合金元素の変形と破壊への影響に関する第一原理計算

Effects of alloying elements on deformation and fracture; First-principles approach to element strategy

都留 智仁   ; 染川 英俊*; 板倉 充洋  ; 山口 正剛   

Tsuru, Tomohito; Somekawa, Hidetoshi*; Itakura, Mitsuhiro; Yamaguchi, Masatake

マグネシウムは次世代の構造材料として大きなポテンシャルをもっており、様々な構造部材への適用が期待されているが、六方晶構造に起因した欠点を持っている。破断伸びが著しく小さいことが知られているが、これは塑性変形の異方性と双晶境界における破断によるものと考えられる。近年、一部の合金元素の添加によって塑性のびが大きく向上することが報告されているがそのメカニズムは明らかになっていない。そこで、マグネシウムを含む構造材料として用いられるいくつかの六方晶金属の転位芯構造を第一原理計算によって正確に求め、転位運動について検討を行った。その結果、合金元素と転位芯の相互作用が変形挙動に大きな影響を与えることを示した。さらに、双晶境界における合金元素の影響を評価し、希土類などの一部の合金元素はマグネシウムの非底面の転位運動を促進することに加えて界面強化をもたらすことが明らかになった。

Mg alloys have great potential for the next generation of structural materials. Widespread application, however, has been limited because of a key weakness stemming from their hexagonal-close-packed (hcp) crystal structure. Their elongation-to-failure is extremely low due to the strong anisotropy of plastic deformation and decohesion of twin boundary in HCP metals. Recently it has been known that solute atoms alter the plastic deformation dramatically. However, the detailed mechanism is still unclear. We investigated the dislocation core structure of some typical HCP metals and the effects of solute atoms on dislocation core structure and motion in Mg especially. An initial atomic configuration is constructed by solving for the displacement field of the dislocation dipole within a periodic continuum linear elasticity theory. DFT calculations were carried out to explore the stable dislocation core structure.