Stability of BCC iron screw dislocation core structure; A High-precision DFT calculation

BCC鉄の螺旋転位の構造安定性; 高精度量子計算

板倉 充洋  ; 蕪木 英雄; 山口 正剛   

Itakura, Mitsuhiro; Kaburaki, Hideo; Yamaguchi, Masatake

原子力材料は長年の中性子照射によって硬化する。これは金属材料が折れることなく曲がる塑性変形が、照射による材料変化によって阻害される現象であるが、これを解明するには塑性のメカニズムを原子スケールで明らかにする必要がある。それには塑性変形を担う転位線と呼ばれる格子欠陥がどのように材料内部を動くかを知る必要があり、これは実験で直接観察できないので大規模な量子計算が必要になる。本発表では量子計算によって初めてこの転位の移動に必要なエネルギーを高い精度で定量的に評価したので報告する。大規模な計算が必要という課題の解決にあたっては、新たに考案した境界条件を用い少ない原子数で多数の原子での計算に相当する精度を出すことを可能にしたことが上げられる。これによって転位の動きを定量的にモデル化することが可能となり、照射硬化をシミュレーションで定量評価するための道が開けたと言える。

Irradiation hardening in nuclear structural materials is induced by microstructure change in the material which hinders motion of dislocation. To identify the exact mechanism of irradiation hardening, precise knowledge about dislocation motion in the material is required, but the motion itself can not directly observed in experiments, and large scale quantum mechanical calculation is the only available method. In this presentation we report the first high-precision calculation of migration energy of screw dislocation in BCC iron using plane wave basis and generalized gradient approximation. We also calculated kink formation energy under applied stress using line tension model, and investigated temperature dependence of average screw glide direction. This work enables quantitative simulation of dislocation motion in BCC iron at finite temperature, which will leads to qualitative simulation of irradiation hardening.