吉林大学学报(工学版) ›› 2017, Vol. 47 ›› Issue (4): 1201-1206.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201704027

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纳米尺度界面低周疲劳破坏行为

闫亚宾, 王晓媛, 万强   

  1. 中国工程物理研究院 总体工程研究所,四川 绵阳 621900
  • 收稿日期:2016-03-08 出版日期:2017-07-20 发布日期:2017-07-20
  • 通讯作者: 王晓媛(1984-),女,副研究员.研究方向:微纳米多物理场耦合特性.E-mail:xjtuwxy@gmail.com
  • 作者简介:闫亚宾(1984-),男,副研究员.研究方向:微纳米力学.E-mail:yanyabin@gmail.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金青年基金项目(11302205); 中国工程物理研究院院长基金项目(2014-1-097); 中国工程物理研究院总体工程研究所科技专项项目(2013KJZ02); 中国工程物理研究院科学技术发展基金重点项目(2014A0203006); 中国工程物理研究院重点学科项目.

Low-cycle fatigue fracture behavior of nanoscale interface

YAN Ya-bin, WANG Xiao-yuan, WAN Qiang   

  1. Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China
  • Received:2016-03-08 Online:2017-07-20 Published:2017-07-20

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摘要： 为了研究纳米尺度界面的低周疲劳破坏特性,提出了一种利用聚焦离子束(FIB)技术和透射电子显微镜(TEM)进行纳米材料中界面疲劳破坏实验的新方法。采用FIB从宏观多层薄膜材料(硅/铜/氮化硅,Si/Cu/SiN)中成功制备出了由硅基体(Si)、200 nm厚铜薄膜(Cu)及1000 nm厚氮化硅层(SiN)构成的纳米悬臂梁试样。利用高精度微小材料加载装置,在TEM下对该试样进行了循环加载实验,并原位观测了不同试样中Cu/Si界面的低周疲劳破坏过程。研究发现,由于铜纳米薄膜的高屈服强度及两侧材料对其的变形约束,Cu/Si界面的疲劳强度在GPa量级。实验获得的应力幅值与界面破坏的载荷循环周数(S-N)曲线表明,在高应力水平区,界面的疲劳寿命显著依赖于施加应力的大小;在低应力水平区则存在疲劳极限。并且,Cu/Si界面的疲劳极限与单调加载实验中界面断裂应力的比值远大于宏观材料,这说明纳米尺度界面的低周疲劳破坏过程是一个脆性断裂的过程。

关键词: 工程力学, 疲劳, 界面, 分层破坏, 纳米尺度, 原位实验

Abstract: An experiment method is developed to investigate the low-cycle fatigue fracture behavior of nano-material interface. Focused Ion Beam (FIB) and Transmission Electron Microscopy (TEM) are used in the experiments. With FIB, a nano-cantilever specimen consisting of a copper (Cu) layer of 200-nm-thick and a silicon nitride (SiN) layer of 1000-nm-thick on a silicon (Si) substrate is fabricated from a macroscale multi-layered material (Si/Cu/SiN). Using a minute loading apparatus, the cyclic loading experiment is conducted in TEM, and the low-cycle fatigue fracture of Cu/Si interface in different specimens is in situ observed. The fatigue strength of Cu/Si interface is around GPa level owing to the high yield stress of the Cu nano-film and the deformation constraint associated with the neighboring hard materials. The S-N curve shows clear dependence of fatigue life on the applied stress in the high stress range and the existence of a fatigue threshold at low stress range. Moreover, the high ratio of fatigue limit to the fracture stress in a monotonic loading suggests the brittle behavior of the interface in nanoscale materials.

