Local von Mises stress change in CuZr metallic glass as an indicator of the stress response

応力応答の指標としてのCuZr金属ガラスの局所フォンミーゼス応力変化

Lobzenko, I.   ; 都留 智仁   ; 椎原 良典*; 岩下 拓哉*

Lobzenko, I.; Tsuru, Tomohito; Shiihara, Yoshinori*; Iwashita, Takuya*

金属ガラス(MG)の力学的性質の起源を明らかにすることは長年の課題である。金属ガラスは、外部からのひずみに対して、原子集団運動の活性化によって応答するが、そのような運動の引き金は、結晶中のよく定義された転位とは対照的に、まだ明らかにされていない。本研究では、金属ガラスのせん断ひずみに対する応力応答を示す重要な局所パラメータの一つとして、原子のフォンミーゼス応力の変化を明らかにした。Cu50%Zr50%の組成で4種類のランダムな構造を作製し、0.5から8.0%のせん断ひずみを加えた条件において、第一原理による原子応力計算を実施した。その結果、弾性挙動から著しく逸脱した挙動を示すこと、原子フォンミーゼス応力と応力行列のxy成分を比較することにより、前者がより良いパラメータであることがわかった。原子フォンミーゼス応力の変化が示すように、xyせん断ひずみは他のせん断成分における原子応力応答を引き起こすと推定される。発表では、電荷移動、原子変位、原子ひずみなどの他の局所パラメータについても議論する。

Revealing the origin of the mechanical properties of metallic glasses (MG) is a long-standing problem. MGs respond to the external strain with the activation of collective atomic motion, but the triggers of such motions are not revealed yet, in contrast to the well-defined dislocations in crystals. In the present study we show that the change of atomic Von Mises stress is one of the key local parameters to indicate the stress response to a shear strain in metallic glass. Four random Cu50Zr50 structures were prepared in first-principles molecular dynamics cooling process. Structures were then put under the shear strain from 0.5 to 8.0%. To study this collective atomic response in detail, we use the atomic stress calculations in the first-principles framework. We analyze the system's transformation between the affine and relaxed states and find a significant deviation from elastic behavior. By comparing atomic Von Mises stress to the xy component of the stress matrix we show that the former surves as a better parameter. As the atomic Von Mises stress change indicates, the xy shear strain invokes atomic stress response in other shear components. Other local parameters, such as charge transfer, atomic displacements, and atomic strain, are also discussed.