Origin of tension-compression asymmetry in ultrafine-grained fcc metals

超微細粒材料の引張/圧縮非対称性の起源

都留 智仁   

Tsuru, Tomohito

結晶粒が1ミクロン以下の超微細粒(UFG)金属では、通常の粗大粒材料にはない特異な力学特性が発現することが知られている。筆者はこれまで、UFG金属で見られるHall-Petch関係を越える強化機構やBauschinger効果のメカニズムを原子シミュレーションを用いて検討してきた。本論文では、Alなどの一部の金属で微細粒化によって生じる引張/圧縮異方性について着目し、転位論による理論的なメカニズムの解明と原子シミュレーションによる検証を行った。その結果、降伏応力の大きな微細粒材料では引張り応力が積層欠陥エネルギーを大きく低下させることによって転位の拡張を促し、引張/圧縮異方性は粒界からの転位生成が引張りによって促進されることにより生じることを明らかにした。

A new mechanism of anomalous tension/compression (T/C) asymmetry in ultrafine-grained (UFG) metals is proposed using large-scale atomistic simulations and dislocation theory. Unlike coarse-grained metals, UFG Al exhibits remarkable T/C asymmetry of the yield stress. The atomistic simulations reveal that the yield event is not related to intragranular dislocations but caused by dislocation nucleation from the grain boundaries (GBs). The dislocation core structure associated with the stacking fault energy in Al is strongly affected by the external stress compared with Cu; specifically, high tensile stress stabilizes the dissociation into partial dislocations. These dislocations are more likely to be nucleated from GBs and form deformation twins from an energetic viewpoint. The new mechanism, which is completely different from well-known mechanisms for nanocrystalline and amorphous metals, is unique to high-strength UFG metals and can explain the difference in T/C asymmetry between UFG Cu and Al.