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微米单晶金属的疲劳损伤与破坏行为的SEM原位实验研究

微纳米尺度,单轴疲劳,滑移变形,SEM原位实验

为了系统研究单晶金属的疲劳损伤与破坏行为，我们开展了一系列扫描电子显微镜（SEM）内的原位拉伸-压缩单轴循环加载实验。首先，利用聚焦离子束技术（FIB），制备了若干试验部尺寸为1×1×2μm的单晶铜试样，并通过选择试样的晶体取向和调整加载方向，实现了单晶铜单滑移系统主导的疲劳破坏过程。之后，采用自主研发的原位疲劳实验装置开展了不同应变幅值水平下的原位疲劳实验，深入分析了主滑移上的分剪切应力的变化趋势，原位观测了纳米尺度滑移形貌的演化过程。在单晶铜的疲劳破坏过程中，主滑移系分剪切应力的变化主要分为三个阶段，即初始阶段，稳定阶段和最终破坏阶段。在所有试样的初始阶段均观察到了主滑移系分剪切应力的显著循环硬化和软化行为。然而，分剪切应力在稳定阶段则呈现出了与所施加的应变幅值相关的变化行为。在承受应变幅值较高的试样中，材料呈现出持续的循环软化和二次硬化行为，但是在承受应变幅值较低的试样中仅观测到了轻微的循环硬化行为。这表明了微米单晶金属的破坏行为与应变幅值之间具有紧密的相关性。同时，基于对循环加载过程中微观滑移形貌演化行为的SEM原位观测，从滑移形貌几何特征的变化过程解释了主滑移系分剪切应力的变化规律。另一方面，本研究获得了微米单晶铜的疲劳寿命曲线。发现微米单晶铜的疲劳寿命随着所施加应变幅值的增大而显著减小，但是其对循环加载的频率并不敏感。同时，在相同的应变幅值下，微米尺度单晶金属的疲劳寿命显著小于宏观单晶金属的疲劳寿命。这表明尺寸效应的出现使得微米单晶铜寿命的减小而非增大，呈现出与其屈服强度等准静态力学性质相反的变化趋势。并且，随着应变幅值的减小，宏观和微米单晶铜疲劳寿命之间的差异从360倍减小至了仅7倍，这表明微米单晶金属的疲劳寿命尺寸效应与应变幅值呈正比。本研究深入揭示了微米单晶金属的疲劳破坏行为与寿命，为大规模集成电路、微电子芯片中微纳米尺度金属结构与部件的疲劳寿命预测与可靠性评估提供了重要的实验和理论支持。