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論文

${it In situ}$ TEM observation and MD simulation of frank partial dislocation climbing in Al-Cu alloy

Chen, J.*; 吉田 健太*; 鈴土 知明; 嶋田 雄介*; 井上 耕治*; 今野 豊彦*; 永井 康介*

Materials Transactions, 63(4), p.468 - 474, 2022/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Materials Science, Multidisciplinary)

高分解能透過型電子顕微鏡(HRTEM)を用いてその場電子照射により、アルミニウム-銅(Al-Cu)合金のフランクループの発達を0.12nmの原子スケールの空間分解能で視覚化した。FCC-Al格子の[110]方向に沿ったその場HRTEM観察では、固有の積層欠陥の境界となるフランク部分転位は、純Al参照サンプルの場合とは異なり、$$<$$112$$>$$方向に沿って非対称の上昇を示した。この時の弾き出し損傷率は0.055-0.120dpa/sであった。分子動力学シミュレーションによって、この部分転位の非対称上昇はギニア-プレストンゾーン(GPゾーン)でのCu-Cu結合によるピン止め効果として説明された。

論文

Molecular dynamics study of phosphorus migration in $$Sigma$$3(111) and $$Sigma$$5(0-13) grain boundaries of $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

Metals, 12(4), p.662_1 - 662_10, 2022/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Materials Science, Multidisciplinary)

鉄鋼中のリン原子は、熱や照射の効果によって粒界に集まり粒界脆化を引き起こす。そのため、さまざまな温度及び照射条件での粒界におけるリン偏析の数値的予測は、脆化の防止に対して重要である。$$alpha$$鉄における粒界リン偏析のモデルを開発するため、本研究では、2種類の対称傾角粒界($$Sigma$$3[1-10](111), $$Sigma$$5[100](0-13)粒界)におけるリン原子の移動を分子動力学シミュレーションを使って考察した。その結果、$$Sigma$$3[1-10](111)粒界では、リン原子は主に格子間原子状態で三次元的に移動し、$$Sigma$$5[100](0-13)粒界では、主に空孔との位置交換で一次元的に移動することが分かった。さらに、リン原子及び空孔の粒界からのデトラップについても調査した。

論文

Suppression of vacancy formation and hydrogen isotope retention in irradiated tungsten by addition of chromium

Wang, J.*; 波多野 雄治*; 外山 健*; 鈴土 知明; 檜木 達也*; Alimov, V. Kh.*; Schwarz-Selinger, T.*

Journal of Nuclear Materials, 559, p.153449_1 - 153449_7, 2022/02

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Materials Science, Multidisciplinary)

タングステン(W)マトリックス中のクロム(Cr)添加が空孔形成と水素同位体吸蔵に及ぼす影響を調べるために、W-0.3Cr合金サンプルに6.4MeV Feイオンを523-1273Kの温度範囲で照射した。これらの弾き出し損傷サンプルを673KでD$$_{2}$$ガスにさらした。Wマトリックスに0.3%のCrを添加すると、特に高温照射後の純Wと比較して重水素の吸蔵が大幅に減少した。1073Kで照射されたW-0.3Cr合金の陽電子寿命は、照射されていないものとほぼ同じであった。これらの事実は、0.3%のCr添加によって空孔タイプの欠陥の形成が抑制されたことを示している。

論文

Radiation-enhanced diffusion of copper in iron studied by three-dimensional atom probe

外山 健*; 鈴土 知明; 永井 康介*; 他9名*

Journal of Nuclear Materials, 556, p.153176_1 - 153176_7, 2021/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Materials Science, Multidisciplinary)

電子照射と3次元アトムプローブ(3D-AP)を使用して、照射促進拡散(RED)の高精度測定を行った。高純度のFeとCuをベース材料としてCu-Fe拡散ペア試料を作成し、2MeVの電子照射を行った。CuのFeマトリックスへの拡散を3D-APを使用して原子レベルで観察し、フィックの法則を使用して拡散係数を直接取得した。その結果、REDが明確に観察され、照射下での拡散と熱拡散の比率が低温で大きくなった。反応速度論モデルを使用してREDを定量的に評価し、実験値は空孔のみを考慮したモデルと良好な一致を示した。これにより、REDが照射誘起空孔によって支配されていることが明らかになった。さらに、FeへのCuの溶解度に対する照射の影響に関する直接的な実験結果が得られ、照射下での溶解度は、熱時効下での溶解度よりも低いことがわかった。

