第一原理計算と実験によるMg合金の界面破壊に関する研究

First-principles and experimental study on interfacial fracture in Mg alloys

都留 智仁   ; 染川 英俊*

Tsuru, Tomohito; Somekawa, Hidetoshi*

Mg合金の破壊現象を理解するため、実験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方法を提案した。また、化学結合が破壊に寄与する影響を詳細に検討し、Zrなどの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。計算によって得られた破壊靱性を向上させる効果が期待できるZrやAgは実験結果とよく一致しており元素戦略による材料設計が有効であることを示した。

Mg alloys are promising candidates for next generation of structural lightweight materials in practical use, especially for transportation equipment in terms of energy and environmental conservation. Based on the assumption of brittle fracture of Mg alloys, the interfacial separation caused by segregated solutes in Mg can be described efficiently by the energy-based criterion of fracture, which is good agreement with the fracture toughness of experimental test for Mg-M binary alloys. The electronic interaction, that is the change in electronic states between interface and surface, dominantly influences the ideal work of separation regardless of the type of interface. We found that d1 and d2 solutes such as Zr have a distinctive hybridization between p-band of Mg and d-band of solutes, which characterizes a strong fracture toughness of Zr-doped Mg alloys in both calculations and experiments.