Density functional theory study of solute cluster growth processes in Mg-Y-Zn LPSO alloys

Mg-Y-Zn長周期積層秩序合金の溶質原子クラスタ成長過程の第一原理計算

板倉 充洋  ; 山口 正剛   ; 江草 大佑*; 阿部 英司*

Itakura, Mitsuhiro; Yamaguchi, Masatake; Egusa, Daisuke*; Abe, Eiji*

シンクロ型長周期積層(LPSO)合金において溶質原子クラスタはキンク変形やキンク強化といった特異な塑性に中心的役割を果たす。強化機構を解明にはその原子構造を決定することが必須であるが、クラスタに含まれる格子間原子に関して不明な点が残っていた。本研究では第一原理計算によりクラスタが形成される過程を詳細に調べ、その成長過程で中心付近にある原子が自発的に格子間原子となり、同時に空孔が形成されることを示した。これにより実験で不明であった格子間原子の種類と割合が決定された。更に自発的な空孔形成はこれまで金属材料では知られていない現象であり、これによってLPSO構造の形成が加速されていることを初めて示した。

To predict the distributions of interstitial atoms in the solute clusters in LPSO alloys, and to determine the kind of elements present, it is necessary to identify mechanisms by which interstitial atoms are created. In the present work, we use density functional theory calculations to investigate growth processes of solute clusters, in order to determine the precise atomistic structure of its solute clusters. We show that a pair of an interstitial atom and a vacancy are spontaneously created when a certain number of solute atoms are absorbed into the cluster, and that all full-grown clusters should include interstitial atoms. We also demonstrate that interstitial atoms are mostly Mg, while the rest are Y; interstitial Zn atoms are negligible. This knowledge greatly simplifies the atomistic modeling of solute clusters in Mg-Y-Zn alloys.