Large-scale molecular dynamics simulation of shear band propagation in metallic glass

金属ガラスにおけるせん断帯進展の大規模分子動力学シミュレーション

清水 大志 ; 尾方 成信*; Li, J.*

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

多くの金属ガラスが約2%の単軸引張り歪でせん断帯が観測され破断に至ることは、aged-rejuvenation-glue-liquid(ARGL)せん断帯モデルにより説明できる。原子数2万の分子動力学(MD)シミュレーション及び熱力学的な分析に基づいて提案された本モデルを直接的に検証するため、2千万原子の大規模MDシミュレーションを行った。金属ガラス内では、数十程度の原子集団がせん断変形する領域(STZ)のクラスタがせん断帯の基点となり得る。外部負荷がARGLモデルにより予測された流動応力を越える場合には、せん断帯先端における応力集中やせん断帯の進展、せん断帯中心部の温度上昇と密度降下が観測された。一方で流動応力以下の外部負荷の場合、せん帯が進展せずSTZクラスタは消散した。これらの結果から、MD計算で捉えられるミクロなダイナミクスによる流動応力がマクロな機械的性質を支配することが確かめられた。

The aged-rejuvenation-glue-liquid (ARGL) shear band model has been proposed for bulk metallic glass, based on small-scale molecular dynamics simulations (up to 20,000 atoms) and thermomechanical analysis. The model predicts the existence of a critical lengthscale 100 nm and timescale 100 ps, above which melting transition occurs in shear-alienated glass. Large-scale molecular dynamics simulations with up to 20 million atoms have directly verified this prediction. When the applied stress exceeds the glue traction (computed separately before), we indeed observe maturation of the shear band embryo into bona fide mode-II or III shear crack, accompanied by melting. In contrast, when the applied stress is below the glue traction, the shear band embryo does not propagate, becomes diffuse, and eventually dies. Thus this all-important quantity, the glue traction (a property of shear-alienated glass), controls the macroscopicyield point of well-aged glass.