アモルファス材料は、塑性変形パラメータの観点から「双晶」であることが判明しました

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Anonim
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コンピューター上でシミュレートされた2次元の粒状システム。充填密度が低下した領域は緑色で示され、塑性変形中の特定の時間に構造が再構築された領域は赤色で示されます。

アモルファス構造のすべての固体システムでは、塑性変形(特に弾性限界での変形)を表す機械的パラメータは普遍的であることが判明しました。これは、原子レベルから巨視的レベルまでのさまざまなシステムの実験データとコンピューターシミュレーションデータを比較することにより、材料科学者によって発見されました。 Scienceに掲載された記事で、科学者は彼らの発見を説明し、塑性変形下でのそのような材料の挙動を説明するための構造再構築モデルを提案しています。

固体の結晶(金属など)が伸び始めると、最初は弾性変形が現れますが、外力を取り除くと完全に消えます。もう少し伸ばすと、弾性変形に加えて、塑性変形が発生します。弾性のものとは異なり、それらは完全に復元されておらず、それらの存在は材料の構造の変化に関連しています。結晶の場合、塑性メカニズムは欠陥、主に転位の形成に関連しており、負荷が増加すると、材料全体に伝播して成長し始めます。ガラス(規則正しい結晶構造を持たないアモルファス材料)の場合、流動性による塑性変形も可能ですが、これは構造欠陥の形成にはつながりません。材料の粒子は単に材料内で再配列し始めます。 。この場合、強い衝撃によるアモルファス固体材料(セラミックとアモルファス金属など)は、単純に壊れて別々の破片に砕ける可能性があります。

ペンシルベニア大学のAndreaJ。Liuが率いる米国とフランスの材料科学者は、塑性変形中にガラス状材料の構造に正確に何が起こるかを確認しました。変形はどこから始まり、構造が壊れたときに何が起こるかを確認しました。これを行うために、科学者は、外力のために構造が再構築され始めたばかりの瞬間に、無秩序なシステムを調べました。現時点でのこの再構築の中心は非常に小さく、システムのボリューム全体に均等に分散されています。彼らの研究では、科学者は実験とコンピューターシミュレーションの両方を使用して得られた非常に多数の固体アモルファスシステムのデータを検討しました。調査したシステムには、アモルファスカーボン、酸化ケイ素、金属ガラス、有機ガラス、気泡の配列、水泡、粒状システム(川の底の石など)が含まれていたため、これらのシステムの一部のサイズが異なりました。 7桁、機械的強度-すぐに13桁。

このようなシステムにおける個々の粒子または原子間の相互作用は、非常に異なる性質を持っています。アモルファス材料では、これらは共有結合または金属結合の力、ファンデルワールス力であり、より大きなシステムでは、表面張力、静電力、重力です。したがって、それらの中に再注文センターが出現する理由も異なります。このようにさまざまな相互作用が考えられるにもかかわらず、外部負荷の下での粒子の再配列のメカニズムはほぼ同じように発生することが判明しました。

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3次元および2次元の粒状システムをモデル化して得られた粒子の「柔らかさ」マップ

システムが流れ始めた瞬間のシステムの状態を説明するために、科学者は構造再構築の新たな中心の数を決定し、それを巨視的な塑性変形と関連付けました。研究の著者は、そのようなシステムの変形が粒子の「柔らかさ」によって決定されるモデルを提案しました-それらの直接の環境がどれだけそれらを動かすことができるか、そしてそれがそのような環境でどれほど自由に「感じる」か。アモルファス結晶の「最も柔らかい」粒子は、固体結晶の転位に似ており、さらなる塑性変形の中心となるのはそれらです。いくつかのそのような中心が互いに十分に近い場合、これはせん断線の出現と固体の構造の再配置につながります。この場合、転位のように、それらのすべてが変形につながるのではなく、一部だけになりますが、「最も柔らかい」中心で再配列が始まる可能性が高くなります。

これらの効果を定量的に特徴づけるために、研究されたシステムのそれぞれについて、科学者は弾性限界(ガラス(または他の無秩序なシステム)が塑性変形し始める応力)をヤング率(弾性の応力と変形の間の比例係数)と比較しました領域。

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研究されたすべての無秩序な固体システムのヤング率に対する弾性限界の依存性(両方の軸に沿って、スケールは対数です)

すべての材料で、弾性限界とヤング率の比率は同じであることがわかりました。これは、物体が同じ張力で塑性変形し始めることを意味します。すべてのシステムのこの伸びは約2.9%でした。結晶性材料の場合、そのような特性の普遍性は観察されておらず、なぜそれが無秩序な構造に存在するのかはまだ不明です。発見された効果の理由の1つは、科学者が構造再配列の同じメカニズムを呼び出します。これは、システム内の「柔らかい」粒子の数を増やし、その後せん断線を形成することで説明できます。

研究の著者によると、発見されたパターンとその説明のために提案されたモデルは、ガラスの機械的特性をより正確に予測し、より耐久性があり、より強力なアモルファス固体材料を得るのに役立ちます。

アモルファス体の塑性のメカニズムとは対照的に、金属の塑性は、主に実験的に非常によく研究されてきました。最近、タンタルの転位の伝播と成長は、コンピューター上で明示的な形式で正常にモデル化されました。計算は、最も強力なコンピューティングセンターの1つで分子動力学法を使用して実行されました。

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