Molecular dynamics simulations of phosphorus migration in a grain boundary of -iron

鉄の粒界中におけるリン移動の分子動力学シミュレーション

海老原 健一   ; 鈴土 知明   

Ebihara, Kenichi; Suzudo, Tomoaki

リンは鉄鋼材料において粒界脆化を引き起こす元素として知られている。さらに、照射による空孔や格子間原子の増加によってリン原子の粒界偏析が促進される。このことから、照射量や温度に対する粒界リン偏析量を評価するため、原子レベルの素過程に基づく拡散レート理論モデルを開発している。しかし、このモデルでは、粒界でのリンのトラップ及びデトラップモデルが適切に取り込まれていないため、実験結果と直接比較できる量を計算できない。本研究では、粒界からのデトラップを考察するため、鉄中の3対称傾角粒界内におけるリンの移動を分子動力学でシミュレーションした。また、移動するリン原子を追跡し、その拡散障壁エネルギーを評価した。その結果、拡散障壁エネルギーは粒界の鉄原子の隙間の偏析サイトの偏析エネルギーと同程度であり、粒界中の鉄原子の間を移動することが分かった。これは、デトラップ過程をモデル化するための1つの知見を与えると考えられる。

Phosphorus (P) is known as an element which causes grain boundary (GB) embrittlement in steels. In addition, GB P segregation is promoted by the increase of vacancies and self interstitial atoms due to irradiation. Thus, the diffusion rate theory model for estimating irradiation-induced GB P segregation has been developed based on the atomic processes. Since the present model does not include the trapping and de-trapping processes at GBs, however, it cannot calculate the value which is directly compared with experimental results. In this study, we simulated the migration of a P atom in the 3(111) symmetrical tilt GB. In addition, by tracking the migration of the P atom, the diffusion barrier energy was evaluated. As a result, the diffusion barrier energy was almost the same as the P segregation energy of an interstitial site in the GB, and it was found that P atoms migrate via interstitial sites in the GB.