Atomistic investigation of structural changes and reaction energy induced by dislocation-grain boundary interaction process in fcc aluminum and bcc iron

fccアルミニウムとbcc鉄に対する転位と粒界の相互作用過程における構造変化と反応エネルギーの原子論的研究

都留 智仁   ; 渋谷 陽二*; 加治 芳行  

Tsuru, Tomohito; Shibutani, Yoji*; Kaji, Yoshiyuki

金属材料において、結晶粒の微細化によって転位の運動を阻害することがマクロな結晶金属の強化の方法として広く行われてきた。その一方で、粒界部の転位の蓄積によって生じる応力集中は応力腐食割れ(SCC)の大きな要因となるといわれている。しかしながら、その変形メカニズムについての詳細な説明はなされておらず、実験によって転位の運動を直接観察することは困難である。また、変形に対する粒界の影響は結晶粒径だけでなく結晶粒の形状や粒界の種類によって異なるため、転位と粒界の相互作用の基礎的なメカニズムを理解することはますます重要になると考えられる。本研究では、までの対応粒界について粒界エネルギーを原子論的手法を用いて詳細に評価し、状態遷移弾性バンド法によって傾角粒界を対象に転位と粒界の相互作用に関するエネルギー的評価を行った。その結果、各対応粒界における粒界エネルギーと粒界による堆積増分に相関関係があり、転位は粒界と相互作用する際にPeierlsポテンシャルに比べて非常に大きな活性化エネルギーを必要とすることがわかった。

Interaction process of grain boundary and dislocation is one of the most important factors in the materials. Dislocations are successively piled up beside the grain boundary planes and they produce stress concentration which becomes a dominant stress factor of stress corrosion cracking (SCC). However, detailed mechanisms of the interaction between these processes and their influence on plastic behavior have yet to be definitively determined. In the present study, fundamental properties of the CSL grain boundaries and grain boundary-dislocations process are investigated by atomistic simulations. Then nudged elastic band (NEB) are performed to evaluate activation energy and minimum energy path in the interaction process of dislocation and CSL. As a result, it is found that there is a strong correlation between grain boundary energy and excess free volume, and that the stable grain boundary can be high energy barrier to grain boundary-dislocation interaction.