論文

Perspectives on multiscale modelling and experiments to accelerate materials development for fusion

Gilbert, M. R.*; 荒河 一渡*; 鈴土 知明; 都留 智仁; 他26名*

Journal of Nuclear Materials, 554, p.153113_1 - 153113_31, 2021/10

 被引用回数:10 パーセンタイル:91.21(Materials Science, Multidisciplinary)

核融合炉環境における材料性能の予測において、計算科学モデリングが重要な役割を果たしており、第一世代の核融合発電所が稼働し長期的な挙動の観察が可能になるまで継続することが予定されている。2019年に、主要な専門家のグループがIEAの傘下の会合に参加し、核融合材料のモデル化における現在の位置と進行中の課題、および高度な実験特性評価がモデルの改善にどのように役立つかについて議論した。本論文は、そのワークショップ中に行われた議論から得られたレビューとして報告するものである。照射誘発欠陥の生成と基本特性のモデリング、ガスの挙動、クラスタリング、欠陥成長と相互作用、新しいマルチスケールシミュレーション、および高度な実験によるモデリングと実験の連携に関する取り組みについて議論した。

論文

Investigation of Cu diffusivity in Fe by a combination of atom probe experiments and kinetic Monte Carlo simulation

Zhao, C.*; 鈴土 知明; 外山 健*; 西谷 滋人*; 井上 耕治*; 永井 康介*

Materials Transactions, 62(7), p.929 - 934, 2021/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:27.72(Materials Science, Multidisciplinary)

Fe中のCuの拡散係数をこれまで測定されていなかった低い温度領域で測定することに成功した。拡散係数を測定する一般的な方法である拡散カップルは高温でしか適用できないため、本研究ではアトムプローブとCu析出の反応速度論を用いた。推定された拡散係数は、以前の研究で得られたものよりも信頼性が高いことが分かった。よって、アトムプローブによる推定がより高い精度をもたらしたと考えられる。さらに、この方法によって推定された拡散係数は、温度の低下に伴い多少オーバーエスティメイトされる傾向があることが、キネティックモンテカルロシミュレーションで明らかになった。

論文

Inclination of self-interstitial dumbbells in molybdenum and tungsten; A First-principles study

鈴土 知明; 都留 智仁

AIP Advances (Internet), 11(6), p.065012_1 - 065012_7, 2021/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:48.83(Nanoscience & Nanotechnology)

本研究では、第一原理計算手法を利用して、モリブデン(Mo)とタングステン(W)の自己格子間原子(SIA)を他のBCC遷移金属と比較して解析した。特に、{110}平面上で$$<$$111$$>$$から$$<$$110$$>$$に向かって方向が傾いているダンベルに注目した。このような傾きは、グループ5のBCC金属(つまり、バナジウム,ニオブ,タンタル)でも$$alpha$$鉄では不安定になる。我々の第一原理シミュレーションでは、傾斜したダンベルがMoで$$<$$111$$>$$ダンベルよりもエネルギー的に安定であったが、Wの場合は$$<$$111$$>$$ダンベルがより安定になった。ただし、せん断や膨張などのひずみがある場合には、Wでも傾斜ダンベルがより安定になる可能性が示された。傾斜ダンベルは一般に$$<$$111$$>$$ダンベルよりも大きな移動障壁を持っているため、格子ひずみがこれらの金属のSIAの移動障壁に大きく影響を与える可能性があることを示唆された。

論文

Computational study of solute effects in tungsten under irradiation

鈴土 知明

Materials Science Forum, 1024, p.87 - 94, 2021/03

タングステン(W)は、中性子イールドが高いため、核破砕中性子源の固体ターゲットに適しており、Wの照射効果の予測は重要である。特に、溶質元素の影響は複雑であり、まだその影響は明確に理解されていない。本論文では、第一原理計算とキネティックモンテカルロ計算を使用して溶質効果について議論する。Wの核変換生成物であるレニウム(Re)とオスミウム(Os)は、照射欠陥の安定性と移動性を大きく変える可能性がある。我々の結果によって、これらの溶質元素の影響が未解決の微細構造変化メカニズムを説明していることが示唆された。

論文

Numerical interpretation of hydrogen thermal desorption spectra for iron with hydrogen-enhanced strain-induced vacancies

海老原 健一; 杉山 優理*; 松本 龍介*; 高井 健一*; 鈴土 知明

Metallurgical and Materials Transactions A, 52(1), p.257 - 269, 2021/01

 被引用回数:8 パーセンタイル:68.99(Materials Science, Multidisciplinary)

