[論文レビュー] Simulations of mechanics and structure of nanomaterials --- from nanoscale to coarser scales

Jakob Schiøtz, Tejs Vegge+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 1998

Microstructure and mechanical properties参考文献 67被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ナノ材料の力学的挙動を研究するためのマルチスケールシミュレーションフレームワークを提示する。特にナノ結晶銅に焦点を当て、原子論的シミュレーションを用いて、15 nm未塔の結晶粒径では界面が変形を支配し、従来のホール＝ペッチ関係とは逆に軟化効果を示すことが明らかになった。また、階層的モデリング手法を用いて原子スケールのダイナミクスから粗いスケールの力学へと橋渡しする方法を提示した。

ABSTRACT

We discuss how simulations of mechanical properties of materials require descriptions at many different length scales --- from the nanoscale where an atomic description is appropriate, through a mesoscale where dislocation based descriptions may be useful, to macroscopic length scales. In some materials, such as nanocrystalline metals, the range of length scales is compressed and a polycrystalline material may be simulated at the atomic scale. The first part of the paper describes such simulations of nanocrystalline copper. We observe how the grain boundaries contribute actively to the deformation. At grain sizes below 10-15 nm deformation in the grain boundaries dominate over the traditional dislocation-based deformation mechanisms. This results in a reversal of the normal grain size dependence of the yield stress: we observe that the material becomes softer when the grain size is reduced. The second part of the paper gives an overview over simulation techniques appropriate for problems too large to be treated in atomic-scale simulations, and how they can be combined to describe the interplay between phenomena at different length scales through multiscale modelling.

研究の動機と目的

• 原子スケールおよびミクロスケールのレベルでナノ結晶材料の機械的応答を調査すること。
• 超微細結晶金属におけるディスlocationに基づく変形から界面支配の変形への遷移を理解すること。
• 原子スケールのシミュレーションと粗いスケールの機械的挙動を結ぶマルチスケールモデリング戦略を開発・実証すること。
• 古典的スケーリング則を超えたナノ結晶系における降伏応力の長さスケール依存性を特定すること。

提案手法

• 15 nm未塔の結晶粒径を有するナノ結晶銅をモデル化するため、分子動力学シミュレーションを用いる。
• ディスlocationの活動と界面の運動を追跡することで、原子スケールの変形メカニズムを分析する。
• 原子スケール、ディスlocationベース、連続体レベルの記述を統合した階層的マルチスケールアプローチを導入する。
• シミュレーションフレームワークを用いて、界面構造と機械的挙動の相相互作用を調査する。
• 結晶粒径を系統的に変化させることで、非古典的機械的挙動の出現を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 15 nm未塔の結晶粒径が、ナノ結晶銅における主な変形メカニズムにどのように影響するか？
• RQ2 界面が超微細結晶材料における塑性変形にどの程度寄与するか？
• RQ3 ナノ結晶金属では結晶粒径が小さくなるにつれて降伏応力が低下するが、これはホール＝ペッチ効果とは逆転する現象である。その理由は何か？
• RQ4 原子スケールのダイナミクスから巨視的機械的挙動へと効果的に橋渡しするマルチスケールモデリング技術は何か？

主な発見

• 結晶粒径が10–15 nm未塔のナノ結晶銅では、界面のすべりと拡散が主な変形メカニズムとなる。
• 降伏応力は結晶粒径が小さくなるにつれて低下し、古典的ホール＝ペッチの強化効果が逆転していることが示された。
• 超微細結晶材料では、ディスlocationの移動性と貯蔵容量が制限されるため、ディスlocationを介した塑性変形が抑制される。
• 界面は構造的再配列や拡散を通じてひずみを吸収することで、塑性変形に能動的に関与する。
• 本研究では、原子スケールのシミュレーションとミクロスケールモデルを組み合わせることで、複数の長さスケールにわたる機械的挙動を捉える可能性を示した。