DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.05.016
单晶硅裂纹尖端的位错发射行为
福州大学材料学院
福州大学电子系 福州350002
摘 要:
利用透射电镜原位观察了单晶硅压痕裂纹尖端位错及位错偶沿滑移面的发射行为。考察了滑移面取向、外荷对发射位错及塑性区的影响。结果表明 :在I型载荷作用下 , 滑移面与裂纹面夹角要影响从裂纹尖端发射的位错数量及塑性区。发射出的位错可沿最大切应力方向改变运动方向或交换滑移面运动。实验观察的位错宽度平均值为 2 2 .0nm , 与Peierls位错框架模型计算的 2 3.6nm相近
关键词:
中图分类号: TN304.12
收稿日期:2000-10-27
Dislocation emitting behavior from crack tips in single silicon
Abstract:
Dislocation emissions on the slip plane from crack tips in silicon were observed through transmission electron microscopy. The effects of the slip plane orientation and load on dislocation emission or plastic zone have been investigated. The results show that the angle between slip plane and crack plane has an effect on dislocation structure and plastic zone under the I mode load, and the direction of the movement of dislocation emission may change along the direction of the maximum shear stress, or move in zigzag on different slip planes alternatively. The experimental average 22.0?nm of dislocation width approximates to 23.6?nm calculated by Peierls dislocation model.
Keyword:
dislocation emission; behavior; plastic zone;
Received: 2000-10-27
位错的存在和运动是裂纹尖端塑性变形的根本原因, 并决定着裂纹扩展的韧脆性行为。 对裂纹尖端位错行为的研究倍受学者们关注
单晶硅是典型的脆性材料, 由共价键组成, 具有良好的晶格结构及抵抗位错运动的本质晶格阻力和明确的韧脆转化温度, 以此作为研究材料, 将对了解脆性材料的脆裂本质有很大的参考价值
1 实验
选取3 mm×4 mm的单晶硅试样若干, 保持
2 实验结果
在透射电镜上很容易观察到裂纹或缺口尖端区域的形貌。 裂纹尖端前沿发射的位错按照Peierts连续位错模型分布于前缘的滑移面上, 并塞积于前方。 图1 ( (a) ~ (c) ) 为样品在不同倾转角度下拍摄的裂纹附近区域的位错的形态。
很明显单晶硅具有不止一个滑移体系, 位错滑移可沿与裂纹面相近的滑移面的方向扩展, 也可沿与其相交某角度的方向扩展。 但由最大切应力方向决定的滑移系上滑移带较长, 发射位错数较多。 通过测算可得出不同方向上滑移带平均宽度与位错数 (见表1) 。
由于位错滑移经常偏离最大切应力方向, 故位错只得择优改变或交替改变滑移发射面, 形成阶梯状位错发射带 (图1, 图2) 。 图3所示为不断改变滑移方向的位错。
图1 连续发射位错带 (F=0.5 N)
Fig.1 Continuously emitting dislocations (F=0.5 N)
(a) —φ=0 °; (b) —φ=30 °; (c) —φ=45 °
表1 不同方向上的滑移面宽度L与位错数N
Table 1 Width of slip bands and dislocation number in various directions
