Interfacial segregation and fracture in Mg-based binary alloys; Experimental and first-principles perspective

Mg基二元系合金の界面偏析と破壊; 実験と第一原理計算による展望

都留 智仁   ; 染川 英俊*; Chrzan, D. C.*

Tsuru, Tomohito; Somekawa, Hidetoshi*; Chrzan, D. C.*

溶質元素による金属の破壊現象を理解するため、Mg合金に対して実験と破壊力学理論と第一原理計算の連携による検討を行った。Mg二元系合金の破壊を極めて脆性的であると仮定し、粒界や双晶境界の破壊をエネルギーベースの基準で評価することによって第一原理計算を有効に適用することを可能にした。また、化学結合が破壊に寄与する影響を詳細に検討し、IIIBやIVB族元素が破壊抵抗を向上する効果を有することを体系的に明らかにした。これまでに知られていない元素であるZrが破壊靱性を向上させるという実験結果とよく一致しており、計算科学を用いた元素戦略による材料設計が有効であることを示した。

We investigated the effect of solute elements on interfacial segregation and fracture in Mg alloys by experiments and first-principles density functional theory calculations in conjunction with interfacial fracture mechanics. Based on the assumption of brittle fracture in Mg alloys, the interfacial separation caused by segregated solutes in Mg can be efficiently described by the energy-based criterion of fracture, which is in good agreement with the fracture toughness obtained by experimental tests of Mg-M binary alloys. The electronic interaction, that is, the change in the electronic state between the interface and surface, mainly influences the ideal work of separation regardless of the type of interface. We found that IIIB () and IVB () solutes, such as Zr, show distinctive hybridization between the p band of Mg and the d band of the solute, which characterizes the strong fracture toughness of Zr-doped Mg alloys in both the calculations and experiments.