Portal de Periódicos da CAPES

Dislocation nucleation at metal-ceramic interfaces

1992; Elsevier BV; Volume: 40; Linguagem: Inglês

10.1016/0956-7151(92)90291-l

1873-2879

Glenn E. Beltz, J. R. Rice,

Advanced ceramic materials synthesis

The ductile vs brittle behaviour of metal-ceramic interfaces is discussed within an atomistic framework, in which the mechanical response of an interfacial crack is assumed to be ultimately controlled by the competition between atomic decohesion and dislocation nucleation ahead of the crack tip. As in later versions of the Rice-Thomson model, this competition may be evaluated in terms of the parameters Gcleave, the energy release rate for cleavage of the metal-ceramic interface, and Gdisl, the energy release rate associated with the emission of a single dislocation within the metal. The various models of dislocation nucleation are discussed, with emphasis on an approach which makes use of Peierls-like stress vs displacement relations on a slip plane ahead of a crack tip. A recent analytical result by Rice shows that for a mode II or III shear crack, with a slip plane parallel to the ack plane, a dislocation is emitted when G = γus (G is the energy release rate corresponding to the "screened" crack tip stress field and γus is the "unstable stacking" energy associated with the sliding of atomic planes past one another). This treatment permits the existence of an extended dislocation core, which eliminates the need for the core cutoff radii required by the Rice-Thomson model of emission. Results are presented here for the nucleation of dislocations under more realistic assumptions for metal-ceramic cracks, namely, the emission on inclined slip planes within a mixed-mode crack-tip field. The specific case of a copper crystal bonded on a {221} face to sapphire is analyzed, and the results are used to interpret the recent experimental observations of Beltz and Wang [Acta metall. mater.40, 1675 (1992)] on directional toughness along this type of interface. Le comportement fragile-ductile des interfaces me´tal/ce´ramique est discute´en supposant que la re´ponse me´canique d'une fissure interfaciale est controˆlée finalement par la compe´tition entre la de´cohe´sion atomique et la germinaton de dislocations en avant de l'extreˆmitéde la fissure. Comme dans les denie`res versions due mode`le de Rice et Thomson, cette compe´tition peuteˆtreévaluée en fonction du parame`tre Gcliv, du taux de libe´ration de l'e´nergie pour le clivage de l'interface me´tal/ce´ramique et de Gdisl., le taux de libe´ration de l'e´nergie associéea`l'émission d'une seule dislocationa`l'intérieur du me´tal. Les diffe´rents mode`les de germination de dislocations sont discute´s, en insistant sur une approche qui utilise une pseudo contrainte de Peierls, fonction des relations de de´placement dans un plan de glissement en avant de l'extreˆmitéd'une fissure. Un re´sultat analytique re´cent de Rice montre que pour un mode II ou III de fissure de cisaillement, avec un plan de glissement paralle`le au plan de la fissure, une dislocation este´mise lorsque G = γei (G est le taux de libe´ration de l'e´nergie correspondant au champ de contrainte "écranté" de l'extreˆmitéde la fissure et γus est l'e´nergie d'"empilement instable" associe´e au glissement des plans atomiques l'un sur l'autre). Ce traitement permet l'existence d'un coeur de dislocatione´tendu, ce quie´limine la ne´cessite´de connaitre les rayons de coupure du coeur exige´s par le mode`le de Rice et Thomson. Les re´sultats sont pre´sente´s ici pour la germination de dislocations avec des hypothe`ses pus re´alistes pour des fissures me´tal/ce´ramique, cést-a`-dire l'e´mission sur des plans de glissement incline´s dans un champ de mode mixtea`l'extrêmitéde la fissure. Le cas spe´cifique d'un cristal de cuivre lie´sur une face {221} a`du saphir est analyse´et les re´sultats sont utilise´s pour interpreˆter les observations expe´rimentales re´centes de Beltz et Wang [Acta metall. mater.40, 1675 (1992)] sur la te´nacite´directionnelle sur ce type d'interface. Das duktile Bruchverhalten im Gegensatz zum spro¨den von Grenzfla¨chen zwischen metallischen und keramischen Werkstoffen wird im atomistischen Rahmen besprochen unter dem Gesichtspunkt, daβ der mechanische Reaktions-ablauf eines Grenzfla¨chenrisses letztlich von der Konkurrenz zwischen atomistischen Spaltungsbruch und Versetzungskeimbildung vor der Riβspitze abha¨ngt. Wie in spa¨teren Versionen des Rice-Thomson Modells, ko¨nnte diese Konkurrenz bewertet werden nach Parametern Gcleave, die Energiefreigaberate fu¨r Spaltungsbruch der metall-keramischen Grenzfla¨che, und Gdisl, die Energiefreigaberate fu¨r Emission im Metall einer einzelnen Versetzung. Es werden die verschiedenen Modelle von Versetzungskeimbildung besprochen, mit Betonung auf eine Methode in der ein Peirlsa¨hnlicher Spannung-Verschiebungszusammenhang auf einer Gleitebene vor einer Riβspitze verwendet wird. Ein vor kurzem analytisches Ergebniss von Rice zeigt, daβ fu¨r Mode II order III Schubrisse mit Gleitebene parallel mit der Riβebene, wenn G = γus besteht (G ist die Energiefreigaberate in Bezug auf das locale plastisch "abgeschirmte" Riβspitzenspannungsfeld und γus ist die "unbeständige Stapelenergie" die mit dem Aneinandervorbeigleiten von atomistischen Ebene verbunden ist). eine Versetzung emittiert werden wird. Diese Behandlung erlaubt die Existenz eines ausgedehnten Versetzungskernes, welches die Notwendigkeit der Kernabschnittradien wie bei dem Rice-Thomson Modell von Emission eru¨brigt. Ergebnisse werden hier vorgestellt unter mehr realistischen Annahmen fu¨r metall-keramische Risse, na¨mlich die Emission an Gleitebenen innerhalb gemischt-Mode Riβspitzenfeldern, die bezu¨glich der bestehenden Riβebene schra¨ge sind. Der spezifische Fall von {221} Kupferkristallfla¨chen gefu¨gt an Saphir ist analysiert und die Ergebenisse werden angewandt die ku¨rzlichen Beobachtungen von Beltz und Wang [Acta metall. mater.40, 1675 (1992)]u¨ber die richtungsabha¨ngige Za¨higkeit an diesen Arten von Grenzfla¨chen zu erkla¨ren.