Mechanistic origin of oxygen-induced twin suppression in titanium

Chong, Y.*; 都留 智仁; Gholizadeh, R.*; Minor, A. M.*; 辻 伸泰*

Acta Materialia, 301, p.121523_1 - 121523_12, 2025/12

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121523

六方最密充填(HCP)チタン合金は、非対称なHCP結晶構造のため本質的に独立した滑り系が少ないため、大きな延性を達成するには双晶形成が不可欠である。一般に双晶形成は原理的には微量の格子間酸素によって抑制され、チタンの延性が大幅に低下することが知られているが、その根本的なメカニズムは議論の余地がある。本研究では、Ti-O合金の双晶形成/双晶回復挙動に関する体系的なマルチスケール研究を報告し、格子間酸素が双晶形成を阻害する要因を検討した。アトムプローブトモグラフィーを使用して、酸素原子が{102}引張双晶境界と{112}圧縮双晶境界の両方に偏析することを初めて明らかにした。また、第一原理計算によって、酸素シャッフルメカニズムによる双晶境界への酸素原子の強いピン止め効果が示され、これにより異なる温度でのTi-O合金の双晶境界の特異な移動形態を説明することに成功した。これらの実験と計算による研究から得られた知見は、格子間不純物含有量の変動に対する許容度を高めたチタン合金の設計の根拠となり、この高強度で軽量な材料のより広範な使用に大きな意味をもたらす。

Loading-direction dependence of non-basal slip activity in a pre-twinned AZ31 magnesium alloy

Go, J.*; Park, M.-H.*; Gao, S.*; 松宮 久*; Gong, W.; 辻 伸泰*

Journal of Alloys and Compounds, 1014, p.178749_1 - 178749_10, 2025/02

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.178749

In Mg alloys, basal dislocation slip is the preferential slip system that is activated at room temperature, while non-basal slips are typically difficult to activate owing to their high critical resolved shear stress. Until now, minimal focus has been directed towards the influence of loading direction on slip behavior in pre-twinned AZ31 alloys. This study employed transmission electron microscopy to demonstrate that non-basal slips, specifically prismatic and pyramidal I slips, are activated under deformation conditions where de-twinning is difficult in a pre-twinned AZ31 Mg alloy. When the tensile loading direction is parallel to the precompression direction, de-twinning and basal slip are the primary deformation modes. Conversely, when the tensile loading direction is perpendicular to the precompression direction, where de-twinning is challenging to activate, both basal and non-basal slips, such as prismatic and pyramidal I slips, emerge as the primary deformation modes. These results indicate that the pre-twinned AZ31 Mg alloy cannot deform solely through basal slips, and the activation of either de-twinning or non-basal slips is necessary to satisfy the von Mises criterion. Our findings in this study demonstrate the impact of non-basal slip activity on macroscopic yield stress and overall deformation, hence enhancing the understanding of magnesium alloy deformation mechanisms.

Quantitatively evaluating respective contribution of austenite and deformation-induced martensite to flow stress, plastic strain, and strain hardening rate in tensile deformed TRIP steel

Mao, W.; Gao, S.*; Gong, W.; Bai, Y.*; Harjo, S.; Park, M.-H.*; 柴田 曉伸*; 辻 伸泰*

Acta Materialia, 256, p.119139_1 - 119139_16, 2023/09

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119139

変形誘起塑性(TRIP)鋼は、変形誘起マルテンサイト変態(DIMT)に伴う加工硬化率の向上により、強度と延性の優れた組み合わせを示す。TRIP鋼や合金の加工硬化挙動におけるDIMTの役割を定量的に評価することは、強度と延性の両立を可能にする先進材料を設計するための指針を与えるが、変形中に相組成が変化し続け、応力と塑性ひずみの両方が構成相間で動的に分配されるため、その評価は困難である。本研究では、Fe-24Ni-0.3C(wt.%)TRIPオーステナイト鋼の引張変形とその場中性子回折測定を行った。中性子回折測定による応力分割と相分割に基づく解析手法を提案し、試験片の引張流動応力と加工硬化率を、オーステナイト母相,変形誘起マルテンサイト、DIMT変態速度に関連する因子に分解し、試料の加工硬化挙動における各因子の役割を考察した。さらに、回折プロファイル解析により測定した転位密度を用いてオーステナイトとマルテンサイト間の塑性ひずみ分配を間接的に推定し、材料中のオーステナイトとマルテンサイト間の応力・ひずみ分配の全体像を構築した。その結果、変形誘起マルテンサイト変態速度とマルテンサイトが負担する相応力の両方が、材料の全体的な引張特性に重要な役割を果たしていることが示唆された。提案した分解解析法は、TRIP現象を示す多相合金の機械的挙動を調べるために広く適用できる可能性がある。

Rediscovery of Hall-Petch strengthening in bulk ultrafine grained pure Mg at cryogenic temperature; A Combined neutron diffraction and electron microscopy study

Zheng, R.*; Gong, W.; Du, J.-P.*; Gao, S.*; Liu, M.*; Li, G.*; 川崎 卓郎; Harjo, S.; Ma, C.*; 尾方 成信*; et al.

