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都留 智仁; Han, S.*; 松浦 周太郎*; Chen, Z.*; 岸田 恭輔; Lobzenko, I.; Rao, S.*; Woodward, C.*; George, E.*; 乾 晴行*
Nature Communications (Internet), 15, p.1706_1 - 1706_10, 2024/02
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Multidisciplinary Sciences)耐火ハイエントロピー合金(RHEA)は、超高温用途への応用の可能性から注目されている。しかし、体心立方結晶をもつため面心立方HEAよりも脆く、さらに、主要なNi基超合金やFCC合金系の材料よりも著しく低いクリープ強度を示す。これらの欠点を克服し、RHEAを実用的な構造材料に発展させるためには、強度と延性を制御する要因の基礎的な理解を深める必要がある。本研究では、TiZrHfNbTaとVNbMoTaWという2つのモデルRHEAを調査し、前者は77Kまで塑性圧縮可能であるのに対し、後者は298K以下では圧縮不可能であることを示した。TiZrHfNbTaの六方最密充填(HCP)元素は、すべての構成元素がBCCであるVNbMoTaWと比較して、転位芯エネルギーを下げ、格子歪みを大きくし、せん断弾性率を下げることで、高い延性と相対的に高い降伏強度につながることがわかった。転位芯構造はVNbTaMoWではコンパクトで、TiZrHfNbTaでは拡張しており、2つのRHEAで異なる滑り面が活性化していることがわかった。これらは、いずれもHCP元素の濃度に起因していることが第一原理計算により明らかになった。この結果は、HCP元素とBCC元素の比率に関連した電子構造の変化を利用して、強度、延性、すべり挙動を制御し、より効率的な発電所や輸送のための次世代高温材料を開発できることを実証している。
都留 智仁; Lobzenko, I.; 尾方 成信*; Han, W.-Z.*
Journal of Materials Research and Technology, 28, p.1013 - 1021, 2024/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Materials Science, Multidisciplinary)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。
Lobzenko, I.; 都留 智仁; 椎原 良典*; 岩下 拓哉*
Materials Research Express (Internet), 10(8), p.085201_1 - 085201_12, 2023/08
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Materials Science, Multidisciplinary)金属ガラス(MG)は、高い機械的強度、硬度、優れた耐食性などの独自の特性を備えており、結晶系の金属に対する異なる特性を有している。MGは、結晶格子を持つ合金とは異なり特徴的な欠陥構造は存在しないが、弾性に近い状態であっても、機械的変形に対して非常に不均一な応答を示す。このような不均一な挙動は、MGの機械的特性の予測を困難にしている。本研究では、CuZr系MGの第一原理計算を用いた原子応力解析により、せん断ひずみに対する変形挙動を検討した。その結果、変位ベクトル、電荷移動、化学結合の変化などのパラメータと、原子フォンミーゼス応力の相関関係を評価することで、変形に対する局所的な力学応答を明らかにした。
栗原 健輔*; Lobzenko, I.; 都留 智仁; 芹澤 愛*
Materials Transactions, 64(8), p.1930 - 1936, 2023/08
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Materials Science, Multidisciplinary)Al-Mg-Si合金で形成されたナノクラスターは、形成温度に応じて合金の時効挙動に影響を与える。本研究では、第一原理計算を用いて、Mg、Si原子、およびAlマトリックス中の空孔間の2体および3体相互作用を評価し、ナノクラスターの形成に対する局所結合構造の影響を評価した。まず、モンテカルロ計算を行い、Al-Mg-Si合金で形成されたナノクラスターの安定した構造を評価した。Alマトリクス中ではMg-Si結合とSi-Vac結合が安定していることが確認された。その結果、Al中の溶質原子は異種元素が凝集しやすく、Si原子は空孔と強い引力相互作用を持っていることがわかった。また、Al中のMg-Si空孔三体結合は、Mg-Si二体結合およびSi空孔二体結合よりも安定であることがわかった。したがって、MgとSi原子からなる安定した局所結合により、空孔はクラスター領域内に強くトラップされると考えられる。これは、Alマトリックス内のナノクラスターが溶質原子と空孔の間の安定した結合によって熱的に安定化されることを示している。これらの結果は、ナノクラスターの内部結合が、熱安定性だけでなく、低温での時効中のナノクラスターの形成と成長挙動にも重要な役割を果たすことを示唆している。
Lobzenko, I.; Wei, D.*; 板倉 充洋; 椎原 良典*; 都留 智仁
Results in Materials (Internet), 17, p.100364_1 - 100364_7, 2023/03
