位錯(cuò)與微裂紋的納觀實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究.pdf

1、微觀缺陷嚴(yán)重地影響著固體材料的力學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能等宏觀性能。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,固體材料的宏觀性能與其微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系已經(jīng)成為研究熱點(diǎn),通過(guò)對(duì)固體材料微觀結(jié)構(gòu)的觀察和分析可以更細(xì)致地理解固體材料的各種宏觀性能。位錯(cuò)是固體材料中一種最常見的缺陷,雖然目前有多種不同的位錯(cuò)理論模型,但是仍然缺乏位錯(cuò)周圍納米尺度變形場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。因此,位錯(cuò)理論的發(fā)展急需要在納米尺度對(duì)位錯(cuò)周圍變形場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。微裂紋也是固體材料中一種常見的缺

2、陷,裂紋變形場(chǎng)是斷裂力學(xué)的重要內(nèi)容,雖然已經(jīng)有很多關(guān)于裂紋的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,但是對(duì)納米級(jí)微裂紋尖端變形場(chǎng)的定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果還很少,對(duì)納米級(jí)微裂紋的實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究將有助于對(duì)裂紋的萌生、發(fā)展的理解。本文采用高分辨透射電子顯微鏡觀察,使用具有納米級(jí)測(cè)量靈敏度和空間分辨率的實(shí)驗(yàn)力學(xué)測(cè)試方法——幾何相位技術(shù)與數(shù)值云紋技術(shù),研究了純鋁、多晶金、單晶硅和硅鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)中幾種結(jié)構(gòu)缺陷周圍的變形場(chǎng),得到如下結(jié)論:1.在10nm的尺度測(cè)定了純鋁和多晶金中刃型位錯(cuò)周圍

3、的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng),并與最常用的線彈性理論位錯(cuò)模型、Peierls-Nabarro位錯(cuò)模型、Foreman位錯(cuò)模型進(jìn)行了比較。根據(jù)比較結(jié)果,當(dāng)遠(yuǎn)離位錯(cuò)芯時(shí),三種位錯(cuò)模型都可以描述刃型位錯(cuò)周圍的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng),但是在位錯(cuò)芯周圍幾個(gè)納米的區(qū)域內(nèi),Foreman位錯(cuò)模型(0.8<a<1.5)是最合適的位錯(cuò)理論模型,這包括了Peierls-Nabarro位錯(cuò)模型。2.分析了多晶金中的一小角度晶界的結(jié)構(gòu),從數(shù)值云紋圖上可以看出,小角度晶

4、界是由若干個(gè)刃型位錯(cuò)按照一定的次序排列而成的。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)該小角度晶界周圍應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)定,發(fā)現(xiàn)各位錯(cuò)周圍的應(yīng)變場(chǎng)互相影響,若提取出來(lái)一個(gè)刃型位錯(cuò)周圍的應(yīng)變場(chǎng)與Peierls-Nabarro位錯(cuò)模型的理論應(yīng)變場(chǎng)比較,雖然實(shí)驗(yàn)應(yīng)變場(chǎng)由于其他位錯(cuò)的影響有一些變形,但是理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是吻合較好。3.分析了單晶硅中4個(gè)微裂紋周圍區(qū)域的變形情況,分析區(qū)域的尺度約為20nm。通過(guò)分析與討論,發(fā)現(xiàn)裂紋尖端附近存在較大的應(yīng)變,沿裂紋線方向的正應(yīng)變較小

5、,而垂直于裂紋線方向的正應(yīng)變較大,剪應(yīng)變也同時(shí)存在。在裂紋尖端附近幾納米范圍內(nèi)存在晶格無(wú)序化區(qū)域。在裂紋尖端附近發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)發(fā)射現(xiàn)象,這證實(shí)了裂紋尖端位錯(cuò)發(fā)射現(xiàn)象的存在,位錯(cuò)發(fā)射使得裂紋尖端前方應(yīng)變減小。在裂紋體內(nèi)部存在非晶成分,裂紋可沿著兩個(gè)原子面交替解理發(fā)展,但主要沿{111}晶面發(fā)展。4.測(cè)定了Si0.76Ge0.24/Ge/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場(chǎng),發(fā)現(xiàn)利用熱退火可以使硅鍺層的應(yīng)變減小,但是富鍺區(qū)仍然比純硅區(qū)域有著+3％的應(yīng)變。測(cè)定了S