応力腐食割れの原因の1つと考えられている水素脆化に関し、近年、材料の変形時に水素により過剰生成した空孔が直接の原因と考える水素助長ひずみ誘起空孔モデルが提案されている。しかし、その定量的考察はあまりなされておらず、誘起空孔の挙動の定量的評価が必要である。このことから、本研究では、水素添加と同時にひずみを与えた純鉄の薄膜試料の水素熱脱離スペクトルを、空孔及び空孔クラスターの挙動を考慮したモデルでシミュレーションした。モデルでは、9個の空孔からなる空孔クラスター($$V_9$$)までを考慮し、空孔及び空孔クラスターの水素トラップエネルギーとして、分子静力学で見積もった値を用いた。また、拡散に関するパラメータも原子レベル計算で評価した値を用いた。結果として、モデルは、全体としてスペクトルを再現し、時効処理の温度に対するスペクトルの変化も再現した。一方、実験との2つの特徴的な違いも現れ、その考察から、$$V_2$$及び$$V_3$$の拡散はモデルより遅いこと、また、水素と共にひずみを与える際に、空孔クラスターも生成されることの可能性が見出された。本モデルは、照射で生成した空孔の挙動の考察にも応用可能と考える。

論文

Brittle-fracture simulations of curved cleavage cracks in $$alpha$$-iron; A Molecular dynamics study

鈴土 知明; 海老原 健一; 都留 智仁

AIP Advances (Internet), 10(11), p.115209_1 - 115209_8, 2020/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:34.11(Nanoscience & Nanotechnology)

BCC金属の脆性破壊のメカニズムはまだ明確には理解されているとは言えない。本研究では、$$alpha$$鉄のへき開破壊の解析のため一連の3次元分子動力学シミュレーションを行った。特に、湾曲したき裂フロントから始まるモードI変形に焦点を当てた。シミュレーション結果、{100}面でへき開による脆性破壊が観察されたが、他の面では転位の放出によりき裂が鈍化した。この結果は{100}がbcc遷移金属で優先的に観測されるへ開面あるという一般的な実験的観察を再現した。

論文

Atomistic modeling of hardening in spinodally-decomposed Fe-Cr binary alloys

鈴土 知明; 高見澤 悠; 西山 裕孝; Caro, A.*; 外山 健*; 永井 康介*

Journal of Nuclear Materials, 540, p.152306_1 - 152306_10, 2020/11

 被引用回数:5 パーセンタイル:73.46(Materials Science, Multidisciplinary)

熱時効したFe-Cr合金はスピノーダル分解によって硬化を引き起こし、これはいわゆる475C脆性の直接的な原因である。スピノーダル分解が原子的相互作用によってどのように硬化を引き起こすのかを示すため、数値シミュレーションと実験を実施した。数値的な結果では、硬さが短距離秩序(SRO)パラメーターと比例することを示され、実験でもこの関係を統計誤差内で再現した。どちらの結果も、隣接するCr-Cr原子ペアが本質的に硬化を引き起こすことを示唆した。なぜなら、SROがそのようなペアの出現確率に一意的に依存しているからである。硬化の主な原因がそのようなCr-Crペア付近を通過する転位のピン止め効果であることが示唆されたが、このアイデアはさらなるモデリング研究により裏付けられた。

論文

Molecular dynamics study of phosphorus migration in $$Sigma$$5 grain boundary of $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

Proceedings of Joint International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications + Monte Carlo 2020 (SNA + MC 2020), p.65 - 69, 2020/10

リンは鉄鋼材料において粒界脆化を引き起こす元素として知られている。さらに、照射による空孔や格子間原子の増加によってリン原子の粒界偏析が促進される。このことから、照射量や温度に対する粒界リン偏析量を評価するため、原子レベルの素過程に基づく拡散レート理論モデルを開発している。しかし、このモデルでは、粒界でのリンのトラップ及びデトラップモデルが適切に取り込まれていないため、実験結果と直接比較できる量を計算できない。粒界からのデトラップを考察するため、これまで、これまで鉄中の$$Sigma$$3対称傾角粒界内におけるリンの移動を分子動力学シミュレーションにより考察してきたが、本研究では、$$Sigma$$5でのリン移動をシミュレーションし、$$Sigma$$3との結果と比較した。その結果、800Kにおいて、$$Sigma$$3ではリン原子は比較的容易に鉄原子の間を移動するが、$$Sigma$$5では空孔がないと移動できないことが分かった。また、リン原子を置かない粒界領域中の鉄原子についても同様の傾向が見られた。これは、デトラップ過程をモデル化するための1つの知見を与えると考えられる。

論文

${it In situ}$ WB-STEM observation of dislocation loop behavior in reactor pressure vessel steel during post-irradiation annealing

Du, Y.*; 吉田 健太*; 嶋田 雄介*; 外山 健*; 井上 耕治*; 荒河 一渡*; 鈴土 知明; Milan, K. J.*; Gerard, R.*; 大貫 惣明*; et al.

