[논문 리뷰] The Initiation of Shear Band Formation in Deformed Metallic Glasses from Soft Localized Domains

Xinyi Wang, Hao Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 02.

Metallic Glasses and Amorphous Alloys참고 문헌 186인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 금속 유리에서 초점 변형대(이하 SB) 형성의 원자 척도 기원을 국소적 영역의 응력 유도 소프트닝에서 기인함을 규명하며, <u²>로 표현되는 디바이-월러 인자(Debye-Waller factor)를 국소적 비틀림 모odulus의 대체 지표로 사용해 정량화한다. 주요 발견은 SB가 형성되는 조건이, 형성 중인 소프트 영역의 소프트닝 분포가 변형되지 않은 계면 영역의 소프트닝과 일치할 때 발생하며, 이는 난류 발생과 유사한 불안정성으로 해석되며, 전체 시스템이 계면으로서 기능하는 초박공 금속 유리에서는 SB가 형성되지 않는다는 점이다.

ABSTRACT

It has long been thought that shear band (SB) formation in amorphous solids initiates from relatively 'soft' regions in the material in which large-scale non-affine deformations become localized. The test of this hypothesis requires an effective means of identifying 'soft' regions and their evolution as the material is deformed to varying degrees, where the metric of 'softness' must also account for the effect of temperature on local material stiffness. We show that the mean square atomic displacement on a caging timescale <u2>, the 'Debye-Waller factor', provides a useful method for estimating the shear modulus of the entire material and, by extension, the material stiffness at an atomic scale. Based on this 'softness' metrology, we observe that SB formation indeed occurs through the strain-induced formation of localized soft regions in our deformed metallic glass free-standing films. Unexpectedly, the critical strain condition of SB formation occurs when the softness (<u2>) distribution within the emerging soft regions approaches that of the interfacial region in its undeformed state, initiating an instability with similarities to the transition to turbulence. Correspondingly, no SBs arise when the material is so thin that the entire material can be approximately described as being 'interfacial' in nature. We also quantify relaxation in the glass and the nature and origin of highly non-Gaussian particle displacements in the dynamically heterogeneous SB regions at times longer than the caging time.

연구 동기 및 목표

• 금속 유리(MGs)에서 변형대(SB) 형성의 원자 척도 기원을 규명함으로써 기계적 내구성을 향상시키는 데 기여하고자 한다.
• 온도 영향을 고려하고 원자 척도의 강성 변화를 반영하는 국소 소프트닝에 대한 강력한 측정 지표를 개발하고자 한다.
• 변형 과정에서의 동적 이질성과 국소적 이동성 변동의 진화를 연구하며, 특히 변형대 핵형성과의 관련성을 분석하고자 한다.
• 초박공 금속 유리 필름이 주로 계면으로 구성되어 있어 균일한 소프트닝 분포를 가지며, 이로 인해 변형대 형성이 방지되는지 여부를 규명하고자 한다.
• 변형대 핵형성과 난류 발생 간의 유사성을 탐색하며, 집단적 입자 운동과 소용루 형태의 역학을 증거로 삼고자 한다.

제안 방법

• 국소 비틀림 모odulus와 국소 소프트닝을 정량화하는 데 사용되는 디바이-월러 인자 <u²>는 캐이징 시간 척도에서의 평균 제곱 원자 이동을 나타내며, 이를 통해 국소 소프트닝을 측정한다.
• 저온에서 자유 표면 Zr-Cu 금속 유리 필름에 대해 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하여 나노스케일의 변형 및 동역학을 캡처한다.
• 소프트닝 지표 <u²>를 다양한 변형 수준에서 계산하고 추적하여 소프트한 국소 영역의 출현과 진화를 규명한다.
• 저변형 영역에서의 <u²> 및 응력 데이터 노이즈를 줄이고 신뢰성을 향상시키기 위해 잔류 응력을 제거하기 위한 프리-스트레스 프로토콜을 적용한다.
• 이완 영역의 구조 및 척도 특성을 분석하기 위해 반경의 분포(Rg ~ n^(1/df))에 대한 프랙탈 차원 분석과 이동 가능한 입자 클러스터 크기 분포의 파워 법적 피팅을 수행한다.
• 변형대 영역 내에서의 집단적 소용루 형태의 입자 운동과 국소 비틀림 모odulus 분포를 시각화하여 난류 유사 역학을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변형대 핵형성은 어느 임계 변형에서 발생하며, 이를 유도하는 소프트닝 조건은 무엇인가?
• RQ2 형성 중인 소프트 영역의 소프트닝 분포는 변형되지 않은 계면 영역의 소프트닝과 어떻게 비교되며, 이 비교가 SB 형성 예측에 기여하는가?
• RQ3 디바이-월러 인자 <u²>는 금속 유리에서 국소 비틀림 모odulus와 원자 척도 소프트닝을 신뢰할 수 있고 온도 보정이 가능한 지표로 기능할 수 있는가?
• RQ4 초박공 금속 유리 필름은 왜 변형대를 형성하지 못하며, 두꺼운 필름과 비교해 균일한 소프트닝 분포가 어떻게 다를까?
• RQ5 변형대 내에서의 집단적 소용루 형태의 입자 운동은 난류 유사 흐름과 어느 정도 유사하며, 그 역학적 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 변형대 형성은 형성 중인 소프트 영역의 소프트닝 분포가 변형되지 않은 계면 영역의 소프트닝과 일치하는 임계 임계 조건에 도달할 때 시작되며, 이는 보편적인 불안정 조건을 시사한다.
• 디바이-월러 인자 <u²>는 국소 비틀림 모odulus를 효과적으로 추정하며, 금속 유리에서 원자 척도 강성의 강력하고 온도 보정된 소프트닝 지표로 기능한다.
• 임계 변형에서 시스템은 소용루 형태의 집단적 입자 운동이 나타나는 것으로 특징지어지는 난류 유사 전이를 나타낸다.
• 초박공 필름(전체 시스템이 실질적으로 계면으로 기능하는 경우)은 소프트닝이 균일하게 분포되어 국소적 소프트닝이 일어나지 않기 때문에 변형대를 형성하지 않는다.
• 내부 및 계면 영역의 이동 가능한 입자 클러스터는 프랙탈 차원 약 2.8을 보이며, 파워 법칙 크기 분포(Fisher 지수 tF ≈ 1.5)를 따르며, 자가 조직화되고 척도 불변적인 역학을 나타낸다.
• 프리-스트레스 프로토콜 적용 후 응력 및 <u²> 데이터의 노이즈가著 감소하여, 냉각 상태에서의 잔류 응력이 저변형 영역의 변동성 원인임을 확인한다.