[论文解读] Plastic deformation of a model glass induced by a local shear transformation

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

Material Dynamics and Properties参考文献 38被引用 7

一句话总结

本研究通过分子动力学模拟，研究了球形纳米相在可逆局部剪切形变作用下诱导的三维非晶固体中的塑性形变。通过笼子跳跃分析识别出局域塑性事件，并表明形变分布可被摩擦和剪切时间尺度的无量纲参数缩放后，统一归一化为一个通用径向函数，且在弱阻尼或慢剪切速率下表现出更强的塑性行为。

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.

研究动机与目标

• 理解由局部剪切形变触发的非晶固体中塑性形变的机制。
• 分析原子重排（笼子跳跃）的空间分布与局部形变及材料响应之间的关联。
• 研究阻尼（摩擦系数）和剪切形变时间尺度对塑性的影响。
• 确定笼子跳跃密度分布是否可在不同模拟参数下统一归一化为一个通用函数。

提出的方法

• 采用 N = 10,000 个粒子的三维 Koby-Andersen 二元 Lennard-Jones 玻璃进行分子动力学模拟。
• 对约 135 个原子的球形纳米相施加可逆剪切形变：球体 → 椭球体（体积不变）→ 恢复为球体。
• 剪切应变遵循 ǫ(t) = ǫ₀ sin(πt/τᵢ)，其中振幅为 ǫ₀，时间尺度为 τᵢ。
• 采用朗之万动力学，摩擦系数为 Γ，热浴温度为 T = 10⁻² ε/kB，以实现受控弛豫。
• 使用笼子检测算法识别剪切事件前后的大原子位移（笼子跳跃）。
• 计算并缩放笼子跳跃的径向密度分布，以测试其是否可通过无量纲参数实现统一归一化。

实验结果

研究问题

• RQ1 笼子跳跃的空间分布（代表塑性重排）如何依赖于应变幅值？
• RQ2 摩擦系数和剪切形变时间尺度如何影响塑性事件的范围及其径向衰减？
• RQ3 在不同模拟条件下，笼子跳跃密度分布是否可统一归一化为一个通用函数？
• RQ4 笼子跳跃的径向衰减与基体材料的局部形变之间存在何种关系？

主要发现

• 在高应变幅值（ǫ₀ ≥ 0.3）下，通过笼子跳跃可清晰识别出局域塑性事件，其密度分布从纳米相向外呈径向衰减。
• 笼子跳跃密度的径向衰减与基体材料的局部形变强烈相关，表明原子重排与宏观应变之间存在直接关联。
• 对于固定的 ǫ₀，弱阻尼（低 Γ）或较长剪切时间尺度（大 τᵢ）下，塑性形变更显著，表现为笼子跳跃密度增加。
• 当使用依赖于 Γ 和 τᵢ 的无量纲因子缩放后，笼子跳跃密度分布可统一归一化为单一通用函数，证实了通用标度行为的存在。
• 局部形变 ∆d 的径向依赖关系遵循 r⁻⁴ 衰减，与三维弹性弛豫的理论预期一致。
• 笼子跳跃簇大小的概率分布符合幂律分布，指数约为 -2.5，表明塑性行为具有间歇性与级联式特征。