[論文レビュー] Multiscale modeling of plastic deformation of molybdenum and tungsten: I. Atomistic studies of the core structure and glide of 1/2 screw dislocations at 0 K

Roman Gröger, Aimee Gotway Bailey+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2008

Microstructure and mechanical properties参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、0 K におけるタングステンとモリブデンの 1/2〈111〉らせん軸欠陥コア構造およびすべりを、結合次数ポテンシャルを用いてモデル化する。その結果、すべり方向に垂直なせん断応力が欠陥コア構造を顕著に変化させ、非シュミッド的挙動および低応力 {110} 平面上の異常すべりを引き起こすことが明らかになった。特にモリブデンでは、変形・反変形の非対称性が観察された。これらの発見は、体心立方金属における物理的根拠に基づく降伏基準の構築に基礎を提供する。

ABSTRACT

Owing to their non-planar cores 1/2<111> screw dislocations govern the plastic deformation of BCC metals. Atomistic studies of the glide of these dislocations at 0 K have been performed using Bond Order Potentials for molybdenum and tungsten that account for the mixed metallic and covalent bonding in transition metals. When applying pure shear stress in the slip direction it displays significant twinning-antitwinning asymmetry for molybdenum but not for tungsten. However, for tensile/compressive loading the Schmid law breaks down in both metals, principally due to the effect of shear stresses perpendicular to the slip direction that alter the dislocation core. Recognition of this phenomenon forms a basis for the development of physically based yield criteria that capture the breakdown of the Schmid law in BCC metals. Moreover, dislocation glide may be preferred on {110} planes other than the most highly stressed one, which is reminiscent of the anomalous slip observed in many BCC metals.

研究の動機と目的

• 正確な原子間ポテンシャルを用いて、0 K におけるモリブデンおよびタングステンの 1/2〈111〉らせん軸欠陥のコア構造およびすべり挙動を調査すること。
• 特に多軸応力下でのシュミッドの法則の破綻を引き起こす要因を理解すること。
• すべり方向に垂直なせん断応力が欠陥コア構造をどのように変化させ、低応力 {110} 平面上での異常すべりを可能にするかを調査すること。
• 体心立方金属の連続体塑性力学モデリングに適用可能な物理的根拠に基づく降伏基準の開発に寄与する原子論的証拠を提供すること。

提案手法

• モリブデンおよびタングステンのような遷移金属における混合的金属結合および共有結合を正確に捉える、結合次数ポテンシャル（BOPs）を採用した。
• 0 K における純粋せん断および引張／圧縮荷重下での大規模な原子論的シミュレーションを実施した。
• バルク体心立方結晶における欠陥コアのモデル化に、最小画像法および周期的境界条件を用いたスーパーセルを用いた。
• さまざまな応力状態下での原子の変位および結合の歪みを分析することで、欠陥コア構造を解明した。
• さまざまな {110} すべり面における臨界すべり応力（CRSS）を計算し、すべり挙動を比較した。
• [101] 二重対称性および三重らせん軸を用いた対称性の破れの分析により、 degenerate（ degenerate な）な構成を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0 K における純粋せん断応力下で、モリブデンおよびタングステンの 1/2〈111〉らせん軸欠陥のコア構造はどのように変化するのか。対称性はどのような役割を果たすか。
• RQ2 引張／圧縮荷重下で、モリブデンおよびタングステンの両方でシュミッドの法則が破綻する理由は何か。どのような応力成分がその原因か。
• RQ3 せん断荷重下で、モリブデンでは変形・反変形の非対称性が観察されるが、タングステンでは観察されないのはなぜか。
• RQ4 {110} 平面のすべり方向における応力が低い場合でも、欠陥のすべりが優先的におこなわれるか。その背後にあるメカニズムは何か。
• RQ5 すべり方向でないせん断応力が欠陥コアをどのように変化させ、すべりの臨界すべり応力にどのような影響を与えるか。

主な発見

• モリブデンでは、すべり方向に垂直な成分を有するせん断応力の影響により、顕著な変形・反変形の非対称性が観察された。
• タングステンでは、同様の非対称性は観察されず、せん断荷重に対してより対称的な応答を示した。
• 両金属におけるシュミッドの法則の破綻は、主にすべり方向に垂直なせん断応力に起因し、これにより欠陥コア構造が歪んだ。
• すべり方向における応力が低い {110} 平面、特に (011) および (110) 平面において、大きな負のすべり方向でないせん断応力が存在する場合、欠陥のすべりが優先的におこなわれる。
• このような条件下で、1/2〈111〉らせん軸欠陥のコアは (101) 平面で収縮し、(011) および (110) 平面に広がる。これにより、異常すべりが可能になる。
• 応力テンソルの非対称成分が欠陥すべりを支配しており、すべり方向でないせん断応力は運動を直接駆動しないが、コア構造を変化させることで、降伏基準の定式化において根本的な役割を果たすと考えられる。