[论文解读] 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 31

一句话总结

本研究通过原子尺度模拟表明，软玻璃缺陷（以非通用振动谱的前因子 Ag 表征）和加载几何形状均对玻璃的断裂韧性具有决定性影响。尽管冷却速率会影响 Ag 并可引发脆性到延性的转变，但在受约束拉伸条件下，当 Ag 保持不变时，玻璃的韧性仍相近，这证明加载几何形状控制缺陷激活，从而决定其力学响应。

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.

研究动机与目标

• 理解软玻璃缺陷与加载几何形状在决定玻璃断裂韧性中的作用。
• 通过 Ag（非通用振动态密度 D(ω) ∼ ω⁴ 的非通用前因子）和 χ（剪切模量涨落）量化介观尺度的力学无序性。
• 研究改变冷却速率、相互作用势及加载几何形状（单轴拉伸与受约束拉伸）对塑性和断裂行为的影响。
• 检验在不同加载条件下，具有相同 Ag 的玻璃是否表现出相似的韧性，从而隔离几何形状的作用。
• 通过将软缺陷与力学边界条件关联至宏观韧性，建立玻璃的结构-动力学-性能关联。

提出的方法

• 采用可调谐的改进 Lennard-Jones 势（可变吸引范围 rc）对模型玻璃进行大规模分子动力学（MD）模拟。
• 系统调节降温速率 ˙T 以控制玻璃的热历史，从而调节 Ag 和 χ，同时保持成分与相互作用势不变。
• 施加单轴拉伸（有无侧向约束）以分离泊松收缩对断裂行为的影响。
• 利用无量纲的 Ag 量化软缺陷密度，利用 χ 量化剪切模量涨落，作为介观无序性的度量。
• 通过预存在裂纹（c = 6）的断裂测试中应力-应变曲线下的面积来测量断裂韧性。
• 通过 D²min 场分析非协调塑性变形，以可视化局部与扩展型塑性，并与失效模式相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 控制 Ag 的冷却速率如何影响玻璃的脆性到延性的转变？
• RQ2 加载几何形状——特别是泊松收缩——在多大程度上调节具有相同 Ag 的玻璃的断裂韧性？
• RQ3 在无约束与受约束拉伸条件下，具有相同 Ag 的玻璃是否表现出相似的断裂韧性？这揭示了缺陷激活的何种机制？
• RQ4 在不同边界条件下，软缺陷（Ag）与力学无序性（χ）如何与宏观韧性相关联？
• RQ5 泊松比 ν 在决定断裂行为中起什么作用？其与软缺陷密度及热历史有何关联？

主要发现

• 降低冷却速率可降低 Ag，并引发脆性到延性的转变，证实软缺陷密度主导塑性行为。
• 在无约束单轴拉伸下，具有相同 Ag 的玻璃其韧性因泊松收缩程度不同而异，表明几何形状控制缺陷激活。
• 受约束拉伸消除了泊松收缩，揭示出具有相同 Ag 的玻璃具有几乎相同的断裂韧性，证明当 Ag 固定时，几何形状本身即可解释韧性差异。
• 在受约束拉伸条件下，改变 Ag 会显著影响韧性，表明当几何形状固定时，软缺陷密度可直接控制断裂抗力。
• 无量纲韧性与 √˜c（裂纹长度）成比例，证实裂纹尖端应力的普遍平方根奇异性。
• 热老化会降低 Ag 并提高剪切模量，其中初始泊松比最高的玻璃表现出最大的刚化效应，将软缺陷密度与力学老化响应联系起来。