[논문 리뷰] Plastic deformation of a model glass induced by a local shear transformation

Nikolai V. Priezjev|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 28.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 38인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 구형 포함상의 가역적 국소 전단 변형에 의해 유도된 3D 비정질 고체의 연성 변형을 조사한다. 케이지 점프 분석을 통해 국소적 연성 사건을 식별하고, 마찰 및 전단 시간스케일의 무차원 매개변수에 의해 스케일링된 일반적인 반경 함수로 변형 프로파일이 수렴함을 보이며, 약한 감쇠 또는 느린 전단 속도에서 더 강한 연성성을 나타낸다.

ABSTRACT

The effect of a local shear transformation on plastic deformation of a three-dimensional amorphous solid is studied using molecular dynamics simulations. We consider a spherical inclusion, which is gradually transformed into an ellipsoid of the same volume and then converted back into the sphere. It is shown that at sufficiently large strain amplitudes, the deformation of the material involves localized plastic events that were identified based on the relative displacement of atoms before and after the shear transformation. We found that the density profiles of cage jumps decay away from the inclusion, which correlates well with the radial dependence of the local deformation of the material. At the same strain amplitude, the plastic deformation becomes more pronounced in the cases of weakly damped dynamics or large time scales of the shear transformation.

연구 동기 및 목표

• 국소 전단 변형에 의해 유도된 비정질 고체의 연성 변형 메커니즘을 이해하기 위해.
• 원자 재배열(케이지 점프)의 공간 분포가 국소 변형 및 재료 반응과 어떻게 관련되어 있는지 분석하기 위해.
• 감쇠(마찰 계수)와 전단 변형 시간스케일이 연성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 케이지 점프의 밀도 프로파일이 다양한 시뮬레이션 조건에서 일반 함수로 수렴하는지 확인하기 위해.

제안 방법

• N = 10,000 입자로 구성된 3D Kob-Andersen 이원성 Lennard-Jones 유리의 분자 동역학 시뮬레이션.
• 약 135개 원자로 이루어진 구형 포함상에 가역적 전단 변형을 적용: 구형 → 타원체(같은 부피) → 다시 구형.
• 전단 변형은 ǫ(t) = ǫ₀ sin(πt/τᵢ)로 따라가며, 진폭은 ǫ₀, 시간스케일은 τᵢ.
• 감쇠 계수 Γ와 T = 10⁻² ε/kB의 열역학 해수를 갖는 Langevin 동역학을 통해 안정된 회복을 보장.
• 케이지 탐지 알고리즘은 전단 사건 이전 및 이후의 큰 원자 이동(케이지 점프)을 식별.
• 케이지 점프의 반경 방향 밀도 프로파일을 계산하고, 무차원 매개변수에 의해 스케일링하여 일반 수렴 여부를 테스트.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 케이지 점프의 공간 분포(연성 재배열의 지표)가 변형 진폭에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 마찰 계수와 전단 변형 시간스케일이 연성 사건의 범위와 반경 방향 감쇠에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 시뮬레이션 조건에서 케이지 점프의 밀도 프로파일이 일반 함수로 수렴하는가?
• RQ4 케이지 점프의 반경 방향 감쇠와 매트릭스 재료의 국소 변형 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 고진폭 변형에서(ǫ₀ ≥ 0.3), 케이지 점프를 통한 국소적 연성 사건이 명확히 식별되며, 밀도 프로파일이 포함상에서 반경 방향으로 감쇠된다.
• 케이지 점프 밀도의 반경 감쇠는 매트릭스의 국소 변형과 강하게 상관되며, 원자 재배열과 매크로스코픽 변형 간의 직접적 연관성을 시사한다.
• 고정된 ǫ₀에서, 약한 감쇠(낮은 Γ) 또는 긴 전단 시간스케일(큰 τᵢ) 조건에서 연성 변형이 더 두드러지며, 이는 케이지 점프 밀도가 증가함으로써 나타난다.
• Γ와 τᵢ에 의존하는 무차원 인자에 의해 스케일링된 케이지 점프 밀도 프로파일이 하나의 일반 함수로 수렴함을 확인하여 일반화된 스케일링 행동을 입증한다.
• 국소 변형 ∆d의 반경 의존성은 r⁻⁴ 감쇠를 보이며, 3D에서 탄성 회복에 대한 이론적 예측과 일치한다.
• 케이지 점프 군집 크기의 확률 분포는 지수 ≈ -2.5의 거듭제곱 법칙을 따르며, 간헐적이고 애벌레-유사한 연성성을 나타낸다.