Depth-sensing ductile and brittle deformation in 3C-SiC under Berkovich nanoindentation

纳米压痕 材料科学 缩进 脆性 变形(气象学) 可塑性 有限元法 复合材料 变形机理 结构工程 微观结构 工程类
作者
Liang Zhao,Junjie Zhang,J. Pfetzing‐Micklich,Masud Alam,Alexander Hartmaier
出处
期刊:Materials & Design [Elsevier]
卷期号:197: 109223-109223 被引量:45
标识
DOI:10.1016/j.matdes.2020.109223
摘要

The interplay between ductile and brittle deformation modes in hard brittle materials exhibits a strong size effect. In the present work, indentation depth-dependent deformation mechanisms of single-crystal 3C-SiC under Berkovich nanoindentation are elucidated by finite element simulations and corresponding experiments. A novel finite element framework, that combines a crystal plasticity constitutive model for describing dislocation slip-based ductile deformation and a cohesive zone model for capturing crack initiation and propagation-induced brittle fracture, is established. The utilized parameters in the crystal plasticity model of 3C-SiC are calibrated according to the load-displacement curves obtained from corresponding Berkovich nanoindentation experiments. Subsequent finite element simulations and experiments of nanoindentation jointly reveal co-existing microscopic plastic deformation and brittle fracture of 3C-SiC at different indentation depths, which significantly affect the observed macroscopic mechanical response and surface pile-up topography. In particular, the predicted morphology of surface cracks at an indentation depth of 500 nm agrees well with experimental observation, and the correlation of crack initiation and propagation with surface pile-up topography is theoretically analyzed.
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