[論文レビュー] Yielding behavior of glasses under asymmetric cyclic deformation

Monoj Adhikari, Muhittin Mungan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2022

Material Dynamics and Properties被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、非対称なサイクル的せん断変形下におけるモデルガラスの降伏挙動を調査し、良好にアニールされたガラスでは、降伏が見られないが高い塑性を示す特異な中間ひずみ領域が存在することを明らかにした。これは対称的せん断とは対照的である。系サイズの分析から、この領域はサイズが増加するにつれて狭くなり、良好にアニールされたガラスが、不良にアニールされたガラスよりも低いひずみ振幅で降伏するという、直感に反する逆転現象が生じることが示された。この現象は、力学的挙動を安定して捉えることができるメゾスタートモデルによって説明可能である。

ABSTRACT

We consider the yielding behaviour of a model glass subjected to asymmetric cyclic shear deformation, wherein the applied strain varies between 0 and a maximum value $γ_{ m max}$, and study its dependence on the degree of annealing of the glass and system size. The yielding behaviour of well annealed glasses (unlike poorly annealed glasses) display striking differences from the symmetric case, with the emergence of an intermediate strain regime with substantial plasticity but no yielding. The observed behaviour is satisfactorily captured by a recently proposed model. For larger system sizes, the intermediate strain regime narrows, leading to a remarkable reversal of yield strain with annealing.

研究の動機と目的

• 非対称なサイクル的せん断変形がモデルガラスの降伏および塑性に与える影響を理解すること。
• 非対称な変形プロトコル下でのアニール度および系サイズが降伏挙動に与える影響を調査すること。
• 良好にアニールされたガラスに特徴的な、高い塑性を示すが降伏がない中間ひずみ領域が、一般に成立する性質かどうかを同定すること。
• メゾスタートモデルが観察された非平衡動的挙動を予測する能力をテストすること。
• 有限サイズ効果が非対称せん断における降伏ひずみの逆転に与える影響を特定すること。

提案手法

• 異なるアニール度および系サイズを有するモデルガラス系に対して、断熱的準静的（AQS）せん断をシミュレーションする。
• 非対称なサイクル的せん断プロトコルを適用：0 → γ₁_max → 0 → γ₁_max → … とし、ゼロに戻る対称的戻しを避ける。
• ひずみ振幅 across で定常状態における最小エネルギー（E_min）、塑性ひずみ（γ_E_min）、最大応力（σ_max）を測定する。
• エネルギーおよび塑性ひずみの動的変数を有するメゾスタートモデルを用い、シミュレーションデータに一致させるために小さな範囲（δε = 0.05, δγ = 0.1）に制限する。
• 系サイズの変化（N）を実施し、中間領域および降伏遷移における有限サイズ効果を調査する。
• シミュレーション結果とモデル予測を比較することで、モデルが主要な特徴を再現できるかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称なサイクル的せん断変形は、良好にアニールされたガラスの降伏挙動を対称的せん断と比較してどのように変化させるか？
• RQ2 良好にアニールされたガラスに見られる、高い塑性を示すが降伏がない中間ひずみ領域の性質と安定性は何か？
• RQ3 系サイズは、中間的塑性領域の出現および幅にどのように影響するか？
• RQ4 メゾスタートモデルは、シミュレーションで観察された非単調な応力およびエネルギーの変化を正確に再現できるか？
• RQ5 非対称せん断下でのアニール度に依存する降伏ひずみの依存関係は何か？また、対称せん断とは逆転するか？

主な発見

• 良好にアニールされたガラスは、非対称なサイクル的せん断下で、γ_peak < γ₁_max < γ_diff の明確な中間ひずみ領域を示し、大きな塑性ひずみを示すが降伏は見られない。この現象は対称せん断では観察されない。
• 中間領域は系サイズが増加するにつれて狭くなり、これは熱力学的極限では消える有限サイズ効果であると考えられる。
• 大きな系サイズ（N > 4000）では、応力最大値が γ_peak ≈ 0.1 に現れ、サイズが増加するにつれて応力低下が鋭くなる。
• 良好にアニールされたガラスの降伏ひずみ γ_diff は、非対称せん断下で、不良にアニールされたガラスよりも小さくなると予測され、これは対称せん断で観察される傾向とは逆転する。
• メゾスタートモデルは、小さなパrameter範囲（δε = 0.05, δγ = 0.1）に制限された場合、シミュレーションデータの主要な特徴（エネルギーおよび塑性ひずみの進化）をうまく再現した。
• モデルとシミュレーションの定性的な一致から、非対称変形下での降伏挙動を決定づける要因として、塑性ひずみの進化が重要な非自明な要因であることが示された。