mean values of β and the standard deviations were determined from the histograms of β shown in Top Right Inset, which were computed from the profiles of the corrugations measured perpendicular to the corrugation ridge at different life stages presented in Fig. 2A. Schematic drawing of β is shown in Bottom Left Inset. (B) Dependency of β on vs. The mean values of β and the standard deviations were determined from the histograms of β shown in Inset, computed from the profiles of the corrugations measured perpendicular to the corrugation ridge in the zone where the corrugations extend with the maximum amplitude at different vs. Credit:PNAS, doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1916805117
All surface corrugations exhibited a wave-like feature along the perpendicular direction, which Wang et al. measured to reveal geometrical characteristics of the corrugations. They dented the angle between the corrugation planes (denoted β) and observed its dependence on the crack speed. The surface corrugations extended along various crystallographic directions depending on the crack speed without coinciding with any specific crystallographic plane. The team revealed the long-lived propagation to be generated by highly localized out-of-plane agitations along the crack front.
The team further investigated the characteristics of the local crack front oscillations with periodic surface corrugations, where the orientation of the corrugations (denoted α) changed with the wavelength. The α also correlated with the width of the corrugations and with nucleation triggered by high speed crack instabilities. Wang et al. observed an increased wavelength and amplitude during the growth of the crack front oscillations, which subsequently decreased during decay of the oscillations. The team then highlighted particle-like interaction behavior of the local front oscillations. Por exemplo, when a fast-moving oscillation met a slow one, they showed particle-like collision and the fast-moving oscillation decayed and de-accelerated, while the slow oscillation grew and accelerated, meanwhile the linear correlation between the wavelength and amplitude retained.
Collision behavior of crack front oscillations. (A) Topographies of the surface corrugations at vs =0.80cR. The ξ axis is the tangent direction of the crack front. Corrugation markings are generated by the collision of front oscillations, as highlighted by the blue and green dashed lines, respectivamente. The corrugation markings exchange their orientation α after the collision. (B) Sequences of shape evolution of the front oscillations during the collision mentioned in A. The five sequences along the x direction are highlighted in A by the red dashed lines. At x =0.15 µm, different front oscillations propagate at vfo =0.965cR (blue) and vfo =0.935cR (green), respectivamente, and then they exchange their speeds at x =3.39 µm. (C) Topographies of the surface corrugations at vs =0.74cR, y =0.21h incorporating successive collisions that result in successive phase shifts, as highlighted by the green dashed arrows. (D) Simultaneous variation of α and Afo of the corrugation marking generated by successive collisions of front oscillations, measured from the arrows with the corresponding colors in C. Credit:PNAS, doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1916805117
Desta maneira, the collision events further revealed nonlinear characteristics of crack propagation, where particle-like interactions of the front oscillations were similar to solitary waves. During the collision, the two pulses exchanged their speeds and shapes for a resulting phase shift. Neste estudo, Wang et al. considered the front oscillations as nonlinear elastic waves and named them "corrugation waves" as they produced out-of-plane ripples (corrugations) on the fracture surface. The corrugation waves were continuously self-emitted from the moving front to propagate with the characteristics of solitary waves. The initial state of the corrugation waves depended on the source that created them. The nonlinear corrugation waves reported here differed from those described in previous through numerical modeling or experiments based on material asperities. Ming Wang and colleagues expect the results to provide additional insights on soliton-like crack front dynamics on the fracture surface of asperity-free (roughness-free) crystalline materials in materials science.
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