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山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋
Scripta Materialia, 268, p.116887_1 - 116887_6, 2025/11
被引用回数：0 パーセンタイル：58.04Understanding the mechanism of hydrogen embrittlement in steel requires knowledge of hydrogen trapping behavior at lattice defects in iron. However, first-principles calculations using atomistic modeling of an edge dislocation core in body-centered cubic ferromagnetic iron remain challenging because they require several hundred atoms for the core structure and must account for the influence of a long-range strain field around the core. We calculated the hydrogen trapping energies at iron's most common edge dislocation core from first principles; we used a relatively small unit cell (378 Fe atoms) containing two cores of opposite signs with periodic boundary conditions. The cell size dependence of the hydrogen trapping energies was estimated using a recently developed machine-learning neural network potential for the iron-hydrogen system. Although the small cell size led to overestimating the trapping energy, it was less than 10 %.
(Al, Zn)
Approximant crystal; Influence of chemical disorder清水 一行*; 山口 正剛; 赤丸 悟士*; 西村 克彦*; 阿部 李音*; 佐々木 泰祐*; Wang, Y.*; 戸田 裕之*
Scripta Materialia, 265, p.116730_1 - 116730_7, 2025/08
被引用回数：0 パーセンタイル：58.04(Nanoscience & Nanotechnology)The approximant crystal Mg(Al, Zn) (T-phase in Al-Zn-Mg alloys) holds the potential for enhancing both strength and hydrogen embrittlement resistance in aluminum alloys when present as nano-precipitates. Our previous computational exploration indicated strong hydrogen trapping but neglected the inherent chemical disorder of this approximant crystal. This study revisits hydrogen trapping in Mg(Al, Zn), directly including chemical disorder via special quasirandom structures. Density functional theory calculations reveal that, while chemical disorder introduces variations in trapping energies, the overall trend of strong trapping persists. Tetrahedral sites coordinated by Mg atoms exhibit particularly strong trapping, with smaller tetrahedral volumes correlating with stronger trapping due to enhanced Mg-H interactions. Multiple hydrogen occupation of these sites is also calculated, resulting in high hydrogen densities. Experimental validation using thermal desorption spectroscopy on a bulk Mg(Al, Zn) sample confirms hydrogen trapping, reinforcing the potential of this phase for designing advanced, hydrogen-resistant aluminum alloys.
海老原 健一; 藤原 比呂*; 清水 一行*; 山口 正剛; 戸田 裕之*
International Journal of Hydrogen Energy, 136, p.751 - 756, 2025/06
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Chemistry, Physical)高強度のAl-Zn-Mg合金へのSn添加は水素脆化を抑制する効果があるとの実験的報告があり、これは、Snの第二相粒子による水素吸収に起因すると考えられる。この事実を検証するため、第一原理計算で評価した水素の固溶エネルギーを取り入れた反応拡散方程式に基づくモデルを用い、アルミ中のSn相への水素侵入のシミュレーションを実施した。その結果、Sn第二相粒子による水素吸収が水素脆化を抑制するには、第二相粒子の水素固溶サイト濃度がAl相の5倍以上必要であることが分かった。このことから、実際にはSn第二相粒子のHE抑制効果は限定的であり、実験における水素脆化抑制には他の要因の影響が考えられる。
清水 一行*; 戸田 裕之*; 平山 恭介*; 藤原 比呂*; 都留 智仁; 山口 正剛; 佐々木 泰祐*; 上椙 真之*; 竹内 晃久*
International Journal of Hydrogen Energy, 109, p.1421 - 1436, 2025/03
被引用回数：3 パーセンタイル：85.91(Chemistry, Physical)我々の先行研究では、MgZn
析出物の整合界面における複数の水素トラップが自発的な界面剥離を引き起こし、Al-Zn-Mg合金に水素誘起擬へき開割れを引き起こすことを明らかにした。本研究では、析出物の整合/半整合界面にトラップされた水素が時効を通じてMgZnの整合界面を調整し、マクロ的な水素脆化に影響を与えるメカニズムを識別するために定量的かつ体系的な調査を行った。析出物界面での水素捕捉に基づくこの水素脆化現象を調査するために、第一原理計算により半整合MgZn界面の水素捕捉エネルギーを決定した。空孔、粒界、整合および半整合MgZn界面を含むすべての水素捕捉サイトの水素分配は、過時効合金では90%を超える水素が半整合界面に隔離されていることを明らかにした。MgZn界面の固有の特性により、半整合界面に隔離された水素は界面凝集エネルギーを減少させ、Al-Zn-Mg合金で界面の半自発的剥離と擬へき開破壊を引き起こした。これらの結果は、粒界破壊は粒界に捕捉された水素によって直接誘発されるのではなく、粒界に沿った析出物界面の剥離によって引き起こされることを示唆している。
(Mg
Si)-phase in Al-Mg-Si-Ag alloyAhmed, A.*; Uttarasak, K.*; 土屋 大樹*; Lee, S.*; 西村 克彦*; 布村 紀男*; 池野 進*; Malik, A.*; 清水 一行*; 平山 恭介*; et al.
