Comportamiento dinámico del frente de grieta en la escisión en estado estacionario (110) de las muestras de silicio monocristalino bajo flexión pura. (A) Morfologías del plano de escisión (110) (plano xy) de las muestras aserradas a diferentes velocidades de propagación de grietas en estado estacionario vs. La grieta se propaga a lo largo de la dirección [110] (eje x). Las líneas de Wallner y los frentes de grietas están resaltados por las curvas negras y rojas, respectivamente. Las torceduras locales del frente de la grieta están resaltadas por los círculos punteados rojos y las ondulaciones de la superficie están resaltadas por las líneas verdes. (B) Velocidad del frente de fisura local normalizada vl / cR en función de la posición vertical normalizada y / h a lo largo del frente de fisura, para siete experimentos con diferente vs. Recuadro ilustra el espesor de la muestra hy el ángulo θ que representa la dirección normal local del frente de la grieta (curva roja). (C) La medición de AFM de la zona de torsión frontal local muestra la aparición de las ondulaciones de la superficie. (D) Las morfologías del plano de escisión (110) de las muestras de superficie pulida en diferentes morfologías de superficie frente a fractura exhiben la característica similar a un espejo en vs =0.59cR y la presencia de corrugaciones en la superficie en vs =0.67cR (por debajo de 0.45 ± 0,01 h), 0,74cR (por debajo de 0,51 ± 0,02 h), y 0,80cR (por debajo de 0,59 ± 0,02 h). Crédito:PNAS, doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1916805117
Cuando una fisura dinámica se propaga a través de heterogeneidades de materiales (diferencias de materiales), se emiten ondas elásticas para perturbar la fisura y cambiar la morfología de la superficie de la fractura. Cuando una grieta se propaga a lo largo de planos de escisión preferenciales de materiales cristalinos sin aspereza (sin rugosidad), los investigadores esperan un frente de fisura suave y una superficie de fractura similar a un espejo. En un nuevo informe ahora publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), Ming Wang y un equipo de investigación en Mecánica del Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS) en Francia, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong y el Laboratorio Clave de Hubei en Wuhan, Porcelana, mostró una característica propagación de grietas en un silicio monocristalino sin asperezas del material (rugosidad del material). El frente de la grieta presentó una torsión local durante la propagación de la grieta a alta velocidad y generó ondulaciones u ondulaciones periódicas en la superficie de la fractura. Los fenómenos crecieron desde una amplitud de angstrom (Å) a unos pocos cientos de nanómetros (nm) para propagarse con una vida útil prolongada a una velocidad dependiente de la frecuencia y con una forma dependiente de la escala. Las oscilaciones del frente local presentaron la característica de ondas solitarias y Wang et al. denominó a las ondas elásticas no lineales "ondas de ondulación".
En ciencia de materiales, la propagación de grietas puede conducir a una falla catastrófica del material, y por lo tanto, Los científicos de materiales han estudiado intensamente la característica dinámica durante décadas, pero los detalles siguen siendo un desafío. Según la mecánica de fractura elástica lineal, una punta de grieta en un medio bidimensional (2-D) puede describirse como un sumidero de energía alrededor del cual se produce la disipación para la propagación de energía. En los sistemas 3-D, la velocidad de la fisura local se rige por el balance de energía local para controlar la forma completa del frente de la fisura. En el presente trabajo, Wang y col. reportaron corrugaciones específicas de la superficie de la fractura en la escisión del monocristal de silicio que emergen en grietas de alta velocidad. No pudieron explicar la morfología utilizando ningún escenario de deflexión conocido hasta ahora para describir la escisión de los cristales de silicio. Por lo tanto, el equipo propuso que las corrugaciones autoemitidas (ondulaciones) sean trazas de diferentes ondas elásticas no lineales conocidas como ondas de corrugación que se nuclean a partir de la fluctuación de la energía de fractura a una velocidad de fisura crítica. Las ondas de ondulación también compartían propiedades específicas con las ondas de frente de grieta. El equipo destacó dos atributos intrigantes de las ondas de ondulación en este trabajo, incluyendo la dispersión no lineal y la dinámica de interacción tipo partícula.
Dependencia de las ondulaciones superficiales de la velocidad de fisuración. (A), Altura de inicio normalizada de las ondulaciones de la superficie en función de vs. (B), Ángulo de inclinación de las corrugaciones en función de vs, medido a partir de la Fig. S2. (C), Morfologías de la superficie de la fractura en el inicio de la grieta para la muestra aserrada (izquierda) y la superficie pulida (derecha) con vs =0.8cR. La mancha de inicio de la grieta se presenta mediante el punto blanco. Las curvas de trazos negros representan las variantes de las líneas de Wallner durante la aceleración de la fisura, mientras que las curvas negras sólidas representan las líneas de Wallner constantes cuando la grieta alcanza el régimen de estado estacionario. La variación de la posición de inicio y el ángulo de inclinación de las corrugaciones están resaltadas por la línea discontinua roja y la línea verde, respectivamente. Crédito:PNAS, doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1916805117
Experimentos de fractura para estudiar las características de la superficie.
Wang y col. realizaron los experimentos de fractura en placas de silicio monocristalino aserradas bajo flexión pura para formar la escisión (110). La tensión de unión fue normal a la superficie de la fractura para propagarse bajo un modo de apertura pura. Debido a varios tamaños de grietas de semillas, los científicos obtuvieron una amplia gama de velocidades de fisuración en estado estacionario, con una velocidad de onda de Rayleigh (velocidad de fisura) igual a 4, 460 m / s para la dirección (110) [110] del cristal, para examinar la dinámica de las fisuras. La forma invariante de las líneas de Wallner, es decir, las líneas resultantes de la propagación del frente de la grieta y las ondas de corte revelaron la propagación en estado estable de todo el frente de la grieta. En un escenario de baja velocidad, el perfil de velocidad de la fisura local disminuyó monótonamente de abajo hacia arriba a lo largo del frente de la fisura, mientras que en escenarios de alta velocidad, la torcedura local se tradujo en una fluctuación.
Medición AFM de las ondulaciones de la superficie de fractura en las muestras de silicio monocristalino pulido. (A) Topografías de las ondulaciones de la superficie a vs =0,74cR a diferentes alturas. (B) Colapso de corrugaciones previas y aparición de nuevas en inestabilidades de grietas de alta velocidad a vfo =0.80cR. (C) Perfiles de las ondulaciones de la superficie (a lo largo de la dirección perpendicular de la cresta de la ondulación) en diferentes etapas de vida a vs =0,74cR. Los perfiles se extrajeron a lo largo de las líneas discontinuas resaltadas en A con los colores correspondientes. Crédito:PNAS, doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1916805117
El equipo llevó a cabo una segunda serie de experimentos con muestras de silicio pulidas en la superficie, que excluyó las líneas de Wallner para estudiar las características morfológicas precisas de las ondulaciones de la superficie de la fractura. Las corrugaciones superficiales en dos superficies de fractura opuestas involucraron una coincidencia de pico a valle, que Wang et al. distinguished from the local plasticity ahead of the crack tip presented as a peak-to-peak match, and analyzed them using atomic force microscopy (AFM) measurements. Based on five typical topographies, 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 ejemplo, 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
De este modo, 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. En este estudio, 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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