Approaching the universal yield point of bulk metallic glasses from molecular dynamics simulations

分子動力学シミュレーションによる金属ガラスの普遍的降伏点へのアプローチ

Li, J.*; 清水 大志 ; 尾方 成信*; 蕪木 英雄

Li, J.*; Shimizu, Futoshi; Ogata, Shigenobu*; Kaburaki, Hideo

ほとんどの金属ガラスは引張/圧縮試験において約2%の歪で降伏する。この現象について、一般的積層欠陥エネルギーのような格子構造の概念と対比させながら、金属ガラスのせん断変形における基本的な振舞いを注意深く解析することにより、単純かつ直接的な説明がつくことがわかった。われわれは、2元素のモデル系や5元素の金属ガラス系についての分子動力学シミュレーションを実行して、せん断帯の生成及び伝播の解析を行った。その結果、2%強というリーズナブルな降伏歪値が得られた。これは、計算に用いた原子間相互作用の不確定的要素や、変形前の原子配置構造に依存しない。通常、ガラスにおいては極めて緩慢なダイナミクスが系を特徴づけていることが知られているが、せん断帯の挙動については原子振動1-100周期程度の時間スケールで進行する局所的なダイナミクスが重要な役割を担っている。これにより、降伏点の値が原子間相互作用や変形前の原子配置構造に対して鈍感であることを説明することができる。

Most bulk metallic glasses yield at about 2% strain in uniaxial tension/compression tests. A careful analysis of the elementary shear behavior in contrast to crystalline concepts such as the generalized stacking fault energy reveals a simple explanation. We perform molecular dynamics simulations on 2-component model systems and a 5-component BMG system, observing and characterizing the nucleation and evolution of shear bands. Despite gross uncertainties in the interatomic interactions and the predeformation glass structure, our MD results give a reasonable account of the 2% universal yield point. The general concepts of glass rejuvenation and aging, which we call alienation and recovery processes in the context of intense localized shear, and occurring mainly within a timescale of 1-100 atomic vibration periods, is postulated to play a critical role. This mechanistic model can explain why the yield point is relatively insensitive to the interatomic potential and the structure of the pre-deformed glass.