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板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛; 都留 智仁
Physical Review Letters, 116(22), p.225501_1 - 225501_5, 2016/06
被引用回数：38 パーセンタイル：86.15(Physics, Multidisciplinary)六方晶金属は結晶構造のため特定の方向にのみ変形する性質があり加工が困難である。近年様々な元素を添加することでこの性質を改善する研究が競争状態にある。本課題はこれまで鉄の転位の第一原理計算を行ってきた経験を活かし、これを六方晶金属である燃料被覆管ジルコニウムへ応用することを最終目標として同じ六方晶金属であるマグネシウムの複雑な塑性変形機構を解明しようとするものである。今回第一原理計算により、実験において観測されていて塑性改善の鍵となると考えられている錐面転位の原子構造や六方晶特有の移動プロセスを解明することに成功した。その結果、錐面転位が拡張したまま低温でも容易に交差滑りを起こすことが分かった。この結果は、これまで知られていなかった新しい交差滑りのメカニズムを発見したものであり、六方晶金属の塑性変形機構解明に大きく貢献するものである。
dislocation in magnesium板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛; 都留 智仁
Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 23(6), p.065002_1 - 065002_19, 2015/09
被引用回数：14 パーセンタイル：49.68(Materials Science, Multidisciplinary)マグネシウムは軽量で強度があり構造材料としての高いポテンシャルを持っているが結晶構造の対称性の低さから特定の方向にのみ変形する性質があり加工が困難である。近年様々な元素を添加することでこの性質を改善する研究が各国において産学連携で進められ競争状態にある。本課題はこれまで鉄の転位の第一原理計算を行ってきた経験を活かし、計算科学研究の進んでいないマグネシウムについて研究を開始したものである。これまでマグネシウムの変形を担う転位の性質はその安定構造が第一原理計算で求められていたのみで、その移動の性質は不明であった。本研究では転位の構造とその移動を同時にコントロールする手法を新たに開発し、移動に必要なエネルギーを構造変化を考慮に入れた上で計算することに成功した。その結果、必要なエネルギーの大部分は構造変化のエネルギーであり、構造変化した後は転位が容易に移動することが分かった。この計算手法は同じ六方晶系の燃料被覆管用ジルコニウム合金へも適用可能である。
鈴土 知明; 都留 智仁; 山口 正剛; 蕪木 英雄
Journal of Nuclear Materials, 442(1-3), p.S655 - S659, 2013/11
被引用回数：6 パーセンタイル：43.8(Materials Science, Multidisciplinary)原子炉その他の構造材における粒界にて析出するヘリウムバブルは、材料に深刻な脆化をもたらすことがあるが、そのようなバブルの形成機構はよくわかっていない。本研究では、その形成機構を明らかにするため、経験ポテンシャルを用いてヘリウムバブルの元になるヘリウム空孔クラスタの安定性を調べた。その結果、粒界におけるヘリウム空孔クラスタからの空孔の脱離エネルギーが、一般に同様のサイズの粒内クラスタのそれに比べて小さいことがわかった。また、粒界では平衡状態にあるクラスタのヘリウム・空孔比が大きくなることがわかった。以上のような結果は、バブル形成モデルを構築する場合の有用な情報となる。
都留 智仁; 宇田川 豊; 山口 正剛; 板倉 充洋; 蕪木 英雄; 加治 芳行
Journal of Physics; Condensed Matter, 25(2), p.022202_1 - 022202_5, 2013/01
被引用回数：57 パーセンタイル：86.94(Physics, Condensed Matter)軽量構造材料の応用に向けてマグネシウム合金の延性を向上させる必要性が認識されている。本論文では、イットリウム固溶が非底面すべりを活性化する可能性に着目する。まず、純マグネシウムの底面及び柱面に対する一般化積層欠陥(GSF)エネルギーを密度汎関数理論(DFT)と経験ポテンシャルによって評価し、転位芯構造への影響について準離散変分パイエルス・ナバロウモデル(SVPN)を用いて検討する。さらに、添加されたイットリウムの固溶軟化に対しても、DFT計算ベースのSVPNモデル解析を行ったところ、GSFエネルギー表面の勾配を低下させることによって、軟化を促進する影響をもつことを明らかにした。
-Fe; Damage energy and temperature dependence analyses鈴土 知明; Golubov, S. I.*; Stoller, R. E.*; 山口 正剛; 都留 智仁; 蕪木 英雄
Journal of Nuclear Materials, 423(1-3), p.40 - 46, 2012/01
