Wanneer een dynamische scheur zich voortplant door materiaalheterogeniteiten (materiaalverschillen), elastische golven worden uitgezonden om de scheur te verstoren en de morfologie van het breukoppervlak te veranderen. Wanneer een scheur zich voortplant langs preferentiële splitsingsvlakken van ruwheidsvrije (ruwheidsvrije) kristallijne materialen, onderzoekers verwachten een glad scheurfront en een spiegelachtig breukoppervlak. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), Ming Wang en een onderzoeksteam in Mechanica aan het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) in Frankrijk, de Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie en het Hubei Key Laboratory in Wuhan, China, vertoonde karakteristieke scheurvoortplanting in een enkel kristallijn silicium zonder materiële oneffenheden (materiaalruwheid). Het scheurfront vertoonde een lokale knik tijdens scheurvoortplanting met hoge snelheid en genereerde periodieke breukvlakgolfvormingen of rimpelingen. Het fenomeen groeide van angstrom (Å) amplitude tot een paar honderd nanometer (nm) om zich met een lange levensduur bij een frequentieafhankelijke snelheid en met een schaalafhankelijke vorm voort te planten. De lokale frontoscillaties vertoonden het kenmerk van solitaire golven en Wang et al. noemde de niet-lineaire elastische golven "golfgolven".

In de materiaalkunde, scheurvoortplanting kan leiden tot catastrofaal materiaalfalen, en daarom, materiaalwetenschappers hebben de dynamische eigenschap decennialang intensief bestudeerd, maar de details blijven uitdagend. Volgens de lineaire elastische breukmechanica, een scheurpunt in een tweedimensionaal (2-D) medium kan worden beschreven als een energieput waarrond dissipatie optreedt voor energievoortplanting. In 3D-systemen wordt de lokale scheursnelheid bepaald door de lokale energiebalans om de hele vorm van het scheurfront te regelen. In het huidige werk, Wang et al. rapporteerde specifieke breukvlakgolfvormingen in de eenkristalsplitsing van silicium die opduiken in scheuren met hoge snelheid. Ze konden de morfologie niet verklaren met behulp van deflectiescenario's waarvan tot nu toe bekend was dat ze de splitsing van siliciumkristallen beschrijven. Het team stelde daarom voor dat zelf-emitterende golvingen (rimpelingen) sporen zijn van verschillende niet-lineaire elastische golven die bekend staan ​​als golvingsgolven die uit de breukenergiefluctuatie kiemen met een kritische scheursnelheid. De golfgolven deelden ook specifieke eigenschappen met de scheurfrontgolven. Het team benadrukte in dit werk twee intrigerende kenmerken van golfgolven:inclusief niet-lineaire dispersie en deeltjesachtige interactiedynamica.

Breukexperimenten om de oppervlaktekenmerken te bestuderen

Wang et al. voerden de breukexperimenten uit op als gezaagde monokristallijne siliciumplaten onder zuivere buiging om de (110) splitsing te vormen. De bindingsspanning was normaal op het breukoppervlak om zich voort te planten onder een zuivere openingsmodus. Door de verschillende groottes van de zaadscheuren, de wetenschappers verkregen een breed scala van steady-state scheursnelheden, met een Rayleigh-golfsnelheid (scheursnelheid) gelijk aan 4, 460 m/s voor de (110) [110] richting van het kristal, om de scheurdynamiek te onderzoeken. De invariante vorm van de Wallner-lijnen, d.w.z. lijnen die het gevolg zijn van het zich voortplantende scheurfront en de afschuifgolven, onthulden de stationaire voortplanting van het hele scheurfront. In een scenario met lage snelheid, het lokale scheursnelheidsprofiel nam monotoon af van onder naar boven langs het scheurfront, terwijl in scenario's met hoge snelheid, de lokale knik vertaalde zich in een fluctuatie.

Het team voerde een tweede reeks experimenten uit op aan het oppervlak gepolijste siliciummonsters, die de Wallner-lijnen uitsloot om de nauwkeurige morfologische kenmerken van de breukvlakgolvingen te bestuderen. Oppervlaktegolvingen op twee tegenover elkaar liggende breukvlakken hadden betrekking op een piek-tot-dal match, die Wang et al. onderscheiden van de lokale plasticiteit vóór de scheurtip gepresenteerd als een piek-tot-piek match, en analyseerde ze met behulp van atomic force microscopie (AFM) metingen. Gebaseerd op vijf typische topografieën, 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

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. Bijvoorbeeld, 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.

Op deze manier, 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. In dit onderzoek, 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.

© 2020 Wetenschap X Netwerk