ハイエントロピー合金(HEA)は、その優れた機械的・熱力学的特性から注目されている。最近の研究では、Coフリーの面心立方HEAは、原子力材料として重要な強度・延性を向上させる可能性があることが明らかになった。本研究では、第一原理計算を用いて、CoフリーHEAの機械的特性向上の基本的なメカニズムについて検討を行った。その結果、CoフリーHEAの局所格子歪みは、よく知られたCantor合金のそれよりも顕著であることを見いだした。また、CoフリーHEAの短距離秩序形成により、積層欠陥エネルギーが大きく変動していることがわかった。このように、CoフリーHEAでは著しい局所格子歪みと、低積層欠陥領域と高積層欠陥領域からなる不均一な固溶体状態が、強度・延性の向上に寄与していることがわかった。
Wei, D.*; Gong, W.; 都留 智仁; Lobzenko, I.; Li, X.*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; Do, H.-S.*; Bae, J. W.*; Wagner, C.*; et al.
International Journal of Plasticity, 159, p.103443_1 - 103443_18, 2022/12
被引用回数：28 パーセンタイル：98.32(Engineering, Mechanical)Face-centered cubic single-phase high-entropy alloys (HEAs) containing multi-principal transition metals have attracted significant attention, exhibiting an unprecedented combination of strength and ductility owing to their low stacking fault energy (SFE) and large misfit parameter that creates severe local lattice distortion. Increasing both strength and ductility further is challenging. In the present study, we demonstrate via meticulous experiments that the CoCrFeNi HEA with the addition of the substitutional metalloid Si can retain a single-phase FCC structure while its yield strength (up to 65%), ultimate strength (up to 34%), and ductility (up to 15%) are simultaneously increased, owing to a synthetical effect of the enhanced solid solution strengthening and a reduced SFE. The dislocation behaviors and plastic deformation mechanisms were tuned by the addition of Si, which improves the strain hardening and tensile ductility. The present study provides new strategies for enhancing HEA performance by targeted metalloid additions.
栗原 健輔*; Lobzenko, I.; 都留 智仁; 芹澤 愛*
軽金属, 72(7), p.427 - 429, 2022/07
Al-Mg-Si合金で形成されたナノクラスターは、形成温度に応じて合金の時効挙動に影響を与える。Al, MgおよびSiは原子番号が隣接しているためX線回折法を用いた分析が困難であることから、近年では、Siを同族元素のGeに置換したAl-Mg-Ge合金を用いた析出物の構造解析が試みられている。本研究では、密度汎関数理論に基づいた第一原理計算を用いてAl-Mg-Si合金およびAl-Mg-Ge合金における溶質原子および空孔間の相互作用を定量的に評価し、溶質原子および空孔間における結合の安定性の観点から両合金における析出挙動について比較検討した。
都留 智仁; Lobzenko, I.; Wei, D.*
Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 30(2), p.024003_1 - 024003_11, 2022/03
被引用回数：9 パーセンタイル：80.73(Materials Science, Multidisciplinary)ハイエントロピー合金(HEA)は、その優れた力学特性で注目を集めてきた。我々の最近の実験研究で、Siを添加した面心立方構造(FCC)を持つHEAが、強度と延性の両方を改善する大きな可能性を秘めていることを示唆した。本研究では、第一原理計算に基づくモンテカルロシミュレーションと構造因子分析を用いて、マクロな力学特性に対するSi添加の影響を調査した。その結果、Siの添加により、局所的な格子歪みと積層欠陥エネルギー(SFE)が増加することが分かった。さらに、Si添加のHEAでは、SRO形成によりSFエネルギーが大きく変動することを示した。これは、低SFEおよび高SFE領域がマトリックスに不均質に分布している固溶体状態が形成されることを示唆している。Si添加のFCC-HEAのこの特有の機能により、Si添加合金では超微細な双晶が形成され、強度と延性の両方を向上させる主要な要因となることを明らかにした。
Wei, D.*; Wang, L.*; Zhang, Y.*; Gong, W.; 都留 智仁; Lobzenko, I.; Jiang, J.*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; Bae, J. W.*; et al.
