[論文レビュー] Revealing the origins of shear band activity and boundary strengthening in polygrain-like architected materials

Chen Liu, Jedsada Lertthanasarn+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2020

Cellular and Composite Structures参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、多結晶様メタクリスタルにおけるせん断バンド活動および界面強化が、単結晶様メタクリスタル内のストラット座屈および結晶粒界を越えたせん断バンドの伝播に起因することを明らかにした。研究では、界面の種別と整合性が強化効果を支配することを特定し、制御された変形経路を有する高強度・損傷耐性を持つメタクリスタルの設計に、メカニズムに基づく根拠を提供する。

ABSTRACT

A recent report on successful employment of the grain boundary strengthening to design extraordinarily damage-tolerant architected materials (i.e. meta-crystals) necessitates fundamental studies to understand the underlying mechanisms responsible for the toughening and high performance of meta-crystals. Such understanding will enable greater confidence and control in developing high performing and smart architected materials. In this study, buckling of lattice struts in single crystal-like meta-crystals was firstly analysed to reveal its role in shear band activities. Shear band systems of singly oriented meta-crystals were also identified to provide a solid basis for predicting and controlling the shearing behaviour in polygrain-like meta-crystals. The boundary-induced strengthening effects in meta-crystals was found to relate to the boundary type and coherency as they govern the transmission of shear bands across meta-grain boundaries. The obtained insights in this study provide crucial knowledge in developing high strength architected materials with great capacity in controlling the mechanical strength and damage path.

研究の動機と目的

• メタクリスタルにおける結晶粒界強化の基本的メカニズムを理解すること。
• 単結晶様メタクリスタルにおけるストラット座屈が、せん断バンド活動を誘発する役割を調査すること。
• 一様に配向したメタクリスタルにおけるせん断バンド系を同定し、多結晶様構造における予測的制御を可能とすること。
• 界面の種別と整合性が、せん断バンドの伝播および強化効果に与える影響を特定すること。
• 制御された変形経路を有する高強度・損傷耐性を持つアーキテクチャド材料の設計原則を提供すること。

提案手法

• 単結晶様メタクリスタルにおけるストラット座屈の解析的・計算的モデリングを通じて、せん断バンド核生成に与える寄与を評価すること。
• 機械的応答解析を用いた一様に配向したメタクリスタルにおけるせん断バンド系の同定および特徴化。
• 界面種別と整合性を変化させたメタクリスタル粒界を越えたせん断バンド伝播の体系的調査。
• 微細組織解析を用いて、界面特徴と機械的性能、エネルギー散逸の相関を明らかにすること。
• 局所的な変形メカニズムと多結晶様アーキテクチャド材料におけるマクロな強化の関係を結ぶメカニズムフレームワークの構築。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単結晶様メタクリスタルにおけるストラット座屈は、どのようにしてせん断バンド活動を誘発し、それらに影響を与えるか？
• RQ2 一様に配向したメタクリスタルにおける主なせん断バンド系は何か？ それらは多結晶様系における挙動をどのように規定するか？
• RQ3 界面の種別と整合性は、メタクリスタル粒界を越えたせん断バンド伝播にどのように影響するか？
• RQ4 メタクリスタルにおける界面起因の強化のメカニズム的起源は何か？
• RQ5 せん断バンド伝播および結晶粒界相互作用をどのように制御することで、材料の強度と損傷耐性を向上させられるか？

主な発見

• 単結晶様メタクリスタルにおけるストラット座屈は、せん断バンド核生成および活動の主な駆動要因である。
• 一様に配向したメタクリスタルにおけるせん断バンド系は特定可能であり、多結晶様構造におけるせん断挙動の予測的基盤を提供する。
• 界面起因の強化は、結晶粒界の種別と整合性に強く依存する。
• 整合性のある界面は、より効果的なせん断バンド伝播を促進し、エネルギー散逸および荷重耐力の向上をもたらす。
• 非整合性または歪みのある界面は、せん断バンド伝播を妨げ、局所的な応力集中を引き起こし、破壊の発生源となる。
• 本研究の知見は、制御された結晶粒界アーキテクチャを用いた高強度・損傷耐性を持つアーキテクチャド材料の工学的設計に、関連するフレームワークを確立する。