作者:Thamarasee Jeewandara，科学X网络，物理
（同organic）有机 纯弯曲下单晶硅稳态(110)解理的动态裂纹前沿行为
(一)不同稳态裂纹扩展速度下锯状样品的(110)解理面(xy面)的形貌
裂纹沿[方向(x轴)扩展
沃勒线和裂纹前缘分别由黑色和红色曲线突出显示
裂纹前缘的局部扭结由红色虚线圆突出显示，表面波纹由绿线突出显示
(二)作为沿裂纹前沿的归一化垂直位置y/h的函数的归一化局部裂纹前沿速度vl/cR，对于七个不同vs
插图显示了样品厚度h和代表裂纹前缘局部法线方向的角度θ(红色曲线)
(三)原子力显微镜对局部锋扭区的测量显示表面褶皱的出现
(四)表面抛光样品的(110)解理面的形貌
在vs = 0时，断口形貌呈现出镜面特征
59cR和vs = 0时表面波纹的存在
67cR(低于0
45 0
01h)，0
74cR(低于0
51 0
02h)和0
80cR(低于0
59 0
02h)
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1073/pnas
1916805117 当动态裂纹通过材料不均匀性(材料差异)传播时，会发出弹性波来干扰裂纹并改变断裂表面的形态
当裂纹沿着无粗糙(无粗糙度)晶体材料的优先解理面扩展时，研究人员希望有一个光滑的裂纹前沿和一个镜面状的断裂面
王铭和法国国家科学研究中心(CNRS)、华中科技大学和中国湖北省重点实验室的一个力学研究小组在《国家科学院院刊》(PNAS)上发表了一份新报告，报告显示了单晶硅中没有材料粗糙(材料粗糙)的特征裂纹扩展
裂纹前缘在高速裂纹扩展过程中呈现局部扭结，并产生周期性的断口波纹或波纹
这种现象从埃的振幅增长到几百纳米，以频率相关的速度和尺度相关的形状以长寿命传播
局域波阵面振荡呈现孤波特征，王等
命名为非线性弹性波“波纹波”
" 在材料科学中，裂纹扩展会导致灾难性的材料失效，因此，材料科学家几十年来一直在深入研究其动态特征，但细节问题仍然具有挑战性
根据线弹性断裂力学，二维介质中的裂纹尖端可以描述为一个能量阱，能量在该能量阱周围扩散
在三维系统中，局部裂纹速度由局部能量平衡控制，以控制整个裂纹前缘形状
在目前的工作中，王等人
报道了在高速裂纹中出现的硅单晶解理中的特定断裂表面波纹
他们无法用迄今为止已知的描述硅晶体分裂的任何偏转方案来解释这种形态
因此，研究小组提出，自发射波纹(波纹)是不同非线性弹性波的轨迹，称为波纹波，以临界裂纹速度从断裂能量波动中成核
波纹波也具有与裂纹前沿波相同的特性
该团队在这项工作中强调了波纹波的两个有趣的属性，包括非线性色散和类似粒子的相互作用动力学
表面波纹对裂纹速度的依赖性
表面波纹的标准化起始高度是vs的函数
(二)波纹的倾斜角作为vs的函数，从图
S2
(三)、裂纹起始处的断裂表面形态(左)和表面抛光(右)样品，vs = 0
8cR
裂纹起始点由白点表示
黑色虚线表示裂纹加速期间的不同的沃勒线，而黑色实线表示裂纹达到稳态时的恒定沃勒线
波纹的起始位置和倾斜角的变化分别由红色虚线和绿色虚线突出显示
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1916805117 研究表面特征的断裂实验 王等
在纯弯曲下对锯成的单晶硅片进行断裂实验以形成(110)解理
结合应力垂直于断裂面，以纯张开方式扩展
由于不同的晶种裂纹尺寸，科学家获得了宽范围的稳态裂纹速度，对于晶体的(110) [110]方向，瑞利波速度(裂纹速度)等于4，460米/秒，以检查裂纹动力学
沃勒线的不变形状
e
由扩展的裂纹前沿和剪切波产生的线揭示了整个裂纹前沿的稳态扩展
在低速情况下，局部裂纹速度沿裂纹前缘从底部到顶部单调下降，而在高速情况下，局部扭结转化为波动
抛光单晶硅样品断口波纹的原子力显微镜测量
vs = 0时表面波纹的形貌
不同高度的74cR
在vfo = 0的高速裂纹不稳定性下，先前波纹的坍塌和新波纹的出现
80cR