Materialia, 12, p.100778_1 - 100778_10, 2020/08

長期に原子炉圧力容器の健全性を確保するためには、照射が材料に及ぼす影響を理解する必要がある。本研究では我々が新規開発したWB-STEMを用いて、中性子照射された原子炉圧力容器試験片を焼鈍中、照射誘起転位ループの観察を行った。焼鈍温度を上げると$$<100>$$ループの割合が増加していることが確認された。また、2つの$$frac{1}{2}$$$$<111>$$ループが衝突して$$<100>$$ループになる現象の観察に初めて成功した。転位に転位ループがデコレートする現象も観察され、分子動力学シミュレーションによってそのメカニズムが説明することができた。

論文

Molecular dynamics simulations of phosphorus migration in a grain boundary of $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

TMS 2020; 149th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings, p.995 - 1002, 2020/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:74.76

リンは鉄鋼材料において粒界脆化を引き起こす元素として知られている。さらに、照射による空孔や格子間原子の増加によってリン原子の粒界偏析が促進される。このことから、照射量や温度に対する粒界リン偏析量を評価するため、原子レベルの素過程に基づく拡散レート理論モデルを開発している。しかし、このモデルでは、粒界でのリンのトラップ及びデトラップモデルが適切に取り込まれていないため、実験結果と直接比較できる量を計算できない。本研究では、粒界からのデトラップを考察するため、鉄中の$$Sigma$$3対称傾角粒界内におけるリンの移動を分子動力学でシミュレーションした。また、移動するリン原子を追跡し、その拡散障壁エネルギーを評価した。その結果、拡散障壁エネルギーは粒界の鉄原子の隙間の偏析サイトの偏析エネルギーと同程度であり、粒界中の鉄原子の間を移動することが分かった。これは、デトラップ過程をモデル化するための1つの知見を与えると考えられる。

論文

Anomalous solution softening by unique energy balance mediated by kink mechanism in tungsten-rhenium alloys

都留 智仁; 譯田 真人*; 鈴土 知明; 板倉 充洋; 尾方 成信*

Journal of Applied Physics, 127(2), p.025101_1 - 025101_9, 2020/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:22.81(Physics, Applied)

体心立方格子(BCC)を有する金属内の合金元素は強化や軟化機構を発現し、その影響は温度や濃度に依存して、複雑に変化する。本研究では、タングステン合金を対象として、転位モデルの第一原理計算と固溶強化機構の理論モデルを組み合わせて合金元素の影響をユニバーサルに評価する方法を検討した。BCC金属では、転位運動はキンク機構に基づく熱活性化過程であるため、合金元素が活性化エネルギーに与える影響を直接計算し、温度と濃度および合金元素の種類に依存した力学特性を評価した。

論文

Analyzing the cross slip motion of screw dislocations at finite temperatures in body-centered-cubic metals; Molecular statics and dynamics studies

鈴土 知明; 鬼塚 貴志*; 福元 謙一*

Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 27(6), p.064001_1 - 064001_15, 2019/08

 被引用回数:9 パーセンタイル:58.89(Materials Science, Multidisciplinary)

低温でのBCC金属の塑性は、らせん転位の移動に支配される。これらの金属結晶におけるらせん転位芯は非平面構造を有するため、その運動は複雑であり、予測不能である。例えば、密度汎関数理論(DFT)は、{$ 110 } $面上のすべりを予測するが、高温における実際のすべり面は予測から乖離してれており、そのメカニズムは何十年もの間の謎だった。本研究ではらせん転位運動を追跡する一連の分子動力学シミュレーションを実施し、実験で得られている滑り面の移行再現することに成功した。我々は、次に、Peierls障壁を超えて転位が移動する現象を精査するアルゴリズムを考案し、すべり面移行のメカニズムを発見した。すなわち、転位芯構造の変化がなくても、転位線の大きなゆらぎによって交差すべりのキンクペアが核形成されることを確認した。

論文

Primary radiation damage; A Review of current understanding and models

Nordlund, K.*; Zinkle, S. J.*; Sand, A. E.*; Granberg, F.*; Averback, R. S.*; Stoller, R. E.*; 鈴土 知明; Malerba, L.*; Banhart, F.*; Weber, W. J.*; et al.

