[논문 리뷰] Brittle to ductile transitions in glasses: Roles of soft defects and loading geometry

David Richard, Edan Lerner외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 09.

Metallic Glasses and Amorphous Alloys참고 문헌 68인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 원자적 시뮬레이션을 통해 소프트 거친 결함(비음향 진동 스펙트럼의 보편적 형태에서의 계수 Ag로 정량화됨)과 하중 기하학이 유리의 균열 인성에 중대한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 냉각 속도는 Ag에 영향을 주며 연성에서 취성으로의 전이를 유도할 수 있으나, 구속 인장 조건에서는 포isson 수축이 억제될 경우 동일한 Ag를 가진 유리들이 유사한 인성을 나타내며, 이는 하중 기하학이 결함 활성화를 결정짓고, 그로 인해 기계적 거동이 결정된다는 것을 증명한다.

ABSTRACT

Understanding the fracture toughness of glasses is of prime importance for science and technology. We study it here using extensive atomistic simulations in which the interaction potential, glass transition cooling rate and loading geometry are systematically varied, mimicking a broad range of experimentally accessible properties. Glasses' nonequilibrium mechanical disorder is quantified through $A_{ m g}$, the dimensionless prefactor of the universal spectrum of nonphononic excitations, which measures the abundance of soft glassy defects that affect plastic deformability. We show that while a brittle-to-ductile transition might be induced by reducing the cooling rate, leading to a reduction in $A_{ m g}$, iso-$\!A_{ m g}$ glasses are either brittle or ductile depending on the degree of Poisson contraction under unconstrained uniaxial tension. Eliminating Poisson contraction using constrained tension reveals that iso-$\!A_{ m g}$ glasses feature similar toughness, and that varying $A_{ m g}$ under these conditions results in significant toughness variation. Our results highlight the roles played by both soft defects and loading geometry (which affects the activation of defects) in the toughness of glasses.

연구 동기 및 목표

• 유리의 균열 인성 결정에 있어 소프트 거친 결함과 하중 기하학의 역할을 이해하기 위해.
• Ag(보편적 진동 상태 밀도 D(ω) ∼ ω⁴의 비보편적 계수)와 χ(비틀림 모odulus 변동)를 사용하여 거시적 기계적 무질서를 정량화하기 위해.
• 냉각 속도, 상호작용 포텐셜, 하중 기하학(일축 인장 대비 구속 인장)을 변화시켰을 때의 연성 및 균열 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 동일한 Ag를 가진 유리가 다양한 하중 조건에서 유사한 인성을 보이는지 테스트하여 기하학의 역할을 분리적으로 분석하기 위해.
• 소프트 결함과 기계적 경계 조건을 거시적 인성과 연결함으로써 유리의 구조-역학-성질 간의 연관성을 수립하기 위해.

제안 방법

• 변화 가능한 매력 범위(rc)를 가진 조정 가능한 수정 레너드-존스 포텐셜을 사용하여 모델 유리의 대규모 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 유리의 열역학적 역사를 제어하고 Ag와 χ를 조절하기 위해 냉각 속도 ˙T를 체계적으로 변화시키며, 조성과 상호작용 포텐셜은 일정하게 유지하였다.
• 측면 구속 여부에 따라 일축 인장을 적용하여 포isson 수축의 영향을 분리적으로 분석하였다.
• 비차원적 Ag를 사용하여 소프트 결함 밀도를 정량화하고, χ를 사용하여 비틀림 모듈러스 변동을 메크로스코픽 무질서 척도로 사용하였다.
• 사전에 균열이 존재하는 상태(c = 6)에서의 인장 시험 동안 응력-변형률 곡선 아래 면적을 측정하여 균열 인성을 측정하였다.
• 지역화된 vs. 확장된 연성의 시각화를 위해 비등형 변형을 분석하기 위해 D²min 필드를 사용하였으며, 이를 실패 모드와 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각 속도가 Ag를 제어함으로써 유리의 취성-연성 전이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 포isson 수축을 고려할 때, 동일한 Ag를 가진 유리의 균열 인성은 하중 기하학에 얼마나 의존하는가?
• RQ3 구속 인장 조건에서 동일한 Ag를 가진 유리들이 비구속 인장 조건과 유사한 균열 인성을 보일까? 이는 결함 활성화에 대한 기하학의 역할을 어떻게 드러내는가?
• RQ4 다양한 경계 조건 하에서 소프트 결함(Ag)과 기계적 무질서(χ)는 거시적 인성과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ5 포isson 비율 ν는 균열 거동을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가? 이는 소프트 결함 밀도와 열역학적 역사와 어떻게 연결되는가?

주요 결과

• 냉각 속도를 낮추면 Ag가 감소하고 연성-취성 전이가 발생하며, 이는 소프트 결함 밀도가 연성 거동을 지배한다는 것을 확인한다.
• 비구속 일축 인장 조건에서는 동일한 Ag를 가진 유리들이 포isson 수축 정도에 따라 다른 인성을 보이며, 이는 기하학이 결함 활성화를 결정한다는 것을 시사한다.
• 구속 인장 조건에서는 포isson 수축이 억제되고, 동일한 Ag를 가진 유리들이 거의 동일한 균열 인성을 나타내며, Ag가 고정된 상태에서 기하학이 인성 변화를 결정한다는 것을 증명한다.
• 구속 인장 조건에서 Ag를 변화시키면 인성에 상당한 변화가 발생하며, 이는 기하학이 일정할 경우 소프트 결함 밀도가 균열 저항에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여준다.
• 비차원적 인성은 √˜c(균열 길이)에 비례함을 확인하여, 균열 끝부분에서의 응력에 대한 보편적 제곱근 특이성이 확인된다.
• 열 노령화는 Ag를 감소시키고 비틀림 모듈러스를 증가시키며, 최초 포isson 비율이 가장 높은 유리에서 가장 큰 경화 효과를 보이며, 이는 소프트 결함 밀도가 기계적 노령화 반응과 연결됨을 시사한다.