Cleavages along {110} in bcc iron emit dislocations from the curved crack fronts

鈴土 知明; 海老原 健一; 都留 智仁; 森 英喜*

Scientific Reports (Internet), 12, p.19701_1 - 19701_10, 2022/11

https://doi.org/10.1038/s41598-022-24357-5

体心立方(bcc)遷移金属である-FeやWは、{110}面の表面エネルギーが最も低いにもかかわらず、{100}面に沿ってへき開割れが起きる。この奇妙な現象のメカニズムを解明するため、人工ニューラルネットワークの手法で作成した原子間ポテンシャルを用いて-Feの曲線のへき開き裂先端の大規模原子シミュレーションと直線のき裂先端の応力拡大係数解析を実施した。その結果、以下の新しい知見が得られた。{110}に沿ったへき開面のき裂先端から転位放出が観測され、そのことは{100}面が実際に起こるへき開面であることを示唆した。しかしながら、単純な直線状のき裂先端解析では、同じ結論は得られなかった。よって、機械的な強度を正しく予測するためには、高精度なポテンシャルを用いて、材料固有の複雑さを十分に捉えた原子論的なモデリングが必要であることが示唆された。本研究で採用した方法は、bcc遷移金属・合金のへき開問題に一般的に適用可能である。

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

海老原 健一; 鈴土 知明

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

https://doi.org/10.3390/met12040662

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。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(3[1-10](111), 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、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、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。

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

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153176

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。

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

https://doi.org/10.2320/matertrans.MT-M2021028

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。

Computational study of solute effects in tungsten under irradiation

鈴土 知明

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

https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1024.87

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。

Brittle-fracture simulations of curved cleavage cracks in -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

https://doi.org/10.1063/5.0026659

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、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。

Molecular dynamics study of phosphorus migration in 5 grain boundary of -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、5でのリン移動をシミュレーションし、3との結果と比較した。その結果、800Kにおいて、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、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。

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

海老原 健一; 鈴土 知明

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

https://doi.org/10.1007/978-3-030-36296-6_93

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。

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

https://doi.org/10.1088/1361-651X/ab235e

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、{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。

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

https://doi.org/10.1088/1361-651X/aace6a

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。