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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$$epsilon_{rm y}$$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$$tau_inftyapprox Eepsilon_{rm y}/2$$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$$T_{rm g}$$に達するまでの間、準定常摩擦$$tau_{rm glue}$$を越えていなければならない。$$tau_{rm glue}$$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、$$tau_{rm glue}$$からは$$epsilon_{rm y}$$の予測として2.1$$sim$$2.9%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、$$tau_{rm glue} < tau_infty < tau_{rm r}$$の条件下では、温度が$$T_{rm g}$$に向かって上昇し、ESBが発展するのに対し、$$tau_infty < tau_{rm glue}$$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 $$epsilon_{rm y}sim 2%$$. 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 $$tau_infty approx E y/2$$ must exceed the quasi steady-state glue traction glue of shear-alienated glass until the glass-transition temperature $$T_{rm g}$$ is approached internally due to frictional heating, at which point ESB matures asa runaway shear crack. The magnitude of $$tau_{rm glue}$$ 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$$epsilon_{rm y}$$ predictions in the range of $$2.1% - 2.9%$$. Large-scale MD simulations of a binary LJ system reveal ESB as shear transformation zones coalesced. Under the condition $$tau_{rm glue} < tau_infty < tau_{rm r}$$, ESB is seen to develop into mature shear bands with $$T$$ approaching $$T_{rm g}$$, while if $$tau_infty < tau_{rm glue}$$, ESB does not propagate, becomes diffuse, and eventually dies.

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分野:Materials Science, Multidisciplinary

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