[論文レビュー] Emergence of Cooperativity in Plasticity of Soft Glassy Materials

Le Bouil Antoine, Axelle Amon+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2014

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、宏观的破壊のずっと前から、局所的変形が局所的に集中した一時的で方向性を持つミクロスケールのバンドとして、協同的プラスチック流れがソフトガラス的材料に出現することを明らかにした。均一な応力下での局所ひずみを光散乱で追跡することで、弾性応力再分配によって制御される自己組織的プラスチック構造が特定され、その長さスケールと持続性は数値シミュレーションと一致した。

ABSTRACT

The elastic coupling between plastic events is generally invoked to interpret plastic properties and the failure of amorphous soft glassy materials. We report an experiment where the emergence of a selforganized plastic flow is observed well before the failure. For this we impose an homogeneous stress on a granular material, and measure local deformations for very small strain increments using a light scattering setup. We observe a nonhomogeneous strain that appears as transient bands of mesoscopic size and a welldefined orientation, which is different from the angle of the macroscopic frictional shear band that appears at the failure. The presence and the orientation of those microbands may be understood by considering how localized plastic reorganizations redistribute stresses in a surrounding continuous elastic medium. We characterize the length scale and persistence of the structure. The presence of plastic events and the mesostructure of the plastic flow are compared to numerical simulations.

研究の動機と目的

• マクロスケールの破壊の前段階におけるソフトガラス的材料のプラスチック流れの発生を調査すること。
• 均一な応力下における粒子系材料における非均一ひずみ構造の出現を理解すること。
• 一時的なプラスチックバンドの空間的・時間的特性と、弾性応力再分配との関係を特徴付けること。
• ミクロスケールのプラスチシティの実験的観察を、局所的プラスチック再編成の数値シミュレーションと比較すること。

提案手法

• 制御された条件下で粒子系材料に均一な応力を印加し、プラスチック変形を誘発すること。
• 高空間・高時間分解能で、局所的・サブミクロンスケールの変形を測定するための光散乱装置を用いること。
• ミクロスケールのサイズで明確な方向性を持つ一時的バンドを検出するためにひずみ場を分析すること。
• 連続媒質における弾性結合を用いて、局所的プラスチック事象からの応力再分配をモデル化すること。
• 実験的バンドの特性（方向性、持続性、長さスケール）を数値シミュレーションの結果と比較すること。
• 統計的および空間的解析を用いて、観察されたプラスチック構造の長さスケールと寿命を定量すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフトガラス的材料において、協同的プラスチック流れは破壊のどの段階で出現するか？
• RQ2 マクロスケールのせん断バンド形成の前段階において、プラスチック変形の空間的・時間的組織はどのように構造化されているか？
• RQ3 局所的プラスチック事象がどのように応力を再分配し、ミクロスケールの流れ構造を生成するか？
• RQ4 観察されたプラスチックバンドは、弾性結合モデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ5 一時的バンドの方向性と持続性は、最終的な破壊メカニズムとどのように関係しているか？

主な発見

• 協同的プラスチック流れは、マクロスケールの破壊のずっと前から、一時的で方向性を持つミクロスケールのバンドとして出現する。
• これらのマイクロバンドの方向性は、最終的なマクロスケールの摩擦的せん断バンドとは異なり、初期段階の別個の流れ構造を示している。
• 一時的バンドの長さスケールと持続性は定量的に特徴付けられ、弾性応力再分配モデルと整合的であることが判明した。
• 観察されたプラスチック事象および流れのミクロ構造は、局所的プラスチック再編成の数値シミュレーションと良好に一致した。
• これらのバンドの出現は、連続媒質内でのプラスチック事象間の弾性結合に起因し、流れの自己組織的性質を説明している。
• 均一な変形から不均一な変形への明確な転移が観察され、マクロスケールの破壊の前段階でミクロスケールの組織化が進行している。