被引用回数：8 パーセンタイル：52.28(Materials Science, Multidisciplinary)原子炉構造材料の照射効果を明らかにするため、損傷エネルギーが200keVまでのカスケード損傷の分子動力学シミュレーション結果を用いてキネティックモンテカルロ法による長時間の時間発展の解析を行った。われわれは特に残留する欠陥数が損傷エネルギーや温度によってどのように変化するかを詳細に調べた。この結果は照射下の微細構造発達の速度論方程式の入力パラメータとして使える。また本解析により、アニーリング中サブカスケードはほぼ独立して時間発展すること、そしてアニーリング結果の温度依存性は空孔拡散と空孔のクラスターからの脱離確率の温度依存性によって説明できることがわかった。
-Fe鈴土 知明; Golubov, S.*; Stoller, R.*; 山口 正剛; 都留 智仁; 蕪木 英雄
Proceedings of Joint International Conference of 7th Supercomputing in Nuclear Application and 3rd Monte Carlo (SNA + MC 2010) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2010/10
分子動力学は原子炉構造材料中でのカスケード照射損傷を解析するのに適したツールであるが、その手法で追える時間は100ピコ秒程度である。それに対してキネティックモンテカルロ法によるカスケードアニーリングシミュレーションはカスケード損傷後の長いシミュレーションに適している。そこでわれわれは-鉄においてそのようなアニーリングシミュレーションを包括的に行った。PKAエネルギーが10keV以上の場合ではカスケード事象直後に残存する弾き出し量のNRT標準値に対する比が0.3程度あるが、300Kにおけるアニーリングによってその約3割が再結合で消失することがわかった。また再結合率はアニール温度を上げると高くなることがわかった。これらの結果は、速度論を用いたカスケード蓄積シミュレーションのモデリングに有用なデータを提供する。以上のように、本成果は原子力分野の材料研究開発に資する成果である。
江里 幸一郎; 秋場 真人; 榎枝 幹男; 鈴木 哲; 関 洋治; 谷川 尚; 鶴 大悟; 森 英夫*; 岡 芳明*
Proceedings of 16th Pacific Basin Nuclear Conference (PBNC-16) (CD-ROM), 6 Pages, 2008/10
現在、東京大学を中心として設計・開発が進められている軽水冷却スーパー高速炉では超臨界圧水を用いて炉心を冷却する。燃料棒被覆管表面温度の高精度予測は燃料棒健全性と主蒸気温度評価にとって重要であるが、超臨界圧水の伝熱実験は管内流において実施されたものであり、燃料棒周りのような狭隘流路の管外流における伝熱流動データはこれまでほとんど取得されていない。本報では、上記のような超臨界圧水の伝熱流動データを取得するために原子力機構に整備した伝熱流動ループの概要と、単一模擬燃料棒ヒータ周りの熱伝達実験結果を報告する。本報告は、旧電源開発促進対策特別会計法に基づく文部科学省からの受託事業として、東京大学が実施した平成18年度「軽水冷却スーパー高速炉に関する研究開発」の成果である。
宮崎 明美; 鶴 秀生*
第56回理論応用力学講演会講演論文集, p.299 - 300, 2007/03
原子力プラントにおいてその安全性と機能性を維持することは、非常に重要な課題である。著者らは、配管系構造物における応力波伝播現象及び減衰機構の解明を目的とし、複雑な配置を有するフレーム構造物の波動伝播特性に関する研究開発を行っている。これまでに、波動伝播特性解明のために有効な手法であるスペクトル要素法(SEM)を拡張し、数値シミュレーションを実施している。一般に、フレーム構造物の波動伝播解析では、比較的高周波までよい近似を与えるという理由からTimoshenkoの理論がよく用いられている。このTimoshenko理論は曲げとせん断変形を連成させるためにTimoshenko係数を用いている。Timoshenko係数は、断面内のせん断変形分布から計算されるが、このせん断変形分布はある種の仮定(理論)に基づいている。現在さまざまな理論が提案されているが、本論文ではCowperの理論の再検討を試みた。フレームの断面形状と分散関係の検討,数値シミュレーションによる衝撃力作用時の配管の波動伝播解析を行い、Timoshenko係数の評価が応答に与える影響が無視できないことを示した。
西田 明美; 鶴 秀生*
no journal, ,
高度計算機技術開発室では、耐震性評価用仮想振動台の構築を目的とし、原子力プラントの振動シミュレーションシステムの開発に取り組んでいる。特に、膨大な部品間における応力波伝播・減衰機構の解明を目的とし、複雑な配置を有する構造物の波動伝播特性に関する研究開発を行っている。これまでに、波動伝播特性解明のために有効な手法であるスペクトル要素法を拡張し、数値シミュレーションを実施している。一般に、フレーム構造物の波動伝播解析では、比較的高周波まで良い近似を与えるという理由からTimoshenkoの理論がよく用いられている。このTimoshenko理論は曲げとせん断変形を連成させるためにTimoshenko係数を用いている。Timoshenko係数は、断面内のせん断変形分布から計算されるが、このせん断変形分布はある種の仮定(理論)に基づいている。現在さまざまな理論が提案されているが、本発表ではCowperの理論の再検討を試みた。フレームの断面形状と分散特性との関係、衝撃力作用時の配管の断面内応力分布の調査検討を行い、Timoshenko係数の評価が応答に与える影響が無視できないことを示した。
