Cleavages along {110} in bcc iron emit dislocations from the curved crack fronts

bcc鉄のへき開における曲線き裂先端からの転位射出

鈴土 知明   ; 海老原 健一   ; 都留 智仁   ; 森 英喜*

Suzudo, Tomoaki; Ebihara, Kenichi; Tsuru, Tomohito; Mori, Hideki*

体心立方(bcc)遷移金属である-FeやWは、{110}面の表面エネルギーが最も低いにもかかわらず、{100}面に沿ってへき開割れが起きる。この奇妙な現象のメカニズムを解明するため、人工ニューラルネットワークの手法で作成した原子間ポテンシャルを用いて-Feの曲線のへき開き裂先端の大規模原子シミュレーションと直線のき裂先端の応力拡大係数解析を実施した。その結果、以下の新しい知見が得られた。{110}に沿ったへき開面のき裂先端から転位放出が観測され、そのことは{100}面が実際に起こるへき開面であることを示唆した。しかしながら、単純な直線状のき裂先端解析では、同じ結論は得られなかった。よって、機械的な強度を正しく予測するためには、高精度なポテンシャルを用いて、材料固有の複雑さを十分に捉えた原子論的なモデリングが必要であることが示唆された。本研究で採用した方法は、bcc遷移金属・合金のへき開問題に一般的に適用可能である。

Body-centered-cubic (bcc) transition metals, such as -Fe and W, cleave along the {100} plane, even though the surface energy is the lowest along the {110} plane. To unravel the mechanism of this odd response, large-scale atomistic simulations of curved cleavage cracks of -Fe were conducted in association with stress intensity factor analyses of straight crack fronts using an interatomic potential created by an artificial neural network technique. The study provides novel findings: Dislocations are emitted from the crack fronts along the {110} cleavage plane, and this phenomenon explains why the {100} plane can be the cleavage plane. However, the simple straight crack-front analyses did not yield the same conclusion. It is suggested that atomistic modeling, at sufficiently large scales to capture the inherent complexities of materials using highly accurate potentials, is necessary to correctly predict the mechanical strength. The method adopted in this study is generally applicable to the cleavage problem of bcc transition metals and alloys.