Dynamic interaction between dislocations and obstacles in BCC iron based on atomic potentials derived using neural networks

ニューラルネットワークを用いて構築された原子間ポテンシャルによるBCC鉄における転位と障害物の動的相互作用

森 英喜*; 都留 智仁   ; 奥村 雅彦   ; 松中 大介*; 椎原 良典*; 板倉 充洋  

Mori, Hideki*; Tsuru, Tomohito; Okumura, Masahiko; Matsunaka, Daisuke*; Shiihara, Yoshinori*; Itakura, Mitsuhiro

析出物などの障害物を導入して転位の動きを制御することは、金属の機械的強度を設計するための有力な方法である。転位コアのサイズは1nm以下とナノスケールであるため、転位と障害物の相互作用を調べるには、原子レベルのモデリングが必要である。しかし、従来の経験的ポテンシャルでは十分な精度が得られなかったため、転位と障害物の相互作用の原子レベルでの詳細が解明されていない。そこで、本研究では、人工ニューラルネットワーク(ANN)の枠組みを用い、第一原理計算の高精度を生かした原子ポテンシャルを構築した。構築したANNポテンシャルを用いて、BCC鉄における刃状転位と障害物の動的相互作用を調査した。転位が空隙を横切ると、Bow-out転位では超平滑で対称的な半ループが観察された。らせん転位を除き、ANNを用いて予測されたすべての転位のパイエルス応力は100MPa以下であった。さらに重要なことは、剛体球と転位の相互作用において、オロワンループが形成されることを確認したことである。さらに、オロワンループが剛体球と転位の相互作用の中で、2つの小さなループに分解する現象を発見した。

The introduction of obstacles (e.g., precipitates) for controlling dislocation motion in molecular structures is a prevalent method for designing the mechanical strength of metals. Owing to the nanoscale size of the dislocation core ( 1 nm), atomic modeling is required to investigate the interactions between the dislocation and obstacles. However, conventional empirical potentials are not adequately accurate, in contrast to the calculations based on density functional theory (DFT). Therefore, the atomic-level details of the interactions between the dislocations and obstacles remain unclarified. To this end, this study applied an artificial neural network (ANN) framework to construct an atomic potential by leveraging the high accuracy of DFT. Using the constructed ANN potential, we investigated the dynamic interaction between the edge dislocation and obstacles in BCC iron. When the dislocation crossed the void, an ultrasmooth and symmetric half-loop was observed for the bowing-out dislocation. Except for the screw dislocation, the Peierls stress of all the dislocations predicted using the ANN was less than 100 MPa. More importantly, the results confirmed the formation of an Orowan loop in the interaction between a rigid sphere and dislocation. Furthermore, we discovered a phenomenon in which the Orowan loop disintegrated into two small loops during its interaction with the rigid sphere and dislocation.