Dynamiskt sprickfrontbeteende i steady-state (110) klyvning av de enkristallina kiselproverna under ren böjning. (A) Morfologier av (110) klyvningsplanet (xy-planet) av de sågade proverna vid olika steady-state sprickutbredningshastigheter kontra sprickan utbreder sig längs [110]-riktningen (x-axeln). Wallner-linjerna och sprickfronterna framhävs av de svarta och röda kurvorna, respektive. Sprickfrontens lokala veck framhävs av de röda streckade cirklarna och ytkorrugeringarna framhävs av de gröna linjerna. (B) Normaliserad lokal sprickfronthastighet vl/cR som funktion av normaliserad vertikal position y/h längs sprickfronten, för sju experiment med olika vs. Insättning illustrerar provtjockleken h och vinkeln θ som representerar den lokala normalriktningen för sprickfronten (röd kurva). (C) AFM-mätning av den lokala främre kinkzonen visar uppkomsten av ytkorrugeringarna. (D) Morfologier av (110) klyvningsplanet för de ytpolerade proverna vid olika ytmorfologier mot frakturer uppvisar den spegelliknande egenskapen vid vs =0,59cR och närvaron av ytkorrugationer vid vs =0,67cR (under 0,45 ± 0.01h), 0,74cR (under 0,51 ± 0,02h), och 0,80cR (under 0,59 ± 0,02h). Kredit:PNAS, doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1916805117
När en dynamisk spricka fortplantar sig genom materialheterogeniteter (materialskillnader), elastiska vågor emitteras för att störa sprickan och ändra morfologin på sprickytan. När en spricka fortplantar sig längs preferentiella klyvningsplan av asperitetsfria (råhetsfria) kristallina material, forskare förväntar sig en slät sprickfront och en spegelliknande brottyta. I en ny rapport som nu publiceras om Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), Ming Wang och ett forskarteam i mekanik vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning (CNRS) i Frankrike, Huazhong University of Science and Technology och Hubei Key Laboratory i Wuhan, Kina, visade karakteristisk sprickutbredning i ett enda kristallint kisel utan materialskillnader (materialråhet). Sprickfronten uppvisade en lokal kink under höghastighetssprickutbredning och genererade periodiska brottyta korrugeringar eller krusningar. Fenomenet växte från ångström (Å) amplitud till några hundra nanometer (nm) för att fortplanta sig med lång livslängd vid en frekvensberoende hastighet och med en skalberoende form. De lokala frontsvängningarna presenterade egenskapen för ensamma vågor och Wang et al. kallade de olinjära elastiska vågorna "korrugeringsvågor".
Inom materialvetenskap, sprickutbredning kan leda till katastrofalt materialfel, och därför, materialforskare har intensivt studerat den dynamiska egenskapen i årtionden, men detaljerna är fortfarande utmanande. Enligt linjär elastisk brottmekanik, en sprickspets i ett tvådimensionellt (2-D) medium kan beskrivas som en energisänka runt vilken avledning sker för energiutbredning. I 3D-system styrs den lokala sprickhastigheten av lokal energibalans för att kontrollera hela sprickans frontform. I detta arbete, Wang et al. rapporterade specifika brottytkorrugationer i enkristallklyvningen av kisel som uppstår i höghastighetssprickor. De kunde inte förklara morfologin med några avböjningsscenarier som hittills varit kända för att beskriva klyvningen av kiselkristaller. Teamet föreslog därför självemitterade korrugeringar (krusningar) att vara spår av olika icke-linjära elastiska vågor, kända som korrugeringsvågor som kärnor från sprickenergifluktuationen vid en kritisk sprickhastighet. Korrugeringsvågorna delade också specifika egenskaper med sprickfrontvågorna. Teamet lyfte fram två spännande egenskaper hos korrugeringsvågor i detta arbete, inklusive olinjär dispersion och partikelliknande interaktionsdynamik.
Ytkorrugeringarnas beroende av sprickhastigheten. (A), Normaliserad starthöjd för ytkorrugeringarna som en funktion av vs. (B), Lutningsvinkeln för korrugeringarna som en funktion av vs, mätt från Fig. S2. (C), Sprickytmorfologier vid sprickinitieringen för det sågade (vänster) och ytpolerade (höger) provet med vs =0,8cR. Sprickinitieringspunkten presenteras av den vita punkten. De svarta streckade kurvorna representerar varianten av Wallner-linjerna under sprickaccelerationen, medan de svarta heldragna kurvorna representerar de konstanta Wallner-linjerna när sprickan når steady-state-regimen. Variationen av startpositionen och lutningsvinkeln för korrugeringarna markeras av den röda streckade linjen och den gröna linjen, respektive. Kredit:PNAS, doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1916805117
Sprickexperiment för att studera ytegenskaperna
Wang et al. utförde brottexperimenten på sågade enkristallina kiselplattor under ren böjning för att bilda (110)-klyvningen. Bindningsspänningen var normal mot brottytan för att fortplanta sig under en ren öppningsmod. På grund av olika storlekar av frösprickor, forskarna fick ett brett spektrum av steady-state sprickhastigheter, med en Rayleigh-våghastighet (sprickhastighet) lika med 4, 460 m/s för (110) [110] riktningen för kristallen, att undersöka sprickdynamiken. Den oföränderliga formen på Wallner-linjerna, dvs linjer som härrör från sprickfrontens fortplantande och skjuvningsvågor avslöjade hela sprickfrontens fortplantning i stabilt tillstånd. I ett scenario med låg hastighet, den lokala sprickhastighetsprofilen minskade monotont från botten till toppen längs sprickfronten, i höghastighetsscenarier, den lokala kinken översattes till en fluktuation.
AFM-mätning av brottytans korrugeringar i de polerade enkristallina kiselproverna. (A) Topografier av ytkorrugeringarna vid vs =0,74cR vid olika höjder. (B) Kollaps av tidigare korrugeringar och uppkomsten av nya vid höghastighetssprickinstabilitet vid vfo =0,80cR. (C) Profiler av ytkorrugeringarna (längs den vinkelräta riktningen av korrugeringsåsen) vid olika livsstadier vid vs =0,74cR. Profilerna extraherades längs de streckade linjerna markerade i A med motsvarande färger. Kredit:PNAS, doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1916805117
Teamet genomförde en andra serie experiment på ytpolerade kiselprover, som uteslöt Wallner-linjerna för att studera de noggranna morfologiska egenskaperna hos brottytkorrugeringarna. Ytkorrugering på två motsatta brottytor involverade en topp-till-dal-match, vilket Wang et al. särskiljs från den lokala plasticiteten framför sprickspetsen som presenteras som en topp-till-topp-match, och analyserade dem med hjälp av atomic force microscopy (AFM) mätningar. Baserat på fem typiska topografier, forskargruppen observerade amplituden växa från en ångströmnivå till en maximal grovhet på 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. Till exempel, 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, respektive. 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), respektive, 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
På det här sättet, 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. I den här studien, 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 Science X Network
