Rev. Phys. Appl. (Paris) 23, 409-418 (1988)
DOI: 10.1051/rphysap:01988002304040900

Dislocation mobility and crack tip plasticity at the ductile-brittle transition

P.B. Hirsch, S.G. Roberts et J. Samuels

Department of Metallurgy and Science of Materials, University of Oxford, Parks Road, Oxford OX1 3PH, G.B.

Abstract
Recent ideas on the mechanisms controlling the initial stages of plastic flow at cracks in intrinsically brittle materials, at the ductile-brittle transition, are reviewed. New experiments on precracked specimens of Si are reported, which confirm earlier work that the ductile-brittle transition is controlled by dislocation velocity. A model has been developed in which at the ductile-brittle transition dislocations from a discrete number of sources at the crack tip are emitted sufficiently rapidly to shield the most vulnerable parts of the crack, furthest away from the sources, at a rate such that the local stress intensity factor remains below K1c for values of the applied stress intensity factor K above K1c. Computer modelling of the dynamics of dislocation generation from the crack tip, in mode III loading, suggests that a sharp transition is obtained if crack tip source activity begins at values of K close to K1c. It is suggested that crack tip sources can be formed when existing dislocations are attracted to the crack tip, where they transform into efficient shielding sources. The model explains the observed strain rate dependence of the transition temperature (Tc) on the activation energy controlling dislocation velocity, and predicts a dependence of Tc on dislocation density. The predictions of the model are in good agreement with observed values of Tc for Si. General conclusions are drawn about the factors which control yielding in precracked specimens of intrinsically brittle materials at the ductile-brittle transition.

Résumé
Nous présentons une revue des idées récemment développées sur les mécanismes contrôlant les stades initiaux de la déformation plastique au niveau des fissures dans des matériaux intrinsèquement fragiles au voisinage de la transition ductile-fragile. Nous rendons compte d'expériences nouvelles dans des échantillons préalablement fissurés de silicium, celles-ci confirment de précédents travaux sur le contrôle par la vitesse des dislocations de la transition ductile-fragile. Nous proposons un modèle dans lequel, à la transition, un nombre fini de sources en tête de fissures émettent des dislocations suffisamment vite pour protéger les parties les plus vulnérables de la fissure, réduisant ainsi, loin des sources, le facteur d'intensité des contraintes locales à des valeurs inférieures à K1c pour des facteurs d'intensité des contraintes appliquées K supérieurs à K1c. La simulation de la dynamique des dislocations engendrées par l'extrémité de la fissure, dans le mode III de charge, suggère que si les sources deviennent actives pour des valeurs de K proches des K1c, il se produit une transition brutale. Nous proposons que les sources se créent lorsque des dislocations existantes sont attirées à l'extrémité de la fissure où elles rendent efficaces des sources auparavant écrantées. Ce modèle explique que la dépendance en vitesse de déformation de Tc soit déterminée par l'énergie d'activation de la vitesse des dislocations, il prédit aussi que Tc dépend de la densité des dislocations. Nous tirons des conclusions générales sur les facteurs contrôlant la résistance d'échantillons préfissurés de matériaux intrinséquement fragiles à la transition ductile-fragile.

PACS
6170G - Dislocations: theory.
6220F - Deformation and plasticity.
6220M - Fatigue, brittleness, fracture, and cracks.
8140L - Deformation, plasticity and creep.
8140N - Fatigue, embrittlement, and fracture.

Key words
cracks -- dislocation motion -- elemental semiconductors -- silicon -- semiconductor -- mobility -- crack tip plasticity -- ductile brittle transition -- plastic flow -- dislocation velocity -- strain rate dependence -- transition temperature -- dislocation density -- Si