Acta Materialia, 225, p.117571_1 - 117571_16, 2022/02
被引用回数：61 パーセンタイル：99.71(Materials Science, Multidisciplinary)Recently-developed high-entropy alloys (HEAs) containing multiple principal metallic elements have ex-tended the compositional space of solid solutions and the range of their mechanical properties. Here we show that the realm of possibilities can be further expanded through substituting the constituent metals with metalloids, which are desirable for tailoring strength/ductility because they have chemical interactions and atomic sizes distinctly different from the host metallic elements. Specifically, the metalloid substitution increases local lattice distortion and short-range chemical inhomogeneities to elevate strength, and in the meantime reduces the stacking fault energy to discourage dynamic recovery and encourage defect accumulation via partial-dislocation-mediated activities. These impart potent dislocation storage to improve the strain hardening capability, which is essential for sustaining large tensile elongation. As such, metalloid substitution into HEAs evades the normally expected strength-ductility trade-off, enabling an unusual synergy of high tensile strength and extraordinary ductility for these single-phase solid solutions.
栗原 健輔*; Lobzenko, I.; 都留 智仁; 芹澤 愛*
軽金属, 72(2), p.47 - 53, 2022/02
Al-Mg-Si合金で形成されたナノクラスターは、形成温度に応じて合金の時効挙動に影響を与える。本研究では、第一原理計算を用いて、Mg, Si原子、およびAlマトリックス中の空孔間の2体および3体相互作用を評価し、ナノクラスターの形成に対する局所結合構造の影響を評価した。まず、モンテカルロシミュレーションを行い、Al-Mg-Si合金で形成されたナノクラスターの安定した構造を評価した。Alマトリックス中ではMg-Si結合とSi-Vac結合が安定していることが確認された。その結果、Al中の溶質原子は異種元素が凝集しやすく、Si原子は空孔と強い引力相互作用を持っていることがわかった。また、Al中のMg-Si空孔三体結合は、Mg-Si二体結合およびSi空孔二体結合よりも安定であることがわかった。したがって、MgとSi原子からなる安定した局所結合により、空孔はクラスター領域内に強くトラップされると考えられる。これは、Alマトリックス内のナノクラスターが溶質原子と空孔の間の安定した結合によって熱的に安定化されることを示している。これらの結果は、ナノクラスターの内部結合が、熱安定性だけでなく、低温での時効中のナノクラスターの形成と成長挙動にも重要な役割を果たすことを示唆している。
椎原 良典*; 金澤 良亮*; 松中 大介*; Lobzenko, I.; 都留 智仁; 香山 正憲*; 森 英喜*
Scripta Materialia, 207, p.114268_1 - 114268_4, 2022/01
被引用回数：13 パーセンタイル：73.59(Nanoscience & Nanotechnology)本研究では、最新の人工ニューラルネットワーク(ANN)ポテンシャルに基づく分子力学を使用した