Journal of Nuclear Materials, 512, p.450 - 479, 2018/12

 被引用回数:206 パーセンタイル:99.52(Materials Science, Multidisciplinary)

あらゆる種類の放射線影響の科学的理解は、一次損傷、すなわち、高エネルギー粒子によって開始された原子弾き出し事象の直後に生成される欠陥から始まる。このレビューでは、過去数十年にわたり一次損傷の性質について繰り返し行われてきた広範な実験およびコンピュータシミュレーションの研究を検討する。我々は、材料における結晶学的または位相的欠陥の生成、ならびに原子混合、すなわち結晶学的位置の原子が他のものと位置を交換することも検討する。我々はまた、このエネルギー粒子の損傷を定量化するための現在の国際標準であるNorgett-Robinson-Torrens(NRT)-dpaの代替案を提供するための最近の取り組みについて考察する。我々は、NRT-dpaを拡張する新しい補完的な変位量推定(athermal recombination corrected dpa: arc-dpa)と原子混合(replacements per atom: rpa)関数を詳細に提示し、それらの利点と限界について議論する。

論文

Atomistic simulation of phosphorus segregation to $$Sigma$$3(111) symmetrical tilt grain boundary in $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 26(6), p.065005_1 - 065005_10, 2018/09

AA2018-0168.pdf:2.74MB

 被引用回数:4 パーセンタイル:26.05(Materials Science, Multidisciplinary)

照射誘起粒界リン偏析の見積もりは原子炉圧力容器鋼の脆化を評価する上で重要な要素であるが、粒界へのリン移動の物理的過程は依然として不明である。このことから、分子動力学を用いて$$Sigma$$3(111)対称傾角粒界へのリン移動を分子動力学シミュレーションによって評価した。結果として、粒界近傍$$sim$$1nmの範囲で、自己格子間原子が粒界に押し出されることで、鉄-リン混合ダンベルのリン原子と八面体格子間リン原子が置換型原子になることを見出した。空孔-リン複合体も解離し、空孔はリン原子を引きずることなく粒界に吸収された。この結果は、従来考えられている偏析プロセスとは異なることから、それについて新しい視点が必要であると示唆している。

論文

First-principles calculations of interaction between solutes and dislocations in tungsten

都留 智仁; 鈴土 知明

Nuclear Materials and Energy (Internet), 16, p.221 - 225, 2018/08

 被引用回数:6 パーセンタイル:62.73(Nuclear Science & Technology)

タングステン中の核反応生成物であるレニウムとオスミウムによる機械特性の変化を理解することは核融合におけるプラズマ対向材料の重要な課題である。本研究では、塑性変形時の転位とこれらの核反応生成物とその他の固溶元素に着目し、第一原理計算を用いて相互作用について検討を行った。その結果、Ir, Pt, Au, Hgなどの合金では非常に強い引力相互作用を生じ固溶強化を生じることがわかった。一方、Hf, Ta, Reでは転位の運動を容易にすることで固溶軟化を生じる特徴を有することがわかった。これらの傾向はW-Re合金の実験観察とよく一致しており、メカニズムの解明に寄与すると考えられる。

論文

First-principles study of solvent-solute mixed dumbbells in body-centered-cubic tungsten crystals

鈴土 知明; 都留 智仁; 長谷川 晃*

Journal of Nuclear Materials, 505, p.15 - 21, 2018/07

AA2017-0485.pdf:0.51MB

 被引用回数:12 パーセンタイル:83.08(Materials Science, Multidisciplinary)

タングステン(W)は、将来の核融合炉のプラズマ対向材料として有望視されており、W合金の耐放射線性を向上させその機械的特性を改善するための最適な合金成分を選択することが重要な課題である。本研究では、W結晶中の溶媒と溶質の混合ダンベルを第一原理計算によって調査した。その結果、チタン, バナジウム, クロムはW材の延性を低下させる原因となる照射誘起析出を起こさずに、空孔と格子間原子の再結合を促進させるため、照射効果という観点からではW材の合金元素として望ましいことがわかった。

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