First-principles study on the mobility of screw dislocations in bcc iron

第一原理計算に基づくbcc鉄らせん転位の移動特性の研究

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。この現象は金属材料の塑性変形が、照射による材料変化によって阻害されるため起こると考えられてきたが、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り、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ため、大規模な量子計算が必須となる。本発表では、量子計算により、初めてこの転位の移動エネルギーを高い精度で定量的に評価したことを報告する。従来ない大規模な計算を行うにあたり、計算体系を量子計算が必要な部分と線形弾性論で近似できる部分に分割することで、効率的計算手法を実現し、さらにこれまで計算されたことのなかった転位線の二次元的運動を初めて計算によって明らかにすることができた。今後は、この成果をもとに、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拓けたと言える。

Irradiation hardening of nuclear materials are caused by lattice defects which hinder the motion of dislocations and thus suppress plastic deformations. To understand the irradiation hardening, the precise knowledge about the dislocation motion inside the material is indispensable. In bcc metals the mobility of dislocations is determined by the atomic structure of the dislocation and thus quantum mechanical calculation is required to estimate the mobility of dislocations. We have devised a new method to calculate the dislocation properties combining linear elasticity theory and quantum mechanical calculations, and also developed a new method to control the two-dimensional motion of dislocation in the simulation. These new methods allowed us to identify the reason why wrong dislocation motion is observed in the current molecular dynamics simulations, and to present a guideline to improve these simulations. This work opened a way for the quantitative simulations of irradiation hardening.