Theory of shear banding in metallic glasses and molecular dynamics calculations

金属ガラスのせん断帯に関する理論と分子動力学計算

清水 大志 ; 尾方 成信*; Li, J.*

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

ほとんどの金属ガラス(BMG)において、約2%の単軸歪によりせん断帯が形成される。本論文では、この現象の臨界条件が萌芽的せん断帯(ESB)の進展により、生成にはよらないという理論を提案する。ESBが進展するためには、遠方にて加えられたせん断応力が、疎外化された糊領域の温度が摩擦加熱によってガラス転移温度に達するまでの間、準定常摩擦を越えていなければならない。の大きさは、原子振動と同程度のタイムスケールを持つ極めて高速な散逸プロセスに支配されることから、分子動力学(MD)シミュレーションによって追跡することが可能である。そこでわれわれは4種類のモデル、すなわち2元素のレナードジョーンズ(LJ)モデル系及び埋め込み原子法(EAM)ポテンシャル、5元素のEAMポテンシャルについてのMDシミュレーションを実施した。その結果、原子配置構造及び原子間相互作用が大きく異なるにもかかわらず、からはの予測として2.12.9%の範囲の値が得られた。さらに、LJモデル系についての大規模MDシミュレーションはESBがせん断変形領域(STZ)が合体したものであるということを明らかにした。すなわち、の条件下では、温度がに向かって上昇し、ESBが発展するのに対し、の条件下ではESBは進展せず、最終的には消散する。

Shear bands form in most bulk metallic glasses (BMGs) within a narrowrange of uniaxial strain . We propose this critical condition corresponds to embryonic shear band (ESB)propagation, not its nucleation. To propagate an embryonic shear band, the far-field shear stress must exceed the quasi steady-state glue traction glue of shear-alienated glass until the glass-transition temperature is approached internally due to frictional heating, at which point ESB matures asa runaway shear crack. The magnitude of is governed by recovery, which are extremely fast downhill dissipative processes of timescale comparable to atomic vibrations, which molecular dynamics (MD) simulations can well capture. We model 4 metallic glasses: a binary Lennard-Jones (LJ) system, twobinary embedded atom method (EAM) potential systems, and a quinternary EAM system. Despite vast differences in the structure and interatomic interactions, the glue values from the four MD calculations give predictions in the range of . Large-scale MD simulations of a binary LJ system reveal ESB as shear transformation zones coalesced. Under the condition , ESB is seen to develop into mature shear bands with approaching , while if , ESB does not propagate, becomes diffuse, and eventually dies.