Atomistic study on the cross-slip process of a screw dislocation in magnesium

マグネシウムらせん転位の交叉すべりの原子論的研究

板倉 充洋 ; 蕪木 英雄; 山口 正剛  ; 都留 智仁  

Itakura, Mitsuhiro; Kaburaki, Hideo; Yamaguchi, Masatake; Tsuru, Tomohito

マグネシウムは軽量で強度があり構造材料としての高いポテンシャルを持っているが結晶構造の対称性の低さから特定の方向にのみ変形する性質があり加工が困難である。近年様々な元素を添加することでこの性質を改善する研究が各国において産学連携で進められ競争状態にある。本課題はこれまで鉄の転位の第一原理計算を行ってきた経験を活かし、計算科学研究の進んでいないマグネシウムについて研究を開始したものである。これまでマグネシウムの変形を担う転位の性質はその安定構造が第一原理計算で求められていたのみで、その移動の性質は不明であった。本研究では転位の構造とその移動を同時にコントロールする手法を新たに開発し、移動に必要なエネルギーを構造変化を考慮に入れた上で計算することに成功した。その結果、必要なエネルギーの大部分は構造変化のエネルギーであり、構造変化した後は転位が容易に移動することが分かった。この計算手法は同じ六方晶系の燃料被覆管用ジルコニウム合金へも適用可能である。

The cross-slip process of a screw dislocation from the basal to the prismatic plane in magnesium was studied using the density functional theory and the molecular dynamics calculations. An atomistic method for calculating the total Peierls energy map has been devised to track the transition path of a dissociated and/or constricted screw dislocation in the cross-slip process. The barrier of a screw dislocation from the basal to the prismatic plane is estimated by the density functional theory for the first time. The activation enthalpy for the cross slip is calculated using a line tension model based on the density functional theory to be 1.4 to 1.7 eV, which is in reasonable agreement with experiments. On the basis of the results, the effect of temperature on the cross-slip process of the dissociated screw dislocation on the basal plane is studied in detail using the molecular dynamics method.