鉄中の46種類の対称傾角粒界の粒界(GB)エネルギーを評価した。粒界エネルギー計算の精度の検証のため、密度汎関数理論(DFT)に基づく第一原理計算、および古典的な経験ポテンシャルである、埋め込み原子法(EAM)、および修正EAM(MEAM)との比較を行った。その結果、EAMとMEAMはDFTの結果(平均約27%)とは大きく異なっていた一方、ANNポテンシャルによる結果はDFTの結果(平均5%)と非常によく一致していることを確認した。GBの一軸引張計算では、EAMとMEAMにおける延性挙動のアーティファクトが改善され、ANNポテンシャルではDFTで観察されたGBの脆性破壊傾向を再現した。これらの結果は、需要の高い鉄におけるANNポテンシャルの有効性を示している。
Lobzenko, I.; 都留 智仁; 椎原 良典*; 森 英喜*
no journal, ,
ハイエントロピー合金(HEA)は、優れた機械的特性を示すため、構造材料の優れた候補となる。体心立方構造(BCC)を持つHEAでの作業は、HCP元素が組成に存在する場合、延性の増加を示すことが知られているが、そのメカニズムはわかっていない。計算機シミュレーションはメカニズムの解析で有効であるが、HEAのようなランダム構造を持つ高濃度固溶体では大規模なモデルを必要とするため第一原理計算のような電子状態計算によって直接計算することは困難である。そこで、古典分子動力学で高い精度を達成するために、原子間ポテンシャル開発に機械学習の手法を適用が有効な手段となる。本研究では、MoNbTaとZrNbTaという2つのミディアムエントロピー合金(MEA)の機械的特性に着目した。これら2つの合金の原子間ポテンシャルは、人工ニューラルネットワークを使用して構築された(ANNポテンシャルとする)。我々の研究では、MoがHCP元素であるZrで置換されると、材料の基本特性が劇的に変化することが明らかになった。特に、Zrを含む合金は、体積弾性率と弾性定数が低下することが確認された。また、C11とC12の弾性定数の変化は、材料が弾性不安定領域に近づいていることを示している。次に、2つのMEAのらせん転位コアの形状について検討を行った。その結果、ZrNbTa合金のコア形状がより大きな幅を持った非コンパクトな構造であることがわかった。
都留 智仁; Lobzenko, I.
no journal, ,
ハイエントロピー合金(HEA)は、その優れた機械的・熱力学的特性から注目されている。特に体心立方構造(BCC)を有するHEAの一部は高強度と伸びのバランスに優れた特徴や特定の元素を含むBCC-HEAが特異なすべり痕を生じることが知られている。しかし、これらの特性の発現機構は十分に解明されていない。HEAの優れた機械的特性のメカニズムを解明するためには、構成元素の影響を考慮した欠陥構造の原子レベルの描像を理解することが不可欠である。転位構造と転位運動が、HEAの機械的特性を特徴づけるため、VNbMoTaWとTiZrNbHfTaの2種類のBCC HEAに対する転位の挙動の違いについて考察することが有効である。本研究では、第一原理計算を用いてBCC HEAの転位芯構造の検討を行った。その結果、TiZrNbHfTaの平均二乗原子変位は非常に大きく、構成元素である第IV族元素がそれに大きく寄与することがわかった。また、HEAにおける転位のダイナミクスを捉えるための新しい手法を開発した。
Lobzenko, I.; 椎原 良典*; 森 英喜*; 松中 大介*; 都留 智仁
no journal, ,
近年、機械学習が材料科学に広く応用されている。原子シミュレーションの分野においても、人工ニューラルネットワークによる原子間ポテンシャル(ANNポテンシャル)の構築が行われるように、第一原理計算と近い精度で、材料の様々な特性を再現することが示されている。本研究では、材料の重要な特性の一つである原子応力に着目した。原子応力は古典的な近似で計算できる。また、微視的な応力の解析は、あらゆるタイプの不均一系(バルク、二次元結晶、分子集合体などの欠陥など)に適用できる。我々は、原子応力テンソルを導出するために、ANNポテンシャルのフレームワークで中心力分解(CFD)スキームの応用を他の方法と比較して検討した。CFDを用いない方法では、応力テンソルの対称性が崩れる可能性があるため、正しい応力テンソルを記述するためにはCFDを使用する必要があることがわかった。この原子応力の応用問題として、さまざまな方位を持つ純粋なAlの表面付近の原子応力分布を評価した。第一原理研究から、Al表面付近で電荷振動が存在することが知られている。この特徴は、既存の原子間ポテンシャルでは捉えることが困難であったが、ANNポテンシャルを使用して得られた結果は、Al表面付近の原子応力の振動を正しく再現することが確認された。我々のポテンシャルはAl構造のエネルギーのみ(量子力学近似で計算)を出力するが、原子応力振動は実際の系の電荷分布を反映している。
Lobzenko, I.; 都留 智仁; 椎原 良典*; 岩下 拓哉*
no journal, ,
金属ガラス(MG)の機械的特性の起源を解明することは長年の課題である。MGは集合的な原子運動の活性化によって外部ひずみに応答するが、結晶内の明確に定義された転位とは対照的に、そのような運動のトリガーは明らかにされていない。この集合的な原子応答を詳細に研究するために、本研究では、第一原理フレームワークの原子応力計算を応用した。4つの小さくランダムなCu50%Zr50%構造を準備し、0.5、8.0%の歪みを加え、原子応力計算によりCuとZrについて個別の応答を解析した。アフィン変形後の無緩和と緩和状態の間の系の変化を分析した結果、弾性挙動から大きな逸脱が生じることを確認した。また、原子レベルのフォンミーゼス応力変化が示すように、あるせん断ひずみは他のせん断成分に原子応力応答を引き起こす。この原子応力応答に対して、電荷移動、原子変位、原子歪みなどの他の局所パラメーターの関連も明らかになった。