Load /N |
0 ° |
30 ° |
45 ° |
|||||
L/nm |
N | L/nm |
N | L/nm |
N | |||
0.5 | 1 050 | 20 | 1 150 | 23 | 720 | 30 | ||
0.25 |
1 000 |
裂纹尖端发射的位错增殖与运动过程会发生分解、 合并。 有的会扩展成相互平行的多位错列, 如图1 (c) 所示, 有的最终汇合成单列, 如图1 (a) 所示。
图2 连续发射位错带 (F=0.25 N)
Fig.2 Continuously emitting dislocation (F=0.25 N)
图3 位错的滑移运动
Fig.3 Slip of dislocation
在裂纹尖端的附近区域还可观察到堆垛层错及相距甚远的不全位错 (见图1 (c) ) 。
随外载增加, 裂纹尖端发射位错数略有增加, 塑性区也有所扩大。 但远不及滑移面方向的影响大。
观察到的位错偶是处在裂纹面上沿最大剪切应力方向。 它穿过裂纹面分布在其两侧狭窄的区域内。 位错偶发射后裂纹尖端的塑性变形有所增加 (图4) 。
3 分析与讨论
遵照1992年Roce提出的“Peierls位错框架”模型, 位错造成Burgers向量是按点阵力平衡方式分布于滑移面上, 裂纹尖端的位错从裂纹尖端延伸的滑移面上逐渐滑开, 其上面力连续。 因此可计算出滑移带延伸长度及发射完整位错所需的应力场因子K1值。 根据Rice的估计, Peierls框架位错宽度R=0.0628Eb2/[ (1-ν2) γus]
图4 位错偶发射
Fig.4 Dipole dislocation emitting
并可算出第m个位错距列头距离:Xm=nm·μb/[ (n-m) πσa]。 μ为剪切模量, σa为外应力, 可见距列头越远, m数越大, Xm越大, 位错间距越大, 裂纹尖端发射的位错应塞积在列头。
裂纹尖端能发射位错需满足两个条件: 位错形核后所受的滑移力大于晶格摩擦力τf; 裂纹尖端有效应力场强度因子Ke大于临界应力强度因子Kc。 只要满足了这两个条件, 位错便沿最大切应力滑移面顺次发出。 硅的晶格摩擦力τf·b=0.1μb/2π (1-ν) , 式中μ为剪切模量, ν波桑比。 硅的τf100≈1.35 GPa, 是〈100〉, 〈110〉, 〈111〉3个方向滑移中最小的。 若作用在位错上滑移力τ大于τf·b, 位错将沿该滑移力方向运动直至小于τf·b为止。 显然, 0.25, 0.5 N压头荷重产生的切应力是满足上述条件的。
随着位错从裂纹尖端不断发射, 裂纹尖端的I型有效应力强度因子KIC不断降低, 由位错产生的有效KIC (绝对值) 却随之增加, 位错则转向KIC增加的Ⅱ型滑移面或不断交换着滑移面发射。
Burgers矢量大的位错分解为小Burgers矢量的扩展位错, 仅需较小的能量, 故层错是降低能量发射位错的一种形式, 可使滑移变得更为容易, 滑移量也随之增加, 但交滑移变得困难。
裂纹尖端发射的位错, 在向前运动的过程中, 因互相吸引和排斥总要运动到低能组态。 位错偶便是由异号位错组成并与滑移面相交形成的一种稳定组态。
单晶硅裂纹尖端的位错发射类似于裂纹尖端原子混沌运动。 它一方面受外力和位错间象力作用, 另方面产生滑移塑变区, 松弛了裂纹尖端应力场, 屏蔽外力对裂纹尖端作用, 使裂纹尖端解理开裂变得困难, 也使室温下单晶硅得以韧化。
4 结论
1) 单晶硅显示多个滑移系, 裂纹尖端位错可沿不同方向发射与滑移运动, 但沿最大切应力方向的数量最多, 滑移带最长。 不同的滑移方向和最大切应力方向的配置将影响发射运动过程和最终的位错组态, 因此最常见的是交换滑移面的滑移。
2) 在裂纹尖端区域观察到位错的分解和组并, 裂纹尖端发射的位错在随后运动中总是力图降低内能, 由大的柏氏矢量分解成小的柏氏矢量或以位错偶形式发射, 这便是其中两种主要形式。
3) 单晶硅裂纹尖端的位错发射类似于裂纹尖端原子混沌运动, 它使裂纹尖端解理开裂变得困难, 也使室温下单晶硅得以韧化。
参考文献
[6] QIANCai fu (钱才富) .位错和位错偶沿单一滑移系从裂纹尖端的发射[J].ActaMetallurgicaSinica (金属学报) , 1999 (5) :546-550.