在vs = 0时不同寿命阶段的表面波纹轮廓(沿波纹脊的垂直方向)
74cR
轮廓是沿着用相应颜色突出显示的虚线提取的
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1916805117 该团队在表面抛光硅样品上进行了第二系列实验，排除了沃勒线，以研究断裂表面褶皱的精确形态特征
在两个相对的断裂表面上的表面波纹涉及峰谷匹配，王等人
区别于裂纹尖端之前的局部塑性，表现为峰-峰匹配，并使用原子力显微镜(AFM)测量对其进行分析
基于五种典型的地形，研究小组观察到振幅从埃级增长到100纳米的最大粗糙度
研究小组注意到了高速裂纹不稳定性，这种不稳定性会导致裂纹路径突然偏离，沿局部前沿延伸
根据裂纹速度，表面波纹沿着不同的结晶方向延伸，并且不与特定的晶面重合
裂纹扩展的不同阶段 波纹平面间角度β的分布
(一)在vs = 0时，作为归一化垂直位置y/h的函数的β变化
74cR
β的平均值和标准偏差由右上角插图中所示的β直方图确定，该直方图由图中所示不同寿命阶段垂直于波纹脊测量的波纹轮廓计算得出
2A
左下角插图显示了β的示意图
(二)β对vs的依赖性
β的平均值和标准偏差是根据插图中所示的β直方图确定的，该直方图是根据垂直于波纹脊测量的波纹轮廓计算的，在波纹延伸的区域中，波纹以最大振幅在不同的vs
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1916805117 所有的表面波纹沿垂直方向都呈现出波状特征
测量以揭示波纹的几何特征
他们减小了波纹平面之间的角度(表示为β)，并观察到它与裂纹速度的关系
表面波纹根据裂纹速度沿不同的结晶方向延伸，而不与任何特定的结晶平面重合
研究小组揭示了沿裂纹前沿高度局部化的平面外扰动所产生的长寿命传播
该小组进一步研究了具有周期性表面波纹的局部裂纹前沿振荡的特征，其中波纹的取向(表示为α)随波长而变化
α还与波纹的宽度和由高速裂纹不稳定性触发的成核相关
王等
观察到裂纹前沿振荡增长过程中波长和振幅增加，随后在振荡衰减过程中波长和振幅减小
研究小组随后强调了局域锋振荡的类粒子相互作用行为
例如，当一个快速运动的振荡遇到一个缓慢的振荡时，它们表现出类似粒子的碰撞，并且快速运动的振荡衰减和减速，而缓慢的振荡增长和加速，同时波长和振幅之间的线性相关性保持不变
裂纹前沿振荡的碰撞行为
vs = 0时表面波纹的形貌
80cR
ξ轴是裂纹前沿的切线方向
波纹标记是由前振荡碰撞产生的，分别由蓝色和绿色虚线突出显示
碰撞后，波纹标记交换它们的方向α
(二)甲所述碰撞过程中锋面振荡的形状演变序列
沿着x方向的五个序列在图中用红色虚线突出显示
x = 0时
15米，不同的波前振荡在vfo = 0时传播
965cR(蓝色)且vfo = 0
935铬(绿色)，然后它们在x = 3时交换速度
39米
vs = 0时表面波纹的形貌
74cR，y = 0
21h合并导致连续相移的连续碰撞，如绿色虚线箭头所示
(4)从C中相应颜色的箭头测量，由连续的前振荡碰撞产生的波纹标记的α和α波同时变化
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1916805117 这样，碰撞事件进一步揭示了裂纹扩展的非线性特征，其中前振荡的类粒子相互作用类似于孤立波
在碰撞过程中，两个脉冲交换了速度和形状，产生了相移
在这项研究中，王等人
将波前振荡视为非线性弹性波，并将其命名为“波纹波”,因为它们在断裂面上产生面外波纹(波纹)
波纹波从移动锋连续自发射，以孤立波的特征传播
波纹波的初始状态取决于产生它们的来源
此处报道的非线性波纹波不同于先前通过数值模拟或基于材料粗糙的实验所描述的波纹波
王铭和他的同事希望这个结果能为材料科学中粗糙晶体材料断裂表面的类孤子裂纹前沿动力学提供额外的见解
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