[論文レビュー] Plastic deformation of a model glass induced by a local shear transformation

Nikolai V. Priezjev|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2014

Material Dynamics and Properties参考文献 38被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、球状インクルージョンの可逆的局所せん断変換によって誘発される3次元アモルファス固体内の塑性変形を、分子動力学シミュレーションを用いて調査する。キャージジャンプ解析により局所的塑性事象を同定し、摩擦およびせん断時間スケールの次元なしパラメータでスケーリングされた普遍的な径方向関数に変形プロファイルが収束することを示し、弱い減衰または遅いせん断速度の下でより強い塑性変形が生じることを示している。

ABSTRACT

The effect of a local shear transformation on plastic deformation of a three-dimensional amorphous solid is studied using molecular dynamics simulations. We consider a spherical inclusion, which is gradually transformed into an ellipsoid of the same volume and then converted back into the sphere. It is shown that at sufficiently large strain amplitudes, the deformation of the material involves localized plastic events that were identified based on the relative displacement of atoms before and after the shear transformation. We found that the density profiles of cage jumps decay away from the inclusion, which correlates well with the radial dependence of the local deformation of the material. At the same strain amplitude, the plastic deformation becomes more pronounced in the cases of weakly damped dynamics or large time scales of the shear transformation.

研究の動機と目的

• 局所的せん断変換によって引き起こされるアモルファス固体内の塑性変形のメカニズムを理解すること。
• 原子の再配置（キャージジャンプ）の空間的分布が、局所的変形および材料応答とどのように相関するかを分析すること。
• 減衰（摩擦係数）およびせん断変換時間スケールが塑性変形に与える影響を調査すること。
• シミュレーションパラメータが異なる条件下でも、キャージジャンプの密度プロファイルが普遍関数に収束するかどうかを特定すること。

提案手法

• N = 10,000粒子の3次元Kob-Andersen二成分Lennard-Jonesガラスにおける分子動力学シミュレーション。
• 約135原子からなる球状インクルージョンに可逆的せん断変換を適用：球体 → 楕円体（体積一定） → 再び球体へ。
• せん断ひずみは ǫ(t) = ǫ₀ sin(πt/τᵢ) に従い、振幅は ǫ₀、時間スケールは τᵢ である。
• 摩擦係数 Γ と T = 10⁻² ε/kB の熱浴を用いたLangevinダイナミクスにより、制御された緩和を実現。
• キャージ検出アルゴリズムにより、せん断イベント前後における大きな原子変位（キャージジャンプ）を同定。
• キャージジャンプの径方向密度プロファイルを計算し、次元なしパラメータを用いてスケーリングすることで、普遍的収束の有無を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャージジャンプ（塑性再配置を示すもの）の空間的分布は、ひずみ振幅にどのように依存するか？
• RQ2 摩擦係数とせん断変換時間スケールは、塑性事象の広がりと径方向減衰にどのように影響するか？
• RQ3 異なるシミュレーション条件下でも、キャージジャンプの密度プロファイルが普遍関数に収束するか？
• RQ4 キャージジャンプの径方向減衰とマトリックス材料の局所的変形との関係は何か？

主な発見

• 高ひずみ振幅（ǫ₀ ≥ 0.3）では、キャージジャンプによる局所的塑性事象が明確に同定され、密度プロファイルがインクルージョンから径方向に減衰する。
• キャージジャンプ密度の径方向減衰は、マトリックスの局所的変形と強く相関しており、原子再配置とマクロなひずみとの直接的な関連を示している。
• 固定された ǫ₀ に対して、弱い減衰（低Γ）または長いせん断時間スケール（大きな τᵢ）の下で、キャージジャンプ密度が増加することから、より顕著な塑性変形が生じることが示された。
• Γ と τᵢ に依存する次元なし要因でスケーリングした場合、キャージジャンプ密度プロファイルが一様な普遍関数に収束することを確認し、普遍的スケーリング行動を裏付けた。
• 局所的変形 ∆d の径方向依存性は r⁻⁴ の減衰を示し、3次元における弾性緩和の理論的予測と一致する。
• キャージジャンプクラスターサイズの確率分布は指数 ≈ -2.5 のべき乗則に従い、間欠的でアバランチ的塑性変形を示している。