[論文レビュー] Over the shear paradigm

Cyril Cayron|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2017

Microstructure and mechanical properties参考文献 102被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、変位的転移（例：塑性変態やマルテンサイト相転移）の結晶学的モデルにおける長年の剪断仮説に挑戦し、角度歪みに基づく新しい枠組みを提案する。硬球仮定の下で、原子軌道、格子歪み、シャッフルを単一の角度パラメータの解析関数としてモデル化し、単純剪断や不履歴媒長機構に依存しない、より物理的に整合性のある代替手法を提供する。

ABSTRACT

Deformation twinning and martensitic transformations are displacive transformations; they are defined by high speed collective displacements of the atoms, the existence of a parent/daughter orientation relationship, and plate or lath morphologies. The current crystallographic models of deformation twinning in metals are based on the 150 year-old concept of simple shear. For martensitic transformations, a generalized version of simple shear called invariant plane strain takes into account the volume change; it is associated with one or two simple shears in the phenomenological theory of martensitic crystallography built more than 60 years ago. As simple shears would involve unrealistic stresses, dislocation/disconnection-mediated versions of the usual crystallographic models of displacive transformations have been developed over the last decades. However, fundamental questions remain unsolved. How do the atoms move? How could dislocations be created and propagate in a coordinated way at the speed of sound? In order to solve these issues an approach that is not based on simple shear nor on dislocation/disconnection has been applied to different displacive transformations over the last years. It assumes that the atoms are hard-spheres, which permits for any specific orientation relationship to determine the atomics trajectories, the lattice distortion and shuffling (if required) as analytical functions of a unique angular parameter. The aim of the present paper is to give a brief historical review of the current models based on the shear concept and of their dislocation-mediated versions, and to introduce the new paradigm of angular distortion. Examples will be taken by using some recent publications. The possibilities offers by this approach in mechanics and thermodynamics are briefly discussed.

研究の動機と目的

• 変形 twins およびマルテンサイト相転移のモデル化における古典的剪断仮説の限界を批判的に評価すること。
• 変位的転移における原子運動および不履歴動態の未解決問題、特に超音速での運動を扱うこと。
• 単純剪断や不履歴媒長機構に依存しない新しい結晶学的フレームワークを構築すること。
• 硬球制約下で単一の角度パラメータの関数として原子軌道および格子歪みの解析的解を提供すること。
• 力学および熱力学に基づいた、変位的転移の結晶学的記述の新しいパラダイムの基盤を築くこと。

提案手法

• 原子を剛体の硬球として扱い、原子運動の幾何的制約を定義する。
• 任意の方位関係に対して、原子軌道、格子歪み、シャッフルを単一の角度パラメータの解析関数として導出する。
• 角度歪みモデルを、変形 twins やマルテンサイト相転移を含むさまざまな変位的転移に適用する。
• 硬球モデルを用いて、単純剪断や不履歴媒長機構に起因する非物理的応力の除去を図る。
• 既存の現象論的フレームワークに新しいモデルを統合し、観察された形態および方位関係との整合性を評価する。
• 角度歪みアプローチを古典的剪断ベースのモデルおよび不履歴媒長理論と比較し、物理的妥当性の優位性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして単純剪断の概念に依存せずに、変位的転移における原子運動をモデル化できるか？
• RQ2 変形 twins およびマルテンサイト相転移における原子軌道を支配する物理的および幾何的制約は何か？
• RQ3 単一の角度パラメータが、観察された方位関係と整合的である形で、格子歪みおよびシャッフルを完全に記述可能か？
• RQ4 角度歪みモデルは、変位的転移において不履歴が音速で移動するというパラドックスをどのように解消するか？
• RQ5 剪断ベースのモデルを角度歪みフレームワークに置き換えることの熱力学的および機械的意味は何か？

主な発見

• 角度歪みモデルは、任意の方位関係に対して、原子軌道、格子歪み、シャッフルを単一の角度パラメータの関数として解析的表現を提供する。
• このモデルは、単純剪断に起因する非現実的な高応力の必要性を排除し、原子運動のより現実的な記述を可能にする。
• 幾何的制約のみを用いて、変形 twins やマルテンサイト相転移における板状・ラウト状の形態形成を説明できる。
• このアプローチは、観察された母相／生成相の方位関係と整合的であり、さまざまなタイプの変位的転移にわたる統一的フレームワークを提供する。
• 不履歴媒長機構を導入しない形で、変位的転移の力学および熱力学的理解の新たな道筋を提供する。
• このフレームワークは一般化可能であり、最近の論文で示された例を踏まえ、広範な材料および転移タイプに適用可能である。