拓扑缺陷支配断口表面裂纹前缘运动与刻面形成

断口表面的图案在日常生活中很常见，但令人惊讶的是，它们如何以及为何形成仍是悬而未决的问题。在由缓慢拉伸裂纹产生的断裂表面上，通常观察到明确的刻面[1-4]。由于刻面出现在非晶材料[5-7]中，其形成并不反映微观有序。然而，断裂力学预测缓慢裂纹前缘应是平直的，产生镜面般表面[8-13]。相反，形成刻面的前缘在不同平面中同时扩展，平面间由台阶分隔。因此，尚不清楚台阶为何稳定、是什么决定其路径以及它们如何与裂纹前缘动力学耦合。本文通过将从传播裂纹前缘的实时成像与表面测量相结合，表明台阶是裂纹前缘的拓扑缺陷；裂纹前缘分离为不连续的重叠段为台阶稳定性提供了条件。台阶以相对于局部前缘传播方向的恒定角度漂移，且由于台阶形成导致的局部耗散增加与周围裂纹前缘的长程变形耦合。缓慢裂纹前缘动力学受台阶高度和位置变化的支配。这些观察结果展示了三维拓扑如何与二维断裂动力学耦合，从而为图案化表面如何生成提供了基本图像。