Acta Materialia, 238, p.118243_1 - 118243_15, 2022/10

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118243

Grain refinement can lead to the strengthening of metallic materials according to the Hall-Petch relationship. However, our recent results suggested that grain boundary sliding is the dominant deformation mode in bulk ultrafine grained (UFG) pure Mg at room temperature, leading to softening. Here, for the first time, we report that the Hall-Petch strengthening can be regained in bulk UFG pure Mg at cryogenic temperature. At 77K, the UFG pure Mg with a mean grain size of 0.6 m exhibited ultrahigh tensile yield strength and ultimate tensile strength of 309 MPa and 380 MPa, respectively. Combined neutron diffraction and electron microscopy investigation indicated that residual dislocation structures and deformation twins hardly formed in the UFG specimen during tensile test at 298K. In contrast, fast accumulation of lattice defects and remarkable reorientation were evident at 77K, suggesting that the grain-boundary-mediated process was suppressed and the plastic deformation was dominated by dislocation slip and deformation twinning. In addition, all the pure Mg specimens exhibited pronounced strain hardening at 77 K, which was mainly attributed to the suppressed grain boundary sliding and dynamic recovery. The mean dislocation density and relative fractions of dislocations with various Burgers vectors of the UFG specimen deformed at 77K were determined quantitatively from neutron diffraction data.

Achieving excellent mechanical properties in type 316 stainless steel by tailoring grain size in homogeneously recovered or recrystallized nanostructures

Liu, M.*; Gong, W.; Zheng, R.*; Li, J.*; Zhang, Z.*; Gao, S.*; Ma, C.*; 辻 伸泰*

Acta Materialia, 226, p.117629_1 - 117629_13, 2022/03

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117629

One hopeful path to realize good comprehensive mechanical properties in metallic materials is to accomplish homogeneous nanocrystalline (NC) or ultrafine grained (UFG) structure with low dislocation density. In this work, high pressure torsion deformation followed by appropriate annealing was performed on 316 stainless steel (SS). For the first time, we successfully obtained NC/UFG 316 SS having uniform microstructures with various average grain sizes ranging from 46 nm to 2.54 m and low dislocation densities. Among the series, an un-precedentedly high yield strength (2.34 GPa) was achieved at the smallest grain size of 46 nm, in which dislocation scarcity induced hardening accounting for 57% of the strength. On the other hand, exceptional strength-ductility synergy with high yield strength (900 MPa) and large uniform elongation (27%) was obtained in the fully recrystallized specimen having the grain size of 0.38 m. The high yield stress and scarcity of dislocation sources in recrystallized UFGs activated stacking faults and deformation twins nucleating from grain boundaries during straining, and their interaction with dislocations allowed for sustainable strain hardening, which also agreed with the plaston concept recently proposed. The multiple deformation modes activated, together with the effective strengthening mechanisms, were responsible for the outstanding comprehensive mechanical performance of the material.

Factors controlling dissolved Cs concentrations in east Japanese rivers

辻 英樹*; 石井 弓美子*; Shin, M.*; 谷口 圭輔*; 新井 宏受*; 栗原 モモ*; 保高 徹生*; 倉元 隆之*; 中西 貴宏; Lee, S*; et al.

Science of the Total Environment, 697, p.134093_1 - 134093_11, 2019/12

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134093

福島第一原子力発電所事故の影響を受けた河川の溶存態放射性セシウム濃度の制御要因を明らかにするため、東日本66箇所の河川で調査を行った。溶存態Cs濃度について流域の平均Cs沈着量・土地利用・土壌組成・地形・水質との関連性を評価した結果、地形的な湿潤指標(TWI)が有意に正の相関を示した。ヨーロッパの河川でも同様の相関が認められるが、日本の河川では湿地帯ではなく市街地が溶存態Cs濃度に強く影響していた。

neutron diffraction study on the deformation of a TRIP-assisted multi-phase steel composed of ferrite, austenite and martensite

Lavakumar, A.*; Park, M. H.*; Gao, S.*; 柴田 曉伸*; 興津 貴隆*; Gong, W.; Harjo, S.; 辻 伸泰*