都留 智仁; Lobzenko, I.; 弓削 是貴*; 青柳 吉輝*; 下川 智嗣*; 久保 百司*; 尾方 成信*
no journal, ,
ハイエントロピー合金(HEA)は、5元素またはそれ以上の成分が等原子分率で混合した結晶構造を持つ合金として定義される。HEAでは、特異な変形機構によって、強化の促進や強度と延性の両立などの優れた機能の創出が期待されている。とりわけ、BCC構造を持つHEAでは、概して高い強度を有する。しかし、組成によって延性が全く異なることがわかっており、その詳細な変形機構は明らかになっていない。本研究では、変形の素過程となる転位構造に着目し、第一原理計算によって、局所的な格子変位や短距離秩序(SRO)と転位構造の関係を検討する。
Lobzenko, I.; 椎原 良典*; 森 英喜*; 松中 大介*; 都留 智仁
no journal, ,
耐火性多成分合金(MCA)は、高温等の過酷な条件下で使用される可能性の高い重要な材料群を形成している。これらの合金の適用を妨げている主な問題の一つは、体心立方(BCC)結晶構造からくる延性の低さである。転位運動は材料の延性に大きく影響する因子であるため、延性を向上させた耐火合金を設計する道を開くためには、耐火MCAにおける転位ダイナミクスの包括的な理解を達成する必要がある。そこで、転位運動に関する古典的な分子動力学シミュレーションで高い精度を達成するために、原子間ポテンシャル開発に機械学習(ML)の手法を適用した。Zrのような六方最密充填(HCP)元素を含む合金は高い延性を示すことが知られている。そのため、本研究では、MoNbTaとZrNbTaの2種類の中エントロピー合金を選び、元素の構成が転位ダイナミクスに与える影響を調べた。MLを用いて構築されたMCAの原子間ポテンシャルは、特定のデータセットを必要とする。そこで、ポテンシャルによる材料の機械的特性予測の質を向上させるために、ポテンシャルを開発する過程でどのような構造が寄与するかを特定した。シミュレーションの結果、2つの合金の間に質的および量的な違いがあることが示された。その違いの一例は、らせん転位コアの形状に見られ、MoNbTaとは対照的に、ZrNbTaでは、(110)面上に伸びた非コンパクトな転位コアを示した。
都留 智仁; Lobzenko, I.; 椎原 良典*; Wei, D.*; 山下 真一郎; 板倉 充洋; 他10名*
no journal, ,
ハイエントロピー合金(HEA)は、5元素またはそれ以上の成分が高濃度で混合した結晶構造を持つ合金として定義される。FCC構造とBCC構造でそれぞれCoCrFeNiMn(Cantor)合金とZrNbTaTiHf(Senkov)合金という強度と延性を両立した合金系が発見されており、これらの組成を軸にさらに優れた合金系の開発が行われている。力学特性の向上に対する機構は、格子の局所ひずみに対応する平均二乗原子変位(MSAD)による効果に加えて、FCC構造では双晶形成、BCC構造では特異な転位運動が重要な役割を果たしている。本研究では、FCC構造とBCC構造を有するHEAを対象に、第一原理計算に基づくシミュレーションを用いて欠陥構造の諸特性について検討する。MoNbTaVWとZrNbTaTiHfの2つのBCC-HEAにおけるRandom構造と800KのMC計算から得られた短距離秩序を有する構造に対して、135のサイトに転位双極子が導入された際のエネルギーの分布を評価した。その結果、2つの合金ではMSADが大きく異なっており、格子のひずみが大きなZrNbTaTiHfでは転位の形成エネルギーが小さくなることがわかった。
Lobzenko, I.; 都留 智仁
no journal, ,
As for any materials, phase stability studies comprise an important part of the high entropy alloys (HEA) theory. It is recognized that the first generation HEAs exhibit single-phase structures, while alloys of the second generation might possess complicated multi-phase structure. Nowadays, achievements of software and hardware progress allow modeling of such complicated materials as HEAs from first-principles. In particular, the theoretical method of Exact