Effect of Sn and Nb on generalized stacking fault energy surfaces in zirconium and hydride habit planes

ジルコニウムの表面及び水素化物晶癖面に及ぼすSnとNbの影響

宇田川 豊  ; 山口 正剛   ; 都留 智仁   ; 阿部 弘亨*; 関村 直人*

Udagawa, Yutaka; Yamaguchi, Masatake; Tsuru, Tomohito; Abe, Hiroaki*; Sekimura, Naoto*

純ジルコニウム及びジルカロイ中に析出する水素化物はそれぞれ柱面,底面に平行な晶癖面を持つことが電子顕微鏡観察により知られている。また水素化物周囲には転位ループが観察され、水素化物形成において一定の役割を果たすと考えられている。合金元素が転位特性を通じて水素化物析出プロセスに及ぼす影響を明らかにするため、密度汎関数法に基づく第一原理計算によりスズ及びニオブを含むジルコニウム結晶の表面を評価した。スズの介在により底面の表面鞍点エネルギ,積層欠陥エネルギはともに著しく減少し、底面上転位の安定化,易動度増加を示唆する結果を得た。一方柱面でこれらのパラメータは増加し、底面と相反する傾向を示した。スズ介在により底面転位の活動が選択的に活発化することで、底面上でのらせん転位芯拡張や水素化物からの刃状転位放出等、底面晶癖水素化物形成に寄与するプロセスが促進されるものと考えられる。

We have investigated the effects of Sn and Nb on dislocation properties in a Zr lattice in order to elucidate the role of these alloying elements in hydride nucleation processes. According to experimental observations, -hydride habit planes are close to the prismatic plane in pure Zr and close to the basal plane in zircaloy. Dislocation loops are observed around hydride precipitates, implying they play a part in hydride formation. Our ab initio generalized-stacking-fault energy calculations showed remarkable effects of Sn on unstable-stacking energy and stacking-fault energy: these parameters for basal slip were considerably reduced while those for prismatic slip were increased in the presence of Sn. These results suggest selective stabilization and enhancement of dislocation spreading in the basal plane, promoting possible elementary processes of hydride precipitation with basal habit plane, i.e. screw-dislocation spreading and edge-dislocation emission in the basal plane.