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論文

水素分配制御によるアルミニウム合金の力学特性最適化

戸田 裕之*; 山口 正剛; 松田 健二*; 清水 一行*; 平山 恭介*; Su, H.*; 藤原 比呂*; 海老原 健一; 板倉 充洋; 都留 智仁; et al.

鉄と鋼, 105(2), p.240 - 253, 2019/02

 パーセンタイル:100(Metallurgy & Metallurgical Engineering)

本レビューでは、高強度アルミニウム合金の水素脆化に関する研究活動、特に様々なトラップサイトでの水素トラップとそれによる水素脆化への影響に焦点を当てて報告する。高亜鉛濃度Al-Zn-Mg合金において、高分解能TEM法による析出物のナノ構造及び界面構造の分析や、高分解能X線マイクロトモグラフィー技術による詳細な破壊マイクロメカニズムとマイクロ構造-破壊特性関係の調査がなされ、さらに、ごく最近実現された超高分解能X線顕微鏡により特徴的な局部的変形、亀裂の発生・成長が観察されている。また、第一原理シミュレーションによる数々の水素トラップサイトのトラップエネルギー導出を元に、変形・破壊中の水素再分配が解析された。水素の再分配と3つの異なるミクロ機構による水素脆化との間の関係を論じ、水素脆化が起こるための現実的な条件を説明する。

論文

First-principles calculation of multiple hydrogen segregation along aluminum grain boundaries

山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋; 都留 智仁; 松田 健二*; 戸田 裕之*

Computational Materials Science, 156, p.368 - 375, 2019/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:15.49(Materials Science, Multidisciplinary)

金属の応力腐食割れメカニズム解明を目的として、アルミニウム結晶粒界に対する水素偏析の影響を第一原理計算により調べた。水素の溶解度が高い場合には、高エネルギー粒界には水素の偏析が可能であることが分かった。またアルミニウム粒界には水素が大量に偏析可能であり、それとともに粒界が膨張することで電子密度が低下していき、その結果粒界の凝集エネルギーが大きく低下することが分かった。

論文

アルミニウムのポア内表面における水素解離吸着と表面エネルギー低下

山口 正剛; 都留 智仁; 海老原 健一; 板倉 充洋

軽金属, 68(11), p.588 - 595, 2018/11

アルミニウム合金中の水素が力学特性に与える影響を把握するには、水素の存在状態を理解することが必要である。そのため、アルミニウム中のポア内表面における水素解離吸着とそれによる表面エネルギー低下について、統計熱力学的取り扱いとともに、第一原理計算や実験データを参考にした具体的な数値データを示した。理想気体からのずれも取り入れた。実験的には不明な解離吸着エネルギーが0.0-0.1eV/atomHの範囲とすると、室温で圧力100MPaの高圧水素ガスに対して、表面吸着占有率は0.08-0.8程度、表面エネルギー低下は1-13%程度になるという見積り結果となった。

論文

数値シミュレーションによるアルミニウムの水素昇温脱離曲線の解釈

海老原 健一; 山口 正剛; 都留 智仁; 板倉 充洋

軽金属, 68(11), p.596 - 602, 2018/11

水素脆化は応力腐食割れの原因の1つとして考えられている。鉄鋼材料と同様に高強度アルミニウム合金の開発では水素脆化は重大な問題となっている。アルミニウム合金における水素脆化の研究は鉄鋼材料における水素脆化機構の解明に示唆を与えると考えられる。水素脆性を理解するためには、合金中の水素トラップ状態を知ることは避けられず、それは水素の熱脱離分析法を用いて同定することができる。本研究では、円筒状試料および板状試料について報告されたアルミニウム中の水素の熱脱離スペクトルを数値シミュレーションし、それらに含まれる脱離ピークをトラップサイト濃度およびトラップエネルギーに基づいて解釈した。その結果、最低温度側の脱離ピークは粒界から生じることが明らかとなり、他の脱離ピークは報告された解釈が合理的であることが確認された。さらに、試料を加熱する過程で転位や空孔のトラップサイト濃度が変化する可能性を示す結果を得た。この結果は、鉄鋼材料において昇温脱離曲線から水素トラップ状態を解釈する上で有意な示唆を与えるものである。

