[論文レビュー] Atomic-scale simulations of nanocrystalline metals

Jakob Schiøtz, Tejs Vegge+2 more|ArXiv.org|Feb 11, 1999

Microstructure and mechanical properties参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ナノ結晶銅における塑性変形を原子スケールの分子動力学シミュレーションを用いて調査し、変形が主に結晶粒界での局所的かつ相関のないすべりによって生じる一方で、結晶粒内部の不純度活動によるものではないことを明らかにした。主な発見は逆ホール＝ペッチ効果であり、結晶粒サイズが増加すると強化が生じ、研究範囲を超えて中間の結晶粒サイズで最大硬度を示すことが示された。

ABSTRACT

Nanocrystalline metals, i.e. metals in which the grain size is in the nanometer range, have a range of technologically interesting properties including increased hardness and yield strength. We present atomic-scale simulations of the plastic behavior of nanocrystalline copper. The simulations show that the main deformation mode is sliding in the grain boundaries through a large number of uncorrelated events, where a few atoms (or a few tens of atoms) slide with respect to each other. Little dislocation activity is seen in the grain interiors. The localization of the deformation to the grain boundaries leads to a hardening as the grain size is increased (reverse Hall-Petch effect), implying a maximum in hardness for a grain size above the ones studied here. We investigate the effects of varying temperature, strain rate and porosity, and discuss the relation to recent experiments. At increasing temperatures the material becomes softer in both the plastic and elastic regime. Porosity in the samples result in a softening of the material, this may be a significant effect in many experiments.

研究の動機と目的

• ナノ結晶金属における塑性変形の原子スケールのメカニズムを理解すること。
• さまざまな条件下における結晶粒界と不純度活動の変形への寄与を調査すること。
• 温度、ひずみ速度、および空孔率が機械的挙動に与える影響を調査すること。
• 実験で観察された逆ホール＝ペッチ効果の起源を説明すること。

提案手法

• 銅における原子的相互作用をモデル化するため、埋め込み原子法（EAM）ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションを実施する。
• ナノメートルスケールの制御された結晶粒サイズを有する多結晶銅の単軸引張変形をシミュレートする。
• 変形メカニズムを特定するために、原子の変位および局所的な応力場を分析する。
• 温度、ひずみ速度を変化させ、空孔率を導入することで、それらが機械的応答に与える影響を評価する。
• 原子配置の時間的変化を追跡し、結晶粒界のすべりと不純度を介した塑性変形を区別する。
• 後処理を用いて変形の局所化を定量化し、原子スケールのすべり事象のような重要な出来事を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノ結晶銅における主な変形メカニズムは何か—不純度活動か、結晶粒界のすべりか？
• RQ2 結晶粒サイズがナノ結晶金属の降伏強度および加工硬化挙動に与える影響は何か？
• RQ3 温度およびひずみ速度がナノ結晶銅の機械的挙動に与える影響は何か？
• RQ4 微細組織内の空孔率が材料の軟化にどの程度寄与するか？
• RQ5 ナノ結晶金属で観察された逆ホール＝ペッチ効果の背後にある理由は何か？

主な発見

• ナノ結晶銅における変形は、主に結晶粒内部の不純度活動ではなく、結晶粒界における相関のない原子スケールのすべり事象によって支配されている。
• 結晶粒内部に顕著な不純度活動が見られないことから、結晶粒界を介した塑性変形の優位性が裏付けられた。
• 逆ホール＝ペッチ効果が観察され、研究範囲を超えて結晶粒サイズが増加するにつれて硬度が上昇し、中間の結晶粒サイズで最大硬度を示すことが示唆された。
• 温度上昇により、弾性および塑性抵抗の両方が低下し、あらゆる領域で材料が軟化した。
• 空孔率の増加により顕著な軟化が生じ、一部のシミュレーションと実験の乖離を説明できる可能性がある。
• シミュレーションは、最近の実験で観察された定性的な傾向を再現しており、特に結晶粒界制御の変形およびサイズ依存強化に関して妥当性を示した。