[論文レビュー] Brittle to ductile transitions in glasses: Roles of soft defects and loading geometry

David Richard, Edan Lerner+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2021

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 68被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、原子スケールシミュレーションを用いて、軟らかいガラス的欠陥（普遍非フォノン振動スペクトルの係数であるAgで定量化）と荷重形状がガラスの破壊靭性をどのように制御するかを示した。冷却速度はAgに影響し、脆性から延性への転移を引き起こすが、制約付き引張試験では、Agが同一であるガラスは、ポisson収縮が抑制されている限り類似した靭性を示すことが判明し、荷重形状が欠陥の活性化を支配し、結果として機械的応答を決定づけることを証明した。

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.

研究の動機と目的

• ガラスの破壊靭性を決定づける軟らかいガラス的欠陥と荷重形状の役割を理解すること。
• Ag（普遍的振動状態密度D(ω) ∼ ω⁴の非ユニバーサル係数）とχ（剪断率のフラクチュエーション）を用いて、ミクロ的スケールの機械的無秩序を定量化すること。
• 冷却速度、相互作用ポテンシャル、および荷重形状（一軸引張対比して制約付き引張）を変化させた場合の延性および破壊挙動への影響を調査すること。
• 同一Agを有するガラスが異なる荷重条件下で類似した靭性を示すかどうかを検証し、形状の役割を分離すること。
• 軟らかい欠陥と機械的境界条件をマクロな靭性に結びつける、構造-運動-性質の関係を確立すること。

提案手法

• 可変な引力範囲（rc）を持つ調整可能な修正Lennard-Jonesポテンシャルを用いた、モデルガラスの大型分子動力学（MD）シミュレーションを実施。
• 冷却速度˙Tを系統的に変化させ、ガラスの熱歴史を制御することで、Agとχを調整し、組成と相互作用ポテンシャルを一定に保つ。
• 側面制約を加えた場合と加えない場合の両方の引張試験を実施し、ポisson収縮の破壊挙動への影響を分離。
• 次元なしのAgを用いて軟らかい欠陥密度を定量化し、χを用いて剪断率のフラクチュエーションをミクロ的無秩序の指標として用いる。
• 事前にき裂（c = 6）を導入した破壊試験における応力-ひずみ曲線の下側面積として破壊靭性を測定。
• 非アフィンな塑性変形をD²min場を用いて分析し、局所的・拡張的塑性の可視化を行い、破壊モードと相関をとる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却速度（Agを制御する要因）がガラスの脆性から延性への転移にどのように影響するか？
• RQ2 特にポisson収縮を伴う荷重形状が、同一のAgを有するガラスの破壊靭性にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 制約付きおよび非制約付き引張試験下で、同一Agを有するガラスが類似した破壊靭性を示すか？この結果が欠陥活性化のメカニズムに何を示唆するか？
• RQ4 境界条件が異なる条件下で、軟らかい欠陥（Ag）と機械的無秩序（χ）がマクロな靭性とどのように相関するか？
• RQ5 ポisson比νが破壊挙動を決定づける役割を果たすか、また、軟らかい欠陥密度および熱歴史とどのように関連するか？

主な発見

• 冷却速度を低下させることでAgが低下し、脆性から延性への転移が誘発される。これは、軟らかい欠陥密度が塑性を支配することを確認した。
• 非制約付き一軸引張試験では、同一Agを有するガラスの靭性はポisson収縮の程度に依存して異なることが判明し、形状が欠陥活性化を制御することを示した。
• 制約付き引張試験ではポisson収縮が抑制され、同一Agを有するガラスはほぼ同一の破壊靭性を示すことが判明し、Agが一定であれば形状が靭性の変動を決定づけることを証明した。
• 制約付き引張試験下では、Agを変化させることで靭性に顕著な変化が観察され、形状を一定に保つと軟らかい欠陥密度が破壊抵抗を直接制御することが示された。
• 次元なしの靭性が√˜c（き裂長さ）に比例することを確認し、き裂先端における応力の普遍的平方根特異性を裏付けた。
• 熱的老化によりAgが低下し、剪断率が増加する。特に初期のポisson比が最も高いガラスで、最大の剛性上昇が観察され、軟らかい欠陥密度と機械的老化応答の関連を示した。