鉄粒界におけるヘリウム空孔クラスターの安定性解析鈴土 知明; 都留 智仁; 山口 正剛; 蕪木 英雄
no journal, ,
高照射環境での材料脆化の原因とされる粒界バブルの性質を調べる目的で、Fe-He系の経験ポテンシャルを用いて、鉄中のさまざまな種類の粒界においてヘリウム空孔クラスターの安定性について調べた。その結果、クラスターの形成エネルギーが粒内のそれよりも有意に低くなった。これはバブルが粒内よりも粒界にできやすいことを反映していると思われる。また、空孔の解離エネルギーは一般に粒内に比較して粒界のクラスターにおいて小さく、粒界ではヘリウム原子の空孔数に対する比が大きくなることが予測される。
都留 智仁; 山口 正剛; 板倉 充洋; 蕪木 英雄; 加治 芳行
no journal, ,
自動車の構造部材の軽量化が重要であり、マグネシウム合金の応用が期待されている。しかしながら、マグネシウム合金は六方構造の塑性異方性のため加工性が低く、そのため成形性,疲労強度,衝突安全性の向上が重要課題となっている。本研究では、第一原理計算に基づく積層欠陥エネルギーを用いた離散変分PNモデルと原子シミュレーションにより、加工性の向上のため添加元素について検討し、底面・非底面すべり特性を評価する。
板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛; 都留 智仁
no journal, ,
要旨:マグネシウムは軽量で強度があり構造材料としての高いポテンシャルを持っているが結晶構造の対称性の低さから特定の方向にのみ変形する性質があり加工が困難である。近年さまざまな元素を添加することでこの性質を改善する研究が各国において産学連携で進められ競争状態にある。本課題はこれまで鉄の転位の第一原理計算を行ってきた経験を活かし、マグネシウムについて企業との連携で研究を開始したものである。これまでマグネシウムの変形を担う転位の性質はその安定構造が第一原理計算で求められていたのみで、その移動の性質は不明であった。本研究では転位の構造とその移動を同時にコントロールする手法を新たに開発し、移動に必要なエネルギーを構造変化を考慮に入れたうえで計算することに成功した。その結果、必要なエネルギーの大部分は構造変化のエネルギーであり、構造変化した後は転位が容易に移動することがわかった。この結果は、転位の構造を変える添加元素を見つけることで変形しやすい新合金を開発する可能性を生み出したものである。
蕪木 英雄; 板倉 充洋; 山口 正剛; 都留 智仁
no journal, ,
異方性の強い六方晶系マグネシウム結晶では転位の運動は大部分底面に限られているため、軽量の構造材料の開発を阻んでいる。そのため底面上のらせん転位を柱面上へクロススリップさせるメカニズムを探ることは重要な課題の一つである。ここでは分子動力学法を用いて、底面上にあるらせん転位にせん断応力を負荷して柱面上へクロススリップする限界を明らかにするとともに、柱面上での転位の運動機構であるキンク生成の温度依存性についても調べた。
山口 正剛; 都留 智仁; 板倉 充洋; 蕪木 英雄
no journal, ,
マグネシウム(Mg)は最も軽い構造用金属材料として近年注目を集めているが、六方晶であることに起因して、すべりやすい底面とすべりにくいその他の面(柱面,錐面)とのバランスが悪く、加工性が悪い。そこで、数%以内のイットリウム(Y)添加によって伸びが大幅に向上することがわかっているが、Yは希少金属であるためコストの上昇を招く。そのため、希少金属ではない他の元素の添加によって加工性を改善することが求められているが、どのような元素を添加すればよいかの理論的指針がない。そこでまず、第一原理計算によりMgのすべり異方性に対するY, Al, Znの効果を調べた。本発表ではそれらの結果をもとに上記の元素添加の戦略について議論したい。
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らせん転位の交差滑りの計算板倉 充洋; 山口 正剛; 蕪木 英雄; 都留 智仁
no journal, ,
マグネシウムは軽量で強度があるため、構造材料としての高いポテンシャルを有しているが結晶構造の対称性の低さから特定の方向にのみ変形する性質があり加工が困難である。それゆえ、近年はさまざまな元素を添加することでこの性質を改善する研究が各国において産学連携で進められ競争状態にある。そのような状況の下、当該課題は、これまで鉄の転位の第一原理計算を行ってきた所属研究室の経験や知見を活かすことが可能であり、実際にマグネシウムを必要とする企業との連携の下、研究が始まった。その結果、従来マグネシウムの変形を担う転位の性質は、その安定構造が第一原理計算で求められていたのみで、その移動の性質は不明であったが、本研究により、転位の構造とその移動を同時にコントロールする手法が新たに開発され、移動に必要なエネルギーを構造変化を考慮に入れた計算が可能となった。計算により得られた事実は、必要なエネルギーの大部分は構造変化のエネルギーであり、構造変化した後は転位が容易に移動することである。これにより、転位の構造を変える添加元素を見つけることで変形しやすい新合金を開発する可能性があることがわかった。
