[論文レビュー] Amorphous intergranular films as toughening structural features

Zhiliang Pan, Timothy J. Rupert|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2015

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、分子動力学シミュレーションを通じて、非晶質界面膜がナノ構造材料における破壊靭性を向上させることを示した。膜は効率的な転位吸収源として機能し、亀裂の核化と成長を遅らせる。厚い膜は、塑性ひずみを渦状の原子の流れに拡散させることで、亀裂の伝播を遅らせ、破壊の駆動力も低下させ、クリーンな結晶粒界と比較して亀裂の核化と成長速度を低下させる。

ABSTRACT

The ability of amorphous intergranular films to mitigate damage formation at grain boundaries is studied with molecular dynamics simulations. We find that such films can alter both crack nucleation and crack growth rates by efficiently absorbing dislocations, with thicker films being more effective sinks. Local plastic strain brought by incoming dislocations is diffused into a triangular region within the amorphous film and is accommodated by a flow of boundary atoms which resembles a vortex shape; this vortex grows inside of the amorphous intergranular film as more dislocations are absorbed until it reaches the opposite amorphous-crystalline interface, after which cracks can finally be nucleated. Even after nucleation, these cracks grow more sluggishly in an amorphous intergranular film than they do along a clean grain boundary, since the driving force for crack growth is lower in the amorphous film. The results presented here suggest that amorphous intergranular films can act as toughening features within a microstructure, and thus are promising for designing nanostructured materials with better ductility and fracture toughness.

研究の動機と目的

• 非晶質界面膜が結晶粒界での損傷緩和に果たす役割を調査すること。
• これらの膜が亀裂の核化および伝播機構に与える影響を理解すること。
• ナノ構造材料における靭化要因としての非晶質膜の有効性を評価すること。
• 膜厚さと転位吸収能力との関係を特定すること。

提案手法

• 結晶粒界に非晶質界面膜を有する系における転位相互作用をモデル化するために分子動力学シミュレーションを用いた。
• 非晶質膜内での転位吸収、塑性ひずみの拡散、および渦状の原子の流れを追跡した。
• 膜厚さを系統的に変化させ、転位吸収源としての効率への影響を評価した。
• 亀裂の核化および成長速度を、非晶質膜とクリーンな結晶粒界を比較することで分析した。
• 異なる界面構造間で亀裂成長の駆動力を定量的に評価し、比較した。
• 原子レベルでの変形メカニズムを可視化し、流れのパターンおよびひずみ局在を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非晶質界面膜は結晶粒界における亀裂の核化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 非晶質膜内での転位吸収が亀裂形成の遅れに果たす役割は何か？
• RQ3 膜厚さは転位吸収源としての効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 クリーンな結晶粒界と比較して、非晶質膜で亀裂成長速度が低下するメカニズムは何か？
• RQ5 転位吸収の過程で、非晶質膜内にどのように塑性ひずみが分布するか？

主な発見

• 非晶質界面膜は到達する転位を効果的に吸収し、局所的な応力集中を低減し、亀裂の核化を遅らせる。
• 塑性ひずみは膜内に三角形領域に拡散し、境界原子の渦状の流れを形成する。この流れは、転位吸収が進行するにつれて拡大する。
• 渦構造は、反対側の非晶質／結晶界面に達するまで成長を続ける。その後、亀裂の核化が可能になる。
• 厚い非晶質膜は、転位の吸収および亀裂形成の遅れに対してより効果的である。
• 破壊の駆動力が低いため、非晶質膜内ではクリーンな結晶粒界に比べて亀裂成長速度が著しく遅い。
• 結果から、非晶質界面膜がナノ構造材料における内在的靭化機構として機能することが確認された。