離散転位力学解析と転位の弾性エネルギーに基づくナノインデンテーションにおける変位バースト現象と転位の集団挙動の評価

An Evaluation of nanoindentation-induced displacement burst and collective dislocation motion based on discrete dislocation mechanics and elastic energy of dislocations

都留 智仁   ; 渋谷 陽二*

Tsuru, Tomohito; Shibutani, Yoji*

近年、耐応力腐食割れ(SCC)性に優れた低炭素ステンレス鋼を用いたBWRの炉心シュラウドや再循環系配管においてもSCCが発生することが観察されている。この低炭素ステンレス鋼のSCCは、材料表面の加工硬化層から粒内型SCCとして発生し、材料内部では粒界型SCCとして進展することが実験的に確認される一方、その詳細なメカニズムは明らかになっていない。ナノインデンテーションは、ナノスケールの精度で圧子を押込むことで局所的な特性を測定することが可能であり、照射材などの原子力材料に対しても応用がなされている。結晶材料の押込み挙動として「変位バースト現象」が観察されているが、このようなナノスケールの変形を理解することは、き裂進展やマクロな破壊の基礎的なメカニズムを研究するうえで非常に重要になると考えられる。本研究では、三次元離散転位動力学法(DD)と、重ね合わせの原理に基づいた境界要素法(BEM)との連結手法によるマルチスケールモデル、及び古典転位論に基づく数理モデルを構築し、変位バースト現象を転位論的に理解することを目的とする。その結果、変位バーストは、転位の生成と同時に表面側に射出される転位双極子による表面ステップによって引き起こされ、バースト時には数百もの転位が同時に射出されることが定量的に確認された。

Abrupt growth of displacement observed in the relationship between indent load and indent depth in nanoindentation of crystalline materials, so-called displacement burst, has been recognized as one of the representative examples for the nanoplastic behavior. This behavior corresponds to the early stage of the plastic deformation and has greatly been influenced by the collective dislocation emission. In the present paper, we construct two models; first one is the computational model of dislocation mechanics, and second one is simplified energetic model of the first displacement burst. As the result of these models, it is found that surface step corresponding to each dislocation causes significant displacement burst and that more than one hundred high-density dislocations are emitted simultaneously.