位錯與微裂紋的納觀實驗力學研究.pdf

1、微觀缺陷嚴重地影響著固體材料的力學性能、電學性能、光學性能等宏觀性能。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展,固體材料的宏觀性能與其微觀結構之間的關系已經成為研究熱點,通過對固體材料微觀結構的觀察和分析可以更細致地理解固體材料的各種宏觀性能。位錯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理論模型,但是仍然缺乏位錯周圍納米尺度變形場的實驗測試結果。因此,位錯理論的發(fā)展急需要在納米尺度對位錯周圍變形場的實驗測定。微裂紋也是固體材料中一種常見的缺

2、陷,裂紋變形場是斷裂力學的重要內容,雖然已經有很多關于裂紋的實驗研究結果,但是對納米級微裂紋尖端變形場的定量實驗結果還很少,對納米級微裂紋的實驗力學研究將有助于對裂紋的萌生、發(fā)展的理解。本文采用高分辨透射電子顯微鏡觀察,使用具有納米級測量靈敏度和空間分辨率的實驗力學測試方法——幾何相位技術與數(shù)值云紋技術,研究了純鋁、多晶金、單晶硅和硅鍺異質結構中幾種結構缺陷周圍的變形場,得到如下結論:1.在10nm的尺度測定了純鋁和多晶金中刃型位錯周圍

3、的位移場和應變場,并與最常用的線彈性理論位錯模型、Peierls-Nabarro位錯模型、Foreman位錯模型進行了比較。根據(jù)比較結果,當遠離位錯芯時,三種位錯模型都可以描述刃型位錯周圍的位移場和應變場,但是在位錯芯周圍幾個納米的區(qū)域內,Foreman位錯模型(0.8<a<1.5)是最合適的位錯理論模型,這包括了Peierls-Nabarro位錯模型。2.分析了多晶金中的一小角度晶界的結構,從數(shù)值云紋圖上可以看出,小角度晶

4、界是由若干個刃型位錯按照一定的次序排列而成的。通過進一步對該小角度晶界周圍應變場的測定,發(fā)現(xiàn)各位錯周圍的應變場互相影響,若提取出來一個刃型位錯周圍的應變場與Peierls-Nabarro位錯模型的理論應變場比較,雖然實驗應變場由于其他位錯的影響有一些變形,但是理論預測與實驗結果還是吻合較好。3.分析了單晶硅中4個微裂紋周圍區(qū)域的變形情況,分析區(qū)域的尺度約為20nm。通過分析與討論,發(fā)現(xiàn)裂紋尖端附近存在較大的應變,沿裂紋線方向的正應變較小

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