鉄のらせん転位芯の第一原理計算

First-principles calculations of screw dislocation core in iron

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。さらに本発表では実用鋼の強度評価のために炭素等が多く存在する場合の計算方法を議論し応用について議論する。

Irradiation hardening of nuclear materials are caused by lattice defects which hinder the motion of dislocations and thus suppress plastic deformations. To understand and model the irradiation hardening, the precise knowledge about the dislocation motion inside the material is indispensable. In BCC metals such as iron, the mobility of dislocations is determined by the atomic structure of the dislocation core 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 and investigate the two-dimensional motion of dislocation in the simulation. This work opened a way for the quantitative simulations of irradiation hardening.