論文

Effects of stacking fault energies on formation of irradiation-induced defects at various temperatures in face-centred cubic metals

中西 大貴*; 川畑 友弥*; 土井原 康平*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 鈴木 克幸*

Philosophical Magazine, 98(33), p.3034 - 3047, 2018/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

原子炉内部で使用されるオーステナイト鋼は積層欠陥エネルギーが低いことで知られ、そのため積層欠陥を伴う照射欠陥クラスタが大きくなることが予想される。この傾向を定量評価するため、FCC金属のモデルポテンシャルにおいて積層欠陥エネルギーだけを変化させたものを用い照射欠陥生成の分子動力学シミュレーションを様々な温度において実行し、生成した照射欠陥クラスタの種類と数を調べた。その結果移動可能な格子間原子クラスタの生成数が積層欠陥エネルギーとともに大きく変化することが見出された。

論文

First-principles study of hydrogen segregation at the MgZn$$_{2}$$ precipitate in Al-Mg-Zn alloys

都留 智仁; 山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋; 椎原 良典*; 松田 健二*; 戸田 裕之*

Computational Materials Science, 148, p.301 - 306, 2018/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:28.59(Materials Science, Multidisciplinary)

高強度の7000番台アルミニウム合金の水素脆化はAl合金の実用における重要な問題と考えられてきた。しかし、近年の観察技術の発展にもかかわらず、Al合金中の水素の挙動を実験的に捉えることは非常に困難である。本研究では7000番台の特徴であるMgZn$$_{2}$$析出物に着目して、析出物内部及びAl-析出物界面における水素偏析を第一原理計算を用いて体系的に検討した。零点エネルギーを考慮したトラップエネルギー解析により、MgZn$$_{2}$$の内部には9つの格子間サイトが存在することが確認されたものの、Alの四面体サイトより不安定であることから析出物内部への偏析は生じないことがわかった。一方、Al-析出物界面の安定なサイトではトラップエネルギーが-0.3eVと非常に大きいことがわかった。これはAl中の粒界などのトラップサイトより大きく、Al-析出物界面がAl合金中の優先的な偏析サイトになることを示唆している。

論文

Interactions between clusters of self-interstitial atoms via a conservative climb in BCC-Fe

早川 頌*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 愛知 正温*; 鈴木 克幸*

Philosophical Magazine, 98(25), p.2311 - 2325, 2018/06

 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

BCC鉄における格子間原子クラスタは容易方向へのすべり運動とは別に垂直方向への保存的上昇運動を行い、これにより三次元的な運動を行う。この拡散の三次元性は転位への吸収確率に大きく影響し、材料のスエリングなどの照射劣化挙動を左右する。この保存的上昇運動を分子動力学計算とモンテカルロ計算を組み合わせた手法で解析し、移動障壁エネルギーを評価したところ、従来の弾性理論により予想されていた値よりはるかに大きい値が得られた。

論文

Atomic simulations to evaluate effects of stacking fault energy on interactions between edge dislocation and spherical void in face-centred cubic metals

土井原 康平*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 愛知 正温*; 鈴木 克幸*

Philosophical Magazine, 98(22), p.2061 - 2076, 2018/05

 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

原子炉材料、特に炉内構造材のオーステナイトの照射脆化を評価する際に、オーステナイトの特徴である低い積層欠陥エネルギーの影響を評価する必要がある。本研究では積層欠陥エネルギーだけを変化させたFCC金属のモデルポテンシャルを用いて転位とボイドの相互作用形態を評価し、ボイドの大きさと積層欠陥エネルギーの値によって様々な相互作用形態があることを見出した。

