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Molecular dynamics study of phosphorus migration in $$Sigma$$3(111) and $$Sigma$$5(0-13) grain boundaries of $$alpha$$-iron

$$alpha$$鉄の$$Sigma$$3(111)及び$$Sigma$$5(0-13)粒界中におけるリン移動の分子動力学による研究

海老原 健一  ; 鈴土 知明 

Ebihara, Kenichi; Suzudo, Tomoaki

鉄鋼中のリン原子は、熱や照射の効果によって粒界に集まり粒界脆化を引き起こす。そのため、さまざまな温度及び照射条件での粒界におけるリン偏析の数値的予測は、脆化の防止に対して重要である。$$alpha$$鉄における粒界リン偏析のモデルを開発するため、本研究では、2種類の対称傾角粒界($$Sigma$$3[1-10](111), $$Sigma$$5[100](0-13)粒界)におけるリン原子の移動を分子動力学シミュレーションを使って考察した。その結果、$$Sigma$$3[1-10](111)粒界では、リン原子は主に格子間原子状態で三次元的に移動し、$$Sigma$$5[100](0-13)粒界では、主に空孔との位置交換で一次元的に移動することが分かった。さらに、リン原子及び空孔の粒界からのデトラップについても調査した。

Phosphorus atoms in steels accumulate at grain boundaries via thermal and/or irradiation effects and induce grain boundary embrittlement. Quantitative prediction of phosphorus segregation at grain boundaries under various temperature and irradiation conditions is therefore essential for preventing embrittlement. To develop a model of grain boundary phosphorus segregation in $$alpha$$-iron, we studied the migration of a phosphorus atom in two types of symmetrical tilt grain boundaries ($$Sigma$$3[1-10](111) and $$Sigma$$5[100](0-13) grain boundaries) using molecular dynamics simulations with an embedded atom method potential. The results revealed that, in the $$Sigma$$3 grain boundary, phosphorus atoms migrate three-dimensionally mainly in the form of interstitial atoms, whereas in the $$Sigma$$5 grain boundary, these atoms migrate one-dimensionally mainly via vacancy-atom exchanges. Moreover, de-trapping of phosphorus atoms and vacancies was investigated.

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