动态裂纹尖端变形场的多尺度原位电子显微镜研究

The crack is a very important defect in the solid. It plays a vital role in the strength, failure and structure sensitivity issues of the solid material. Therefore researchers devoted a great effort for accurately describing the deformation field of the crack tip and the dynamic expansion process of the crack at the nanoscale and atomic scale. Current available theoretical predictions of the deformation field of the crack-tip have been verified to be valid beyond the micron-scale by experiments. But it is still unknown and remains to be verified by experiments if or not the theoretical predictions are applicable at the nanoscale and atomic scale. In this proposal, the dynamic expansion process of the micro-cracks in the copper, aluminum, silicon, germanium, 316 stainless steel, titanium aluminum alloy will be studied experimentally by in-situ electron microscopy. The images of the crack-tip at the sub-micron scale, the nanoscale and the atomic scale will be taken with electron microscope. Geometric phase analysis and numerical moire method will be used for quantitative measurement of deformation fields of crack-tip. Then the experimental deformation fields will be compared with current avialable theoretical predictions of the deformation fields of the crack-tip for verifying the applicative scale of the theoretical solutions. At last, the most appropriate theoretical prediction will be determined at the muliti-scale. Comparing with the molecular dynamics simulation, the dislocation emission of the crack propagation in the ductile materials and the cleavage extension of the crack propagation in the brittle materials will be verified. At the same time, the dislocation pile-up and the dislocation reaction of crack nucleation will be also verified.

裂纹是固体中一种非常重要的缺陷，它在固体材料的强度、失效以及其他结构敏感性问题中起着至关重要的作用，因而人们倾注了很大的努力希望在纳米尺度以及原子尺度上能准确描述裂纹尖端的变形场和裂纹的动态扩展过程。现有裂纹尖端变形场的理论预测在微米以上尺度与实验结果吻合良好，但是否适用于纳米尺度以及原子尺度还有待实验验证。本项目拟采用电子显微镜原位实验方法研究铜、铝、硅、锗、316不锈钢、钛铝合金等材料中微裂纹的动态扩展过程，获得亚微米尺度、纳米尺度以及原子尺度等多尺度裂纹尖端的电子显微图像，采用几何相位分析和数值云纹方法对裂纹尖端区域的多尺度变形场进行定量测量，与现有的裂纹尖端变形场的理论预测进行比较，对理论解的适用尺度进行验证，确定最恰当的多尺度裂纹尖端变形场的理论预测。结合分子动力学模拟，检验韧性材料中裂纹扩展的位错发射和脆性材料中裂纹的解理扩展机制，检验裂纹形核的位错塞积和位错反应机制。

裂纹是固体中一种非常重要的缺陷，它在固体材料的强度、失效以及其他结构敏感性问题中起着至关重要的作用，因而人们倾注了很大的努力希望在不同尺度上能准确描述裂纹尖端的变形场和裂纹的动态扩展过程。现有裂纹尖端变形场的理论预测在宏观尺度与实验结果吻合良好，但是否适用于微观尺度还有待实验验证。另外，微纳米尺度的实验力学测试需要发展大面积纳米尺度标记点的制备新技术。.本研究采用扫描电子显微镜原位实验方法观察了钼、铁、不锈钢、铝镁合金等材料中微裂纹的动态扩展过程，结合裂纹尖端区域预先制备的标记点，采用几何相位分析和数字图像相关绘制了裂纹尖端区域的应变场，并与现有的裂纹尖端应变场的理论预测进行了比较，以检验当前理论预测的适用尺度。在多晶钼的裂纹研究中发现与裂纹垂直方向的正应变主导整个断裂过程，裂纹尖端区域的应变场与线弹性断裂力学解基本一致；在沿着裂纹的扩展方向上，实验测定的应变值在距离裂纹尖端前方25 μm外与理论预测吻合良好。对于由周期性网格标记点绘制应变场的方法，几何相位分析和数字图像相关测得的应变场基本一致，但是对于非周期性的纳米尺度氧化铝标记点，只能采用数字图像相关绘制应变场。对于不锈钢、铝镁合金等塑性金属材料，裂纹尖端的应变场应采用弹塑性理论预测。在对单晶硅纳米尺度微裂纹的研究中，发现裂纹尖端区域晶格的周期性保持较好，微裂纹可沿(002)和(111)两个晶面族交替解理扩展，但主要裂解面是(111)晶面；裂纹尖端前方没有观察到大的塑形变形，但是裂纹尖端可发射少量位错。.此外，本研究还发展了一种以多孔氧化铝为模板制备大面积纳米尺度标记点的实验力学新方法，结合数字图像相关方法可以进行纳米尺度微区变形场的全场绘制。本研究还提出了将X射线衍射、拉曼光谱、透射电子显微镜相结合来测定半导体异质结构完整应变场的新思路，并成功解析了锗硅异质结构250nm厚的锗薄膜中的非均匀应变分布。这两种微尺度实验力学新方法将为微纳米力学的实验研究提供可行的技术方案。