Key words: engineering mechanics, fatigue, interface, delamination damage, nanoscale, in situ experiment

中图分类号: 

  • O346.1
[1] Liu W, Bayerlein M, Mughrabi H. Crystallographic features of intergranular crack initiation in fatigued copper polycrystals[J]. Acta Metallurgica, 1992, 40(7):1763-1771.
[2] Polak J, Liskutin P. Nucleation and short crack growth in fatigued, polycrystalline copper[J]. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, 1990,13(2): 119-133.
[3] Kitamura T, Shibutani T, Ueno T. Crack initiation at free edge of interface between thin films in advanced LSI[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2002,69(12):1289-1299.
[4] Kitamura T, Hirakata H, Itsuji T. Effect of residual stress on delamination from interface edge between nano-films[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2003,70(15): 2089-2101.
[5] Hirakata H,Takahashi Y,Truong D V,et al.Role of plasticity on interface crack initiation from a free edge and propagation in a nano-component[J]. International Journal of Fracture,2007,145:261-271.
[6] Sumigawa T, Shishido T, Murakami T, et al. Interface crack initiation due to nano-scale stress concentration[J]. Materials Science and Engineering A, 2010,527(18,19):4796-4803.
[7] Sumigawa T, Shishido T, Murakami H, et al. Evaluation on plastic deformation property of copper nano-film by nano-scale cantilever specimen[J]. Thin Solid Films, 2010,518(21):6040-6047.
[8] 闫亚宾, 北村隆行, 澄川贵志. 基于FIB和TEM的纳米材料中界面分层破坏的实验方法研究与应用[J]. 中国科学: 物理学·力学·天文学,2014,44(6): 593-598.
Yan Ya-bin, Kitamura Takayuki, Sumigawa Takashi. A FIB and TEM based experimental method for interface delamination in nanoscale materials and its application[J]. Scientia Sinica Physica, Mechanica and Astronomica, 2014,44(6):593-598.
[9] Sumigawa T, Murakami T, Shishido T, et al. Cu/Si interface fracture due to fatigue of copper film in nanometer scale[J]. Materials Science and Engineering A, 2010,527(24,25):6518-6523.
[10] Han S Z,Goto M, Lima C,et al.Fatigue behavior of nano-grained copper prepared by ECAP[J].Journal of Alloys and Compounds,2007,434-435:304-306.
[11] Suresh S. Fatigue of Materials[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1991.
[1] 尼颖升,孙启鑫,马晔,徐栋,刘超. 基于空间网格分析的多箱室波形钢腹板组合梁腹板剪力分配[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1735-1746.
[2] 毛宇泽, 王黎钦. 鼠笼支撑一体化结构对薄壁球轴承承载性能的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(5): 1508-1514.
[3] 郑孝义, 孙大千, 李欣, 都桂刚, 辛伟达, 任振安. NbAl3强化Al-Nb熔覆层的组织与性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(5): 1531-1536.
[4] 于亮, 李和言, 马彪, 李慧珠, 李明阳. 多片离合器轴向平均比压的衰减特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 990-997.
[5] 孟广伟, 李荣佳, 王欣, 周立明, 顾帅. 压电双材料界面裂纹的强度因子分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(2): 500-506.
[6] 王春生, 邹丽, 杨鑫华. 基于邻域粗糙集的铝合金焊接接头疲劳寿命影响因素分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(6): 1848-1853.
[7] 江海宇, 刘玉海, 孙海林, 徐克彬, 白田增, 陈祖斌. 微地震地面监测层状起伏速度模型校正算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(6): 1969-1975.
[8] 朱剑峰, 张君媛, 陈潇凯, 谷尧颖, 王水莹. 汽车控制臂台架疲劳试验载荷块编制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(5): 1367-1372.
[9] 金敬福, 李杨, 陈廷坤, 丛茜, 齐迎春. 涂层弹性模量对结冰附着强度的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(5): 1548-1553.
[10] 王国林, 孙砚田, 梁晨, 杨建, 周海超. 应用满应力理论的轮胎轮廓设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(2): 365-372.
[11] 徐进, 陈薇, 周佳, 罗骁, 邵毅明. 汽车转向盘操作与驾驶负荷的相关性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(2): 438-445.
[12] 孟广伟, 冯昕宇, 周立明, 李锋. 基于降维算法的结构可靠性分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(1): 174-179.
[13] 陈江义, 刘保元. 纤维断裂损伤对复合材料板中导波频散特性的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(1): 180-184.
[14] 于天来, 刘兴国, 姚爽, 穆罕默德马苏. 碳纤维筋体外预应力加固钢筋混凝土梁的疲劳性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(6): 1867-1873.
[15] 李春良, 王方彦, 张立辉, 王静. 偏心荷载作用下单搭接胶接接头的应力分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(6): 1874-1880.
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