論文

材料挙動と計算機シミュレーションの接点,2; 原子力材料の分子シミュレーション; 現状と展望

沖田 泰良*; 板倉 充洋

日本原子力学会誌, 59(12), p.712 - 716, 2017/12

原子力材料の照射下特性変化を原子スケールの現象に基づいてモデル化する分子シミュレーションは、極短時間・極微小スケールの現象を定量化・解明・再現するため、幅広く用いられるようになってきた。本稿では、(1)分子動力学法を用いた高速中性子との弾性衝突に伴う結晶欠陥形成過程の定量化、(2)分子動力学法を用いた結晶欠陥集合体-転位接触による転位チャネリング形成過程の解明、(3)分子動力学-キネッティックモンテカルロ融合法を用いた結晶欠陥集合体の3次元的運動・転位へ吸収される過程の再現、に関して近年の研究進展を紹介する。

論文

Chemical misfit origin of solute strengthening in iron alloys

譯田 真人*; 都留 智仁; 香山 正憲*; 尾崎 泰助*; 澤田 英明*; 板倉 充洋; 尾方 成信*

Acta Materialia, 131, p.445 - 456, 2017/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:39.18(Materials Science, Multidisciplinary)

多くの合金元素が転位芯と強い相互作用を示す一方、SiやPやCuなどのいくつかの元素では転位のパイエルスポテンシャルを低下させる。本研究では第一原理計算を用いて、"Easy-core"転位構造とそれらの合金元素が積層欠陥エネルギー表面の変化と強く相関があることを示した。さらに、相互作用エネルギーを用いて希薄合金の臨界分解せん断応力を推定し、実験とよく一致することを示した。

論文

Analysis of intergranular cracking in an alloy steel by hydrogen-enhanced decohesion

山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋

Proceedings of 2016 International Hydrogen Conference (IHC 2016); Materials Performance in Hydrogen Environments, p.563 - 571, 2017/00

原子炉内構造材料の応力腐食割れメカニズム解明の一環として、鉄鋼の水素脆化メカニズム候補の一つである凝集エネルギー低下(Hydrogen-Enhanced DEcohesion = HEDE)説の検証のため、第一原理計算を用いた研究を行っている。鉄粒界凝集エネルギー低下をもたらす水素の効果を、炭素やその他の偏析元素の影響を加えつつ計算した。その第一原理計算結果と破壊力学試験を組み合わせた解析から、粒界に偏析した水素がもたらすHEDE以外にも、モバイル水素によるHEDEが生じていることが示唆された。

論文

Novel cross-slip mechanism of pyramidal screw dislocations in magnesium

板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛; 都留 智仁

Physical Review Letters, 116(22), p.225501_1 - 225501_5, 2016/06

 被引用回数:11 パーセンタイル:19.27(Physics, Multidisciplinary)

六方晶金属は結晶構造のため特定の方向にのみ変形する性質があり加工が困難である。近年様々な元素を添加することでこの性質を改善する研究が競争状態にある。本課題はこれまで鉄の転位の第一原理計算を行ってきた経験を活かし、これを六方晶金属である燃料被覆管ジルコニウムへ応用することを最終目標として同じ六方晶金属であるマグネシウムの複雑な塑性変形機構を解明しようとするものである。今回第一原理計算により、実験において観測されていて塑性改善の鍵となると考えられている錐面転位の原子構造や六方晶特有の移動プロセスを解明することに成功した。その結果、錐面転位が拡張したまま低温でも容易に交差滑りを起こすことが分かった。この結果は、これまで知られていなかった新しい交差滑りのメカニズムを発見したものであり、六方晶金属の塑性変形機構解明に大きく貢献するものである。

論文

Multiscale thermodynamic analysis on hydrogen-induced intergranular cracking in an alloy steel with segregated solutes

山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋

Corrosion Reviews, 33(6), p.547 - 557, 2015/11

原子炉材料劣化メカニズム研究の一環として、不純物元素(Sb, Sn, P)の粒界偏析を伴うNi-Cr鋼(降伏強度840MPa)の粒界水素脆性メカニズムを調べるため、粒界凝集エネルギーの第一原理計算を行い、破壊靭性試験データと組み合わせた解析を行った。粒界凝集エネルギーの計算には、亀裂の進展中に動きまわり破面形成を助長するように破面吸着するモバイル水素の影響を考慮した。さらに不純物元素の偏析による効果を加えた上で、非常に低い固溶水素濃度(10$$^{-8}$$原子分率)においても20-30%程度の十分な凝集エネルギー低下が生じうることを示した。解析により、水素ガス環境下で生じる低速な粒界破壊に対して測定された限界応力拡大係数$$K_{rm th}$$と粒界凝集エネルギーとのマルチスケールな関係を求め、$$K_{rm th}$$の変化が粒界凝集エネルギー変化によってよくコントロールされていることを示した。