蕪木 英雄; 板倉 充洋; 山口 正剛; 都留 智仁
no journal, ,
マグネシウム金属は軽量であるため、構造材としての利用に期待が高い。しかしながら、六方晶系の結晶構造を持つマグネシウムの機械的性質は、主すべり系が底面であるため強い異方性を示す。そのため広範囲の方向への塑性を引き起こすための手法の開発が求められている。その方法の一つとして底面上のらせん転位をその直角方向へ交差すべりさせることが考えられる。これらのすべり面上では転位の芯構造自体も複雑になっているため、底面から他のすべり面への交差すべり機構の解明には原子レベルの手法が求められている。そのため分子動力学法を用いて、底面上のらせん転位が底面と直角方向の柱面へどの様な条件で交差すべりを起こすか調べた。特に、柱面上に存在する刃状転位が交差すべりにどの様な影響を及ぼすかについても明らかにした。
板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛; 都留 智仁
no journal, ,
マグネシウムは軽量で強度があり構造材料としての高いポテンシャルを持っているが結晶構造の対称性の低さから特定の方向にのみ変形する性質があり加工が困難である。近年様々な元素を添加することでこの性質を改善する研究が進められている。本課題はこれまで鉄の転位の第一原理計算を行ってきた経験を活かし、マグネシウムについて研究を開始したものである。本研究では実験において観測されていて塑性改善の鍵となると考えられている錐面転位の性質を初めて第一原理計算により調べ、その原子構造や移動プロセスを解明することに成功した。その結果、錐面転位が比較的低い応力で移動し、実際に塑性変形の鍵になっていることが分かった。この結果は、マグネシウムの塑性改善のために、これら錐面転位を活性化するような添加元素を計算の立場から発見することで指針を与える可能性を生み出したものである。
山口 正剛; 板倉 充洋; 蕪木 英雄; 都留 智仁
no journal, ,
マグネシウムは軽量材料として期待されているが、六方晶金属であることからすべりの異方性が強いため、成形性が悪いことで知られている。添加元素としてイットリウムを加えると成形性が改善されることが知られているが、希土類元素のため価格が高い。このため、他の安価な元素で代替することが求められている。本研究では、第一原理計算によってイットリウムの転位のパイエルス応力や粒界強化効果への影響を調べ、同様の効果を持つ他の元素を探した。その結果、いくつかの元素を発見し、後に実験でそれが確かめられた。
c+aらせん転位の第一原理計算板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛; 都留 智仁
no journal, ,
燃料被覆管に使われるジルコニウムなどの六方晶金属は結晶構造の対称性の低さから特定の方向にのみ変形する性質があり加工が困難である。近年様々な元素を添加することでこの性質を改善する研究が各国において産学連携で進められている。本課題はこれまで鉄の転位の第一原理計算を行ってきた経験を活かし、代表的六方晶金属であるマグネシウムについて企業との連携で研究を開始したものである。本研究では実験において観測されていて塑性改善の鍵となると考えられている錐面転位の性質を初めて第一原理計算により調べ、その原子構造や移動プロセスを解明することに成功した。これは複雑な原子配置を限られた数の原子を用いて再現する工夫を数学的、物理的知見に基づいて開発したことによる成果である。この結果は、六方晶金属の塑性改善のために、これら錐面転位を活性化するような添加元素を計算の立場から発見することで指針を与える可能性を生み出したものである。
c+a dislocation in magnesium蕪木 英雄; 板倉 充洋; 山口 正剛; 都留 智仁
no journal, ,
The generation of non-basal c+a dislocations near the c-axis direction is the key to inducing the widespread plasticity in highly anisotropic hcp magnesium. Using the molecular dynamics method, we have studied the formation process of c+a screw and edge dislocations by compressing the a-axis direction, pependicular to the c-axis, of magnesium single crystal. We found the formation of stacking faults by the emission of basal a-dislocations and also the formation of boundaries consisting of a-dislocations. At the last stage of the deformation process, we confirmed the generation of non-basal c+a dislocations from the stressed junctions of the boundary and stacking faults.
