[論文レビュー] The Initiation of Shear Band Formation in Deformed Metallic Glasses from Soft Localized Domains

Xinyi Wang, Hao Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 186被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、金属ガラスにおける剪切バンド（SB）形成の原子スケールの始動が、局所的領域のひずみ誘発軟化に起因することを特定し、局所的せん断率率の代理指標としてデバイ・ワラー因子 <u²> を用いて定量的に評価した。主な発見は、SBが、出現する軟化領域内の軟化分布が、元来の非変形界面領域の軟化と一致する際に核生成することであり、これは乱流発生に類似した不安定性を示し、超薄膜では全系が界面的であるためSBは形成されない。

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.

研究の動機と目的

• 金属ガラス（MGs）における剪切バンド（SB）形成の原子スケールの起源を特定すること。これは、その力学的靭性を向上させるために不可欠である。
• 温度効果を考慮した、局所的材料軟化を定量化する強固な指標を開発すること。
• 変形過程における動的不均一性および局所的移動度フラクチュエーションの進化を、特に剪切バンド核生成に関連して調査すること。
• 超薄膜MG膜は、主に界面的であるため、均一な軟化分布を示し、剪切バンド形成を回避できるかどうかを特定すること。
• 剪切バンド核生成と乱流発生との類似性を検討し、集団的粒子運動および渦状ダイナミクスを証拠として用いること。

提案手法

• 局所的せん断率率の定量的代理指標として、キャージング時間スケールにおける原子の平均二乗変位を表すデバイ・ワラー因子 &lt;u²&gt; を用い、局所的せん断率率を推定する。
• ナノスケールの変形および動的挙動を捉えるために、低温下の自由膜状Zr-Cu金属ガラス膜に対して分子動力学（MD）シミュレーションを実施する。
• 軟化指標 &lt;u²&gt; をさまざまなひずみレベルで計算・追跡し、軟化局所領域の出現と進化を特定する。
• 低ひずみ域での &lt;u²&gt; および応力データのノイズ低減を図るため、残留応力を除去するためのプレストレスプロトコルを適用し、データの信頼性を向上させる。
• 動的不均一性の構造およびスケーリングを特徴付けるために、フラクタル次元解析（Rg ~ n^(1/df)）および移動粒子クラスターサイズ分布のべき乗則フィッティングを実施する。
• 剪切バンド領域における渦状の集団的粒子運動および局所的せん断率率分布の可視化により、乱流に類似したダイナミクスを調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剪切バンド核生成が発生する臨界ひずみは何か？ その背後にある軟化状態は何か？
• RQ2 出現する軟化領域内の軟化分布は、非変形界面領域の軟化分布とどのように比較できるか？ その比較はSB形成を予測できるか？
• RQ3 デバイ・ワラー因子 &lt;u²&gt; は、金属ガラスにおける局所的せん断率率および原子スケールの軟化を信頼性高く、温度補正を施した指標として用いることができるか？
• RQ4 なぜ超薄膜金属ガラス膜は剪切バンドを形成しないのか？ その均一な軟化分布は、厚みの大きい膜とはどのように異なるか？
• RQ5 剪切バンド内における集団的・渦状の粒子運動は、乱流流体にどれほど類似しているか？ その動的起源は何か？

主な発見

• 剪切バンド形成は、出現する軟化領域内の軟化分布が、非変形界面領域の軟化と一致する臨界閾値に達した際に開始され、これは普遍的な不安定性条件を示している。
• デバイ・ワラー因子 &lt;u²&gt; は、局所的せん断率率を効果的に推定でき、金属ガラスにおける原子スケールの剛性変動を定量化する強固な温度補正済みの軟化指標として有効である。
• 臨界ひずみに達した際、系は渦状の集団的粒子運動が出現するなど、乱流に類似した遷移を示した。
• 超薄膜（全系が実質的に界面的である）では、軟化が均一に分布しているため、局所的軟化が生じず、剪切バンドは形成されない。
• 内部領域および界面領域の両方における移動粒子クラスタは、フラクタル次元が約2.8であり、フィッシャー指数 tF ≈ 1.5 のべき乗則サイズ分布に従う。これは、自己組織的・スケール不変なダイナミクスを示している。
• プレストレスプロトコルを適用した後、応力および &lt;u²&gt; データのノイズが著しく低減した。これは、クエンチ状態における残留応力が低ひずみ域のフラクチュエーションの原因であったことを確認した。