Muffin-Tin Orbitals (EMTO) directly accounts for the random distribution of atomic spices in the structure. It is built on the basis of the density functional theory, and therefore demonstrates high accuracy, which is crucial for modeling of industrially important materials. The objective of the present work is studying of base center cubic (BCC) to omega (
) phase transition in the ZrNbTaTiHf alloy. The omega phase is formed if in the BCC elementary rectangular cell oriented in [1,1,1] direction, four out of six basis atoms are displaced along [1,1,1] direction. The two atomic percentage compositions of that alloy are set according to equi-atomic and equi-weight structures. It is known that at T = 0 K the phase is more stable than BCC phase for single Zr metal. However, additional atomic spices are able to make BCC phase more stable. From our results, achieved using the EMTO method, it is seen that Zr(1-x)Nb(x) alloy is more stable in BCC phase starting from x = 20% of atomic concentration of Nb. The equi-weigh ZrNbTaTiHf high-entropy alloy has nearly 20% of atomic concentration of Nb, so energies of BCC and phases are expected to have close energies, which means that in real experiments a multi-phase composition may be observed.
Lobzenko, I.; 都留 智仁
no journal, ,
Nowadays quantum mechanical approach is essential part of computer modeling of materials. Nevertheless, long time scale and large systems are still inaccessible for that method because of high demand of computational resources. That is why classical molecular dynamics is the method of choice for modelling such processes as dislocation movement or crack propagation. This work is devoted to development of high accuracy interatomic potentials for high entropy alloys. To begin with, we have built potentials for medium entropy ternary alloys MoNbTa and ZrNbTa. The technique of machine learning of neural network was used. It allows effective fitting of the data set calculated using quantum mechanical approach. The composition of the data set is discussed. To ensure high quality of the potential the structures with a short-range order were added to the data set. For that purpose, Monte Carlo simulations of special quasirandom structures were carried out.
