[论文解读] 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 30

一句话总结

本研究识别出金属玻璃中剪切带（SB）形成的原子尺度起始机制，其源于局部区域的应变诱发软化，通过德拜-沃勒因子 <u²> 作为局部剪切模量的代理指标进行量化。关键发现为：当新生软化区域的软化分布与未变形界面区域的软化分布相匹配时，剪切带即开始形核，触发一种类似于湍流起始的不稳定性；在超薄薄膜中，由于整个系统表现为界面行为，剪切带无法形成。

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.

研究动机与目标

• 识别金属玻璃（MGs）中剪切带（SB）形成的原子尺度起源，这对提升其力学韧性至关重要。
• 开发一种稳健的局部材料软化度量方法，可考虑温度效应并捕捉原子尺度的刚度变化。
• 研究动态异质性和局部迁移率涨落在形变过程中的演化，特别是与剪切带形核的关系。
• 确定超薄MG薄膜（主要为界面结构）是否因软化分布的均匀性而避免剪切带形成。
• 探讨剪切带形核与湍流起始之间的类比，以集体粒子运动和涡旋样动力学为证据。

提出的方法

• 使用德拜-沃勒因子 <u²>（代表笼效应时间尺度上的原子平均平方位移）作为局部剪切模量的定量代理，从而表征局部软化度。
• 在低温下对自由悬挂的Zr-Cu金属玻璃薄膜进行分子动力学（MD）模拟，以捕捉纳米尺度的形变与动力学行为。
• 计算并追踪不同应变水平下的软化度量 <u²>，以识别软化局部区域的出现与演化。
• 应用预应力协议以消除残余应力，降低低应变下 <u²> 和应力数据的噪声，提高数据可靠性。
• 通过回旋半径 Rg ~ n^(1/df) 的分形维数分析，以及移动粒子簇大小分布的幂律拟合，表征动态异质性的结构与标度特性。
• 通过可视化涡旋样集体粒子运动和局部剪切模量分布，探究剪切带区域的类湍流动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 剪切带形核发生在何种临界应变？其触发的底层软化条件是什么？
• RQ2 新生软化区域的软化分布与未变形界面区域的软化分布相比如何？该比较是否能预测剪切带形成？
• RQ3 德拜-沃勒因子 <u²> 是否可作为金属玻璃中局部剪切模量和原子尺度软化度的可靠、温度修正的度量？
• RQ4 为何超薄金属玻璃薄膜无法形成剪切带？其软化分布的均匀性与厚膜有何不同？
• RQ5 剪切带中集体的涡旋样粒子运动在多大程度上类似于湍流流动？其动力学起源是什么？

主要发现

• 当新生软化区域的软化分布达到临界阈值并匹配未变形界面区域的软化分布时，剪切带开始形核，表明存在一种普遍的不稳定性条件。
• 德拜-沃勒因子 <u²> 能有效估算局部剪切模量，并作为金属玻璃中原子尺度刚度的稳健、温度修正的软化度量。
• 在临界应变下，系统表现出类似湍流的转变特征，表现为剪切带区域出现相干的涡旋样粒子运动。
• 超薄薄膜（其整个系统可视为界面）不形成剪切带，因为其软化分布均匀，无法实现局部软化。
• 内部与界面区域的移动粒子簇均表现出约 2.8 的分形维数，并遵循具有费希尔指数 tF ≈ 1.5 的幂律大小分布，表明其具有自组织、尺度不变的动力学特性。
• 应用预应力协议后，应力和 <u²> 数据的噪声显著降低，证实淬火态中的残余应力是低应变下波动的根源。