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東海林 瑞希*; 栗原 健輔*; Lobzenko, I.; 都留 智仁; 芹澤 愛*
軽金属, 74(12), p.535 - 545, 2024/12
Al-Cu合金では時効処理中に板状のGuinier-Preston (GP)ゾーンが形成されるのに対し、Al-Mg-Si合金では時効処理の初期段階で球状のナノクラスタが形成される。よく知られたAl-CuのGP(I)ゾーンとは異なり、Al-Mg-Siのナノクラスタ内に特定の構成は存在しない。しかし、溶質濃度と局所的な配置がその後の析出物形成に決定的な役割を果たすはずである。本研究では、Al-Cu合金とAl-Mg-Si合金におけるGPゾーンとクラスタの形成過程における安定な形状を決定する因子を第一原理計算と機械学習ポテンシャルを用いて評価した。Al-Cuの三体結合の形成エネルギーは、結合角90
のCu-Cu-Cu三重項が最も安定であった。実際に、機械学習ポテンシャルを用いたモンテカルロ(MC)シミュレーションを行った結果、結合角90で形成されるCu原子の偏析がより多く観測された。一方、Al-Mg-Si合金の3体クラスタは、特定の方向異方性がなく結合角度が60のときが最も安定であり、その結果、MC計算で球状のナノクラスタの形成が確認された。これらの結果は、局所的な結合の安定性という本質的な特徴が、GPゾーンとナノクラスタの形状を支配することを示している。
都留 智仁; Han, S.*; Chen, Z.*; Lobzenko, I.; 乾 晴行*
まてりあ, 63(10), p.695 - 702, 2024/10
BCC相の代表的なハイエントロピー合金であるVNbMoTaWは、第5、第6周期の高融点金属で構成されており、それらの合金系の融点も高いことから高耐熱性(Refractory)ハイエントロピー合金と呼ばれている。VNbMoTaWとともにBCC相の代表的なハイエントロピー合金として知られているTiZrNbTaHfは同じく単相であり、VNbMoTaWに比べて融点は500C低いものの、他のBCC合金に見られない室温以下の低温における優れた延性を示すことが知られている。VNbMoTaWとTiZrNbTaHfの二つの高耐熱性ハイエントロピー合金は、強度以外にもすべり挙動などの異なる特性を示すことが報告されているが、どのような特性が力学特性を支配しているかを理解することが、高温強度に優れかつ低温の延性を持つような高耐熱性合金などの優れた合金設計のためには不可欠である。VNbMoTaWとTiZrNbTaHfはいずれも単相合金であることを考えると、構成元素と転位などの変形の基礎となる特性の関係にその鍵があるはずである。本稿では、この二つの高耐熱性ハイエントロピー合金の力学特性の違いについて、実験、理論、計算機シミュレーションを駆使して、延性と強度を制御する重要な因子について検討した結果を紹介する。
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：31 パーセンタイル：98.77(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：3 パーセンタイル：31.29(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：1 パーセンタイル：8.27(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：1 パーセンタイル：20.98(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：107 パーセンタイル：99.76(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。
椎原 良典*; 板井 勇樹*; Lobzenko, I.; 都留 智仁
Frontiers in Materials (Internet), 9, p.895626_1 - 895626_10, 2022/05
被引用回数：3 パーセンタイル：18.18(Materials Science, Multidisciplinary)ランダム合金内の原子レベルでの応力状態とそれを支配する物理は、ハイエントロピー合金(HEA)の主要な強化メカニズムの1つであるランダム合金の固溶強化モデルの開発に不可欠な要素である。本研究では、第一原理計算により、CrMnFeCoNiおよびVNbMoTaW HEAのサブセットであるfccおよびbccランダム合金の原子応力を調査した。バルク結晶に対する電荷移動と体積変化に着目し、fccおよびbcc合金の内部応力場をこれらの物理量に関して統一的な観点から検討した結果、ランダムフォレストによる回帰分析により、電荷移動と体積変化は、強度の程度は異なるものの、合金内の応力状態を同時に支配していることが明らかになった。
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：15 パーセンタイル：78.69(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：97 パーセンタイル：99.60(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：24 パーセンタイル：79.08(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。
都留 智仁; Lobzenko, I.