IOP Conference Series; Materials Science and Engineering, 580, p.012036_1 - 012036_6, 2019/09

https://doi.org/10.1088/1757-899X/580/1/012036

Multi-phase steels showing transformation induced plasticity (TRIP), can exhibit an excellent combination of high strength and good ductility by the aid of martensitic transformation during deformation. Even though TRIP-assisted multi-phase steels have been widely used in industry, the role of each phase in the enhancement of mechanical properties is still unclear given their complicated microstructures. In order to understand better the nature of the TRIP effect, the mechanical interaction between different phases at the micro-scale should be clarified. In the present study, the mechanical behavior of a transformation induced plasticity (TRIP) assisted multi-phase steel, has been characterized by neutron diffraction during tensile testing. The result of strain partitioning between the different phases obtained from the neutron analysis revealed that the martensite phase took much more elastic strain than the ferrite and retained austenite phases, which suggests that the work hardening behavior in the present steel is affected by the higher load borne by deformation-induced martensite.

Integrated sorption and diffusion model for bentonite, 2; Porewater chemistry, sorption and diffusion modeling in compacted systems

舘 幸男; 四辻 健治; 陶山 忠宏; Ochs, M.*

Journal of Nuclear Science and Technology, 51(10), p.1191 - 1204, 2014/10

https://doi.org/10.1080/00223131.2014.914453

圧縮ベントナイトに対する統合収着・拡散モデルを、間隙水化学モデル, 熱力学的収着モデル, 電気二重層に基づく拡散モデルを整合的に組合せることにより構築した。この統合収着・拡散モデルは、複雑な化学形をとるアクチニド(炭酸錯体が形成される条件下でのNp(V), Am(III), U(VI))を対象に、公開された拡散・収着データ(, , )の部分モンモリロナイト密度依存性に対し適用が検討された。その結果、以前に報告している1価の陽イオン(Cs, Na)や陰イオン(Cl, I, TcO)と同様に、実測データとモデルとの整合性が確認された。以上より、統合収着・拡散モデルは、圧縮ベントナイト中の複雑な化学種の収着・拡散挙動の評価にも適用することが可能であるといえる。

Spin-orbital short-range order on a honeycomb-based lattice

中辻 知*; 久我 健太郎*; 木村 健太*; 佐竹 隆太*; 片山 尚幸*; 西堀 英治*; 澤 博*; 石井 梨恵子*; 萩原 政幸*; Bridges, F.*; et al.

Science, 336(6081), p.559 - 563, 2012/05

https://doi.org/10.1126/science.1212154

フラストレートした磁性体においても最低温度まで乱れが残る場合がある。その一例がBaCuSbOであり、微視的に見ると磁気的に非対称である一方、長さ,時間スケールともに平均的に見ると対称な状態にある。われわれは、この物質において静的なヤーンテラー歪を示すことなくCuイオンのハニカム格子が、フラストレートした状態にあることを見いだした。このハニカム格子においては、スピン1/2同士が2次元的にランダムに結合しており、スピンダイマー的なブロードな励起があり、また低エネルギーのスピン自由度が残ることが見られた。

地層処分安全評価のための現象論的収着・拡散モデル/データベースの開発; ベントナイト系プロトタイプモデル/データベースの構築

舘 幸男; 四辻 健治; 陶山 忠宏; Ochs, M.*; 油井 三和

JAEA-Research 2009-069, 83 Pages, 2010/03

JAEA-Research-2009-069.pdf:14.56MB

地層処分安全評価に資することを目的とした、ベントナイト/モンモリロナイトを対象とした統合収着・拡散モデル及びデータベースのプロトタイプ(ISD2009)を構築した。熱力学的収着モデルは、1サイト表面錯体(拡散層)モデルと1サイトイオン交換モデルを組合せた比較的単純なモデルを適用し、表面化学及び核種収着に関するモデルパラメータを、pH,塩濃度,炭酸等の主要な環境条件の依存性を含む信頼性の高い既往文献データに基づき、一貫性のある方法で構築した。さらに、均質な間隙構造と電気二重層に基づく拡散モデル,収着モデルとの統合化モデルを構築し、圧縮モンモリロナイト中の塩濃度や炭酸影響を含む信頼性の高い収着・拡散データへ適用することで検証を行った。収着/拡散/統合モデルのそれぞれにおいて、随伴鉱物の溶解反応等を含むベントナイト間隙水化学モデルを考慮しつつ、モンモリロナイト系で構築したモデル/パラメータをベントナイト系へ適用し、その妥当性を確認した。ここで検討対象としたCs, Np(V), Ni, Am等の核種に対する一連のモデル/パラメータを、ISD2009データベース/評価ツールとして構築し、今後の安全評価における活用法を提示した。