[논문 리뷰] Deformation and flow of amorphous solids: An updated review of mesoscale elastoplastic models

Alexandre Nicolas, Ezequiel E. Ferrero외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 30.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 364인용 수 451

한 줄 요약

이 리뷰는 비정질 고체를 위한 미세구조 탄소성 모델(EPMs)을 업데이트하며, 이들을 응력이 국소적으로 초과될 때 국소적이고 비대칭적인 소성 사건을 일으키는 미세구조 블록의 집합으로 프레임워크화한다. 주요 기여는 EPMs의 통합적 종합으로, 변형 국지화, 임계 유도 행동, 붕괴 통계, 유변학에 대한 통찰을 포함하며, 이는 비균형 역학을 이해하는 데 있어 통합된 프레임워크로서의 역할을 부각시킨다.

ABSTRACT

The deformation and flow of disordered solids, such as metallic glasses and concentrated emulsions, involves swift localized rearrangements of particles that induce a long-range deformation field. To describe these heterogeneous processes, elastoplastic models handle the material as a collection of 'mesoscopic' blocks alternating between an elastic behavior and plastic relaxation, when they are too loaded. Plastic relaxation events redistribute stresses in the system in a very anisotropic way. We review not only the physical insight provided by these models into practical issues such as strain localization, creep and steady-state rheology, but also the fundamental questions that they address with respect to criticality at the yielding point and the statistics of avalanches of plastic events. Furthermore, we discuss connections with concurrent mean-field approaches and with related problems such as the plasticity of crystals and the depinning of an elastic line.

연구 동기 및 목표

• 금속 유리 및 에멀전과 같은 비정질 고체를 위한 미세구조 탄소성 모델(EPMs)의 이론적 프레임워크를 통합하고 업데이트하는 것.
• EPMs를 활용하여 비정질 물질에서 변형 국지화, 크리프, 정 steady-state 유변학의 물리적 메커니즘을 명확히 하는 것.
• 유도 전이에서의 임계 행동을 검토하며, 붕괴 통계와 디핀딩 및 평균장 이론과의 연결 고리를 다루는 것.
• EPMs의 열린 질문들과 활성 물질, 노화, 균열 역학 분야에서의 새로운 응용 가능성을 규명하는 것.
• 이론적 모델을 실험 및 시뮬레이션 데이터와 융합하는 것—특히 응력 감소 분포와 트레이서 확산에 초점을 맞춘다.

제안 방법

• 비정질 고체를 국소 탄성 반응과 국소 유도 임계값을 초과할 경우 소성 리듬을 갖는 미세구조 블록의 네트워크로 모델링한다.
• 장거리 탄성 결합을 시뮬레이션하기 위해 탄성 전파함수(예: 점소자, 스프링 네트워크, 또는 유한요소 방법)를 통한 비대칭 응력 재분배를 사용한다.
• 기계적 노이즈와 안정성 연구를 위해 평균장 근사(균일, 무작위, 또는 꼬리가 무거운 응력 재분배)를 구현한다.
• 유도 전이 근처의 임계 지수와 보편성 클래스를 탐색하기 위해 척도 분석과 재정규화 기법을 적용한다.
• 분자 동역학 결과, 콜로이드 유리에 대한 실험, 섬유 뭉치 및 디핀딩 시스템과 같은 유사 모델과의 비교를 통해 EPM의 예측력을 검증한다.
• 크리프, 진동 가속 등 시간에 따라 변화하는 프로토콜을 통합하여, 노화, 안정화, 임시 비균질성을 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정질 고체에서 국소적 소성 사건은 어떻게 장거리 응력 재분배와 변형 국지화를 유도하는가?
• RQ2 유도 전이에서의 임계 행동은 무엇에 의해 결정되며, EPM에서의 붕괴 통계는 디핀딩 또는 모래더미 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 EPM은 특히 저속 가속 및 비열 조건에서 정 steady-state 유변학을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 초기 조건, 노화, 가속 재활성화가 영구적 시편 띠 형성의 시작에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 세포 분열과 세포 사멸을 소성 사건으로 간주할 경우, EPM은 생물 조직과 같은 활성 물질 시스템을 어떻게 확장하여 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 탄소성 모델은 국소적이고 비대칭적인 응력 재분배를 통해 비정질 고체에서의 비균형적이고 간헐적인 소성 유동의 특성을 성공적으로 기술한다.
• 유도 지점 근처에서 EPM의 붕괴 통계는 크기와 지속 시간에 대해 거칠기 분포를 보이며, 임계 지수는 모델 단순화에 대해 강건하며 관성에 민감하지 않다.
• 일부 조건에서는 흐름 전이가 불연속적일 수 있으며, 흐름 상태와 정지 상태가 공존하는 현상이 진동하는 입자 매체 실험에서 관측된 바 있다.
• 평균장 근사, 특히 Hébraud-Lequeux 모델은 기계적 노이즈를 잘 묘사하지만, 비균일한 탄성 전파함수와 연약한 모드로 인해 편차가 발생할 수 있다.
• 크리프와 노화에서 EPM은 초기 조건에 매우 민감하며, 최근의 시뮬레이션은 초기 안정성에 따라 달라지는 장기적 안정화 동역학을 드러냈다.
• 디핀딩 전이와의 연결 고리는 공통된 임계 행동을 시사하지만, EPM 내에서 부분적으로 음수인 탄성 전파함수의 존재는 특히 낮은 효과 차원에서 별개의 보편성 클래스를 이끌 수 있다.