no journal, ,
転位は金属材料において、塑性変形を決定する最も重要な格子欠陥である。転位の基本的な性質は、構造材料の延性や脆性に大きな影響を与え、転位と他の結晶欠陥との相互作用は、金属の力学特性を決定する上で重要な役割を担る。特に、BCC金属の塑性変形は、らせん転位がキンク機構を介して基本的に運動することで実現される。本研究では、希薄および高濃度BCC合金の軟化・強化挙動を第一原理計算の枠組みで評価する手法について検討した。まず、周期セル内の転位の導入は、転位双極子配列に対して連続体線形弾性理論の解を適用することで実現した。らせん転位のキンク過程を記述する新しい解析モデルを提案し、その基本的な性質を電子状態計算で評価した。そして、線張力モデルに基づく解析モデルを応用し、基本的な力学特性の予測を行った。
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。
都留 智仁; Lobzenko, I.
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。HEAにおいて強度と延性を両立した合金系が発見されており、これらは従来の材料強化機構では説明できない新しい機構によるものと考えられる。しかし、一部のHEAで観察される強度と延性を同時に向上させる効果や、優れた力学特性の起源はほとんど解明されておらず、有効な合金設計には至っていない。本研究では、第一原理計算に基づく原子シミュレーションによるモデル計算によって、HEAの力学特性の起源を検討した。その結果、FCC構造を有する合金系において、局所的な格子ひずみや短距離秩序(SRO)構造の形成が確認された。また一部の合金系ではSRO形成に積層欠陥エネルギーを大きく変化させることで、マクロな力学特性の改善に寄与することがわかった。
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.
Lobzenko, I.; 都留 智仁
no journal, ,
高エントロピー合金(HEA)の優れた機械的特性(強度の向上や高い延性など)は、最近、広範な研究の対象となっている。HEAの第一原理モデリングは、原子構造の本質的なランダム性によって複雑になり、大規模なシステムが必要になる。したがって、古典的な分子動力学は、HEAの機械的特性を研究するための最良のツールの1つである。一方で、多くの元素を近接濃度で合金化する場合、埋め込まれた原子タイプのポテンシャルの精度がかなり低くなるため、原子間ポテンシャルが不足する。そのため、人工ニューラルネットワークに基づく比較的新しいアプローチを採用して、HEAなどの材料の原子間ポテンシャルを構築する必要がある。現在の研究では、中エントロピーの三元合金MoNbTaとZrNbTaの2つの新しい可能性について説明している。機械学習の手法により、量子力学のアプローチを使用して計算されたデータセットを効果的に適合させることができる。弾性定数の値を第一原理モデリングの結果と比較することにより、ポテンシャルの品質を検証した。2つの合金を比較すると、MoをZrで置換すると、体積弾性率と弾性定数が小さくなることがわかった。また、C11成分とC12成分の変化は、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。
Lobzenko, I.; 椎原 良典*; 都留 智仁
no journal, ,
高エントロピー合金(HEA)は、その有望な機械的特性により、優れた構造材料である。体心立方(BCC)HEAでの作業は、グループ4元素が組成に存在する場合、延性の増加を示す。第一原理モデリングによるその効果の理論的研究は、大規模なシステムを必要とするHEA原子構造の本質的なランダム性によって複雑になる。古典的な分子動力学で高い精度を達成するために、人工ニューラルネットワークの機械学習を使用して原子間ポテンシャルを開発した(これをANNポテンシャルと呼ぶ)。MoNbTaとZrNbTaの2つのミディアムエントロピー合金(MEA)の現在の研究結果を紹介する。基本的な機械的性質を比較すると、Moを4族元素Zrで置換すると、体積弾性係数と弾性定数が低下することがわかる。刃状およびらせん転位が研究されている。古典的なモデリングでは、長距離応力場による転位コアの自己相互作用を防ぐ大きな計算セルの構築が可能である。さらに、大きなセルは合金のより良いランダム性を保証する。これは、HEAおよびMEAの機械的特性のシミュレーションに不可欠である。せん断ひずみを加えることにより、らせん転位運動が誘起される。刃状転位の場合、形状とエネルギーは、隣接する2つの容易なコア構成間で転位コアが移動する過程で調べられる。このようにして、パイエルス障壁が計算される。2つのMEAの結果を比較して、4族元素の役割を解明する。最後に、転位の応力場を理解するために、ANNポテンシャルの枠組みで原子応力計算スキームを採用する。ANNスキームの原子エネルギーは最終的に原子間のペア距離に依存するため、ビリアル応力の定義に基づいて原子応力の計算が可能である。
