[論文レビュー] Transformation-mediated Plasticity in CuZr based Metallic Glass Composites: A Quantitative Mechanistic Understanding

Baoan Sun, Kaikai Song+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2016

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 45被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、Eshelby理論に基づく定量的微視的力学モデルを提示し、CuZr系金属ガラス複合材料における変態を介した塑性変形を説明する。マーテンサイト的変態がB2 CuZr粒子内で発生することで、弾性応力場が生成され、これがせん断バンドの安定化と加工硬化を可能にする。理論的予測は、三種類の異なるせん断バンド形態とひずみ硬化挙動を実験的に観察されたものと一致する。

ABSTRACT

In this paper, we present a thorough stress analysis of the Cu-Zr metallic-glass composite with embedded B2 particles subject to a martensitic transformation. Within the framework of the Eshelby theory, we are able to explain, in a quantitative manner, (1) the formation of three types of shear bands with distinct morphologies as observed experimentally in the severely deformed Cu-Zr metallic-glass composite and (2) the work hardening ability of the Cu-Zr metallic-glass composite as related to the coupled effects of elastic back stress and elastic mismatch caused by the martensitic transformation. Furthermore, we also discuss the issues about the stress affected zone of the individual B2 phase and the stability of the crystalline-amorphous interface. Given the general agreement between the theoretical and experimental findings, we believe that the outcome of our current work can lead to a deeper understanding of the transformation-induced plasticity in the Cu-Zr based metallic glass composites, which should be very useful to the design of the metallic-glass composites with improved ductility.

研究の動機と目的

• CuZr基底金属ガラス複合材料における変化するB2相の周囲の応力再分配について、定量的理解が不足している点を解消すること。
• 極めて大きな塑性変形を受ける複合材料で実験的に観察された三種類の異なるせん断バンド形態を説明すること。
• マーテンサイト的変態に起因する弾性バックストレssと弾性不一致がもたらす加工硬化挙動を定量的に評価すること。
• 個々のB2相の周囲における応力に影響を受ける領域と、結晶相-アモルファス界面の安定性を分析すること。

提案手法

• B2 CuZr粒子内のマーテンサイト的変態に伴う自己ひずみの影響をモデル化するため、Eshelby理論を応用して、弾性ひずみおよび応力場を計算する。
• 自己ひずみテンソルの分解と座標変換を用いて、マトリックス内の制約付きひずみおよび応力場の明示的表現を導出する。
• B2相内の体積および形状変化を表現するために、純せん断および体積変化の自己ひずみ成分を用いる。
• ポisson比、剪断弾性率、体積弾性率などの材料特性を組み込み、応力再分配を計算する。
• 主ひずみ成分と方向依存的自己ひずみ効果を用いて、ガラスマトリックス／結晶相界面における圧力分布を分析する。
• 理論的予測を、せん断バンドパターンとひずみ硬化係数の実験的観察と照合して検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B2 CuZr粒子内のマーテンサイト的変態が、周囲の金属ガラスマトリックス内の応力状態にどのように定量的に影響を与えるか。
• RQ2 塑性変形した複合材料で観察された三種類の異なる形態のせん断バンドが形成されるメカニズムは何か。
• RQ3 変態に起因する弾性バックストレスと弾性不一致が、観察された加工硬化挙動にどのように寄与しているか。
• RQ4 変態中に個々のB2粒子の周囲に形成される応力に影響を受ける領域の性質は何か。
• RQ5 変態に起因する応力場下で、結晶相-アモルファス界面の安定性はいかほどか。

主な発見

• モデルは、B2相変態に起因する方位依存の応力場に基づき、平行、分岐、折れ曲がりの三種類の異なるせん断バンド形態の形成を成功裏に予測した。
• 複合材料の加工硬化係数は、弾性バックストレスと弾性不一致の両方の効果によって定量的に説明され、後者はマーテンサイト的変態に伴う体積変化に起因する。
• B2相変態に起因するガラスマトリックスへの最大圧縮圧力は、$ p_{\text{max}}^{T} = K\tilde{\rho}^{T}(1+\rho)(1-2\nu)/(1-\nu) $ に達する。ここで $ \tilde{\rho}^{T} $ は剪断自己ひずみ、$ \rho $ は主ひずみに関連する形状パラメータである。
• 応力場は異方的であり、変態ひずみの方向と荷重方向の相対的配置に強く依存し、変態の法線が粒子中心からの径方向ベクトルと一致する際に最大圧縮応力が発生する。
• モデルは、B2粒子の周囲に安定した応力に影響を受ける領域を予測しており、応力場は $ r^{-3} $ および $ r^{-5} $ の速度で減衰し、楕円形不純物に対するEshelbyの解と整合的である。
• 理論的予測によるせん断バンド分布とひずみ硬化挙動は、実験データと優れた一致を示し、モデルの物理的妥当性と予測能力を裏付けた。