論文

Atomistic study on the cross-slip process of a screw $$<a>$$ dislocation in magnesium

板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛; 都留 智仁

Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 23(6), p.065002_1 - 065002_19, 2015/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:67.17(Materials Science, Multidisciplinary)

マグネシウムは軽量で強度があり構造材料としての高いポテンシャルを持っているが結晶構造の対称性の低さから特定の方向にのみ変形する性質があり加工が困難である。近年様々な元素を添加することでこの性質を改善する研究が各国において産学連携で進められ競争状態にある。本課題はこれまで鉄の転位の第一原理計算を行ってきた経験を活かし、計算科学研究の進んでいないマグネシウムについて研究を開始したものである。これまでマグネシウムの変形を担う転位の性質はその安定構造が第一原理計算で求められていたのみで、その移動の性質は不明であった。本研究では転位の構造とその移動を同時にコントロールする手法を新たに開発し、移動に必要なエネルギーを構造変化を考慮に入れた上で計算することに成功した。その結果、必要なエネルギーの大部分は構造変化のエネルギーであり、構造変化した後は転位が容易に移動することが分かった。この計算手法は同じ六方晶系の燃料被覆管用ジルコニウム合金へも適用可能である。

論文

Material design for magnesium alloys with high deformability

染川 英俊*; 山口 正剛; 大澤 嘉昭*; Singh, A.*; 板倉 充洋; 都留 智仁; 向井 敏司*

Philosophical Magazine, 95(8), p.869 - 885, 2015/02

 被引用回数:11 パーセンタイル:25.78(Materials Science, Multidisciplinary)

マグネシウム合金は軽量だが室温における変形能が低い。いくつかの添加元素が延性を改善することが知られているが、よりよい添加元素が求められている。第一原理計算から非底面すべりを活性化する元素を探索した結果、その原子半径と電気陰性度によって、よりよい添加元素を判別できるという予測が立てられた。実験の結果は計算の予測と一致し、CaとSrなどがマグネシウムの延性を改善することが分かった。計算科学を援用した材料開発が実現可能であることを示唆する結果である。

論文

Mathematical Modeling of Radioactive Contaminants in the Fukushima Environment

北村 哲浩; 操上 広志; 山口 正秋; 小田 好博; 齋藤 龍郎; 加藤 智子; 新里 忠史; 飯島 和毅; 佐藤 治夫; 油井 三和; et al.

Nuclear Science and Engineering, 179(1), p.104 - 118, 2015/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:43.49(Nuclear Science & Technology)

福島第一原子力発電所事故に伴い環境に放出されその後地表に降下した放射性物質の分布を予測することは重要で、速やかに進めて行く必要がある。このような予測を行うために、放射性物質として特に放射性セシウムに着目し、現在複数の数理モデルを開発している。具体的には、土壌の表層流出に伴う放射性セシウムの移行については土壌流亡予測式を用いた流出解析、河川における核種移行については河川解析コードTODAM・iRICを用いた移行解析、河口域における土砂堆積については3次元解析コードROMS等を応用した堆積解析を行っている。また、セシウムと土壌の吸着メカニズムについては分子原子レベルの分子挙動計算法を用いた解析を開始しており、最終目標として吸着係数等の把握を目指している。

