First-principles analysis of the effects of oxygen, vacancies, and their complexes on the screw dislocation motion in body-centered cubic Nb

BCC Nbの酸素,空孔および複合体のらせん転位運動への影響に関する第一原理計算

都留 智仁   ; Lobzenko, I.   ; 尾方 成信*; Han, W.-Z.*

Tsuru, Tomohito; Lobzenko, I.; Ogata, Shigenobu*; Han, W.-Z.*

体心立方耐熱金属において、ある種の溶質原子は硬化と脆化を誘発する。特に格子間酸素はNbに劇的な硬化をもたらし、酸素を添加したNb合金の降伏応力は純Nbの2倍以上になる。この酸素による劇的な硬化は、転位と酸素の相互作用が比較的弱いため、従来のメカニズムでは説明できない。本研究では、らせん転位と酸素、空孔との3体相互作用に着目した。第一原理計算の結果、酸素と転位の相互作用は斥力であるが、空孔と酸素のペアが形成されると、らせん転位との引力相互作用が強まることが明らかになった。さらに、この特徴は、Nb中の酸素の特異な性質であることがわかった。空孔と酸素のペアは、孤立した空孔と酸素の格子間よりも転位運動のエネルギー障壁をより大きく増加させる。この過程において、酸素のユニークな八面体-四面体シャッフリングプロセスが劇的な硬化に支配的に寄与しているという、新しいメカニズムを発見した。このように、酸素添加BCC合金では、広く分布する空孔-酸素対が転位運動の強力な障害物として振る舞い、損傷蓄積と連続的な硬化を引き起こす。

Some solute atoms induce hardening and embrittlement in body-centered-cubic refractory metals. Especially interstitial oxygen has a dramatic hardening effect in Nb, where the yield stress of oxygen-doped Nb alloys becomes more than twice as high as that of pure Nb. Conventional mechanisms cannot explain the oxygen-induced dramatic hardening since the interaction between dislocation and oxygen is relatively weak. Here, we focused on the three-body interaction of a screw dislocation with oxygen and vacancy. Our first-principles calculations revealed that the formation of vacancy-oxygen pair enhances the attractive interaction with a screw dislocation though the interaction between oxygen and dislocation is repulsive. Furthermore, this feature was found to be a unique nature of oxygen in Nb. The vacancy-oxygen pair increases the energy barrier for dislocation motion more significantly than an isolated vacancy and oxygen interstitial. We have discovered a new oxygen-induced mechanism: a unique octahedral-tetrahedral shuffling process of oxygen dominantly contributes to the dramatic hardening. Thus, the widely distributed vacancy-oxygen pairs behave as strong obstacles for dislocation motion that causes damage accumulation and successive hardening in oxygen-doped BCC alloys.