論文

水素脆化モデル構築のための原子及び連続体手法による粒界面上微小き裂近傍の応力分布の考察

海老原 健一; 蕪木 英雄; 板倉 充洋

「鋼の機械的特性に及ぼす水素の効果とその評価」シンポジウム予稿集(USB Flash Drive), 6 Pages, 2014/09

水素脆化は鉄鋼材料の強度低下や破壊をもたらす要因の1つであり、その機構の解明が求められている。高強度鋼の遅れ破壊や溶接部の低温割れは、偏析水素による粒界強度低下が主な原因と考えており、その機構は応力腐食割れと同様と考えられる。粒界強度低下に基づく水素脆化モデルでは、水素による粒界強度低下を原子レベルスケールの計算で評価し、その情報を用い巨視的スケールの強度やき裂進展の評価がなされているが、両スケール間におけるスケールのモデル化についてはあまり明確でない。特に、微視き裂先端での応力集中について、き裂周囲を弾性体とするモデルがあるが、その妥当性も明確でない。本研究では、微視き裂を含みその周囲に転位がない系の引張によるき裂周囲の応力を分子動力学(MD)と連続体計算(FEM)の計算手法で評価し、その差異について考察した。その結果、1%以下の低いひずみでは、両手法による応力分布は同様の結果となったが、それ以上になるとき裂先端の応力集中部から両者の差が大きくなった。また、応力集中のモデル化については、き裂周辺を単なる弾性体とするだけではMDの結果を再現できなかった。

論文

The Effect of stacking fault energy on interactions between an edge dislocation and a spherical void by molecular dynamics simulations

浅利 圭亮*; Hetland, O. S.*; 藤田 智*; 板倉 充洋; 沖田 泰良*

Journal of Nuclear Materials, 442(1), p.360 - 364, 2013/11

炉内構造材料であるオーステナイトについて、その特徴である低い積層欠陥エネルギーが照射脆化にどう影響するかを調べるため、積層欠陥エネルギーの異なる分子動力学ポテンシャルを用いて照射欠陥による脆化への影響を調べた。その結果、積層欠陥エネルギーが低い場合は転位が広く分裂し二本の独立な転位として照射欠陥から抜けていく過程が観察され、またその過程に必要な外部応力が低下することが分かった。この結果はオーステナイトにおける脆化のモデル化に必須な情報となる。

論文

The Effect of hydrogen atoms on the screw dislocation mobility in bcc iron; A First-principles study

板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛; 沖田 泰良*

Acta Materialia, 61(18), p.6857 - 6867, 2013/10

 被引用回数:37 パーセンタイル:5.72(Materials Science, Multidisciplinary)

原子力材料は長年の中性子照射によって硬化する。これは金属材料が折れることなく曲がる塑性変形が、照射による材料変化によって阻害される現象であるが、これを解明するには塑性のメカニズムを原子スケールで明らかにする必要がある。それには塑性変形を担う転位線と呼ばれる格子欠陥の動きがどのように照射損傷により阻害されるを知る必要があり、これは実験で直接観察できないので大規模な量子計算が必要になる。本発表では量子計算によって初めてこの転位の移動阻害メカニズムを明らかにしたので報告する。大規模な計算が必要という課題の解決にあたっては、新たに考案した多階層計算手法を用い少ない原子数で多数の原子での計算に相当する精度を出すことを可能にしたことが上げられる。これによって転位の運動阻害プロセスを定量的にモデル化することが可能となり、照射硬化をシミュレーションで定量評価するための道が開けたと言える。

論文

Solution softening in magnesium alloys; The Effect of solid solutions on the dislocation core structure and nonbasal slip

都留 智仁; 宇田川 豊; 山口 正剛; 板倉 充洋; 蕪木 英雄; 加治 芳行

Journal of Physics; Condensed Matter, 25(2), p.022202_1 - 022202_5, 2013/01

 被引用回数:39 パーセンタイル:11.2(Physics, Condensed Matter)

軽量構造材料の応用に向けてマグネシウム合金の延性を向上させる必要性が認識されている。本論文では、イットリウム固溶が非底面すべりを活性化する可能性に着目する。まず、純マグネシウムの底面及び柱面に対する一般化積層欠陥(GSF)エネルギーを密度汎関数理論(DFT)と経験ポテンシャルによって評価し、転位芯構造への影響について準離散変分パイエルス・ナバロウモデル(SVPN)を用いて検討する。さらに、添加されたイットリウムの固溶軟化に対しても、DFT計算ベースのSVPNモデル解析を行ったところ、GSFエネルギー表面の勾配を低下させることによって、軟化を促進する影響をもつことを明らかにした。

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