Materials Today Communications (Internet), 43, p.111835_1 - 111835_10, 2025/02
This study investigates the interface characteristics of the hexagonal (MgSi)-phase in Al-Mg-Si-Ag alloys, providing novel insights into its orientation relationship, interfacial conditions, misfit, and Ag segregation with the Al matrix. Using optical microscopy (OM), focused ion beam (FIB), and scanning transmission electron microscopy (STEM), we clarified the role of three distinct facets {111}
//{111}
, {122}//{110}, and {112}//{111} in determining the stability and properties of the hexagonal (MgSi)-phase. Unlike the conventional (MgSi)-phase with a {100} habit plane, the hexagonal -phase was found on the {111} habit plane, exhibiting a new orientation relationship [{111}//{111}, 
110
//110]. Ag segregation was notably observed at the interfaces of these facets, with varying concentrations influencing interfacial coherency and strain. These findings not only advance our understanding of microstructural evolution in Al-Mg-Si alloys but also provide a foundation for tailoring material properties through interface engineering. The results offer critical insights for optimizing alloy compositions and heat treatments to enhance mechanical properties and performance in practical applications.
山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋; 都留 智仁
Scripta Materialia, 255, p.116366_1 - 116366_5, 2025/01
被引用回数：3 パーセンタイル：44.62(Nanoscience & Nanotechnology)鉄鋼やアルミニウム合金の粒界破壊の原因候補の一つとして水素がもたらす粒界凝集エネルギー低下が考えられている。最近はそれに対する粒界偏析元素の影響が第一原理計算により調べられているが、粒界凝集エネルギーを定量的に評価した研究はない。本研究では、第一原理計算結果を利用した定量的評価手法について述べ、いくつかのテスト計算の例を示す。
岡田 和歩*; 柴田 曉伸*; 木村 勇次*; 山口 正剛; 海老原 健一; 辻 伸泰*
Acta Materialia, 280, p.120288_1 - 120288_14, 2024/11
被引用回数：5 パーセンタイル：74.94(Materials Science, Multidisciplinary)The present study aimed at strengthening prior austenite grain boundary (PAGB) cohesive energy using carbon segregation and investigated the effect of carbon segregation at PAGB on the microscopic crack propagation behavior of hydrogen-related intergranular fractures in high-strength martensitic steels. At the low hydrogen content (below 0.2 wt. ppm), the fracture initiation toughness (
) and tearing modulus (
), corresponding to crack growth resistance, were significantly improved by carbon segregation. In contrast, and did not change by carbon segregation at the high hydrogen content (above 0.5 wt. ppm). Considering the non-linear relationship between the toughness properties and the PAGB cohesive energy, the experimentally evaluated toughness properties ( and ) and the GB cohesive energy previously calculated by first-principles calculations were semi-quantitatively consistent even at the high hydrogen content. The microstructure observation confirmed that the plastic deformation associated with crack propagation, such as the local ductile fracture of uncracked ligaments and the formation of dislocation cell structures/nano-voids, played an important role in the non-linear relationship between the toughness properties and PAGB cohesive energy.
森山 潤一郎*; 山口 正剛; 高桑 脩*
Materials Today Communications (Internet), 40, p.110059_1 - 110059_9, 2024/08
本研究では、Fe-Cr-Ni系オーステナイト合金における多成分合金(Cr、Ni)相互作用における水素(H)溶解度を系統的に調べた。それは、溶解水素含有量の関数である強度延性バランスにおける新しい水素誘起改善を生み出すものである。第一原理計算を用いて、CrとNi原子の配置が異なるFe-Cr-Ni面心立方(FCC)三元系において、水素溶解度に直接関連する水素吸収エネルギーを解析した。その結果、隣接する八面体サイト(Oサイト)の水素吸蔵エネルギーは、両合金元素がそれぞれ独立に減少させるにもかかわらず、Cr原子とNi原子の拮抗的な相互作用が水素吸蔵エネルギーに及ぼすことを明らかにした。本研究により、拮抗的なCr-Ni相互作用を考慮することで、様々なFe-Cr-Ni系オーステナイト合金のH-溶解性を包括的に予測することが可能となった。
-phase in Al-Mg-Si alloys during aging treatmentAhmed, A.*; Uttarasak, K.*; 土屋 大樹*; Lee, S.*; 西村 克彦*; 布村 紀男*; 清水 一行*; 平山 恭介*; 戸田 裕之*; 山口 正剛; et al.
Journal of Alloys and Compounds, 988, p.174234_1 - 174234_9, 2024/06
被引用回数：12 パーセンタイル：91.68(Chemistry, Physical)本研究は、Al-Mg-Si合金における相の成長過程を形態進化の観点から明らかにすることを目的とする。本研究では、高分解能透過電子顕微鏡(HR-TEM)、集束イオンビーム(FIB)及び光学顕微鏡(OM)を用いて、相の配向関係、形状、成長過程、ミスフィット値、及び相とAlマトリックスとの界面状態を調べた。その結果、相の端にファセットが確認され、相の新しい3次元形状が2つ提案された。我々は、MgSi結晶の成長過程における形態変化を説明するためにミスフィットを計算し、不安定な{111}ファセットが(001)ファセットや(011)ファセットと比較して高いミスフィット値を持つことを解明した。これは、Al-Mg-Si合金の微細構造変化を予測し、所望の特性を持つ材料を設計するために重要な知見である。
山口 正剛
日本原子力学会誌ATOMO
, 66(6), p.291 - 294, 2024/06
金属格子欠陥の第一原理計算は2000年前後から可能になり、表面や結晶粒界等の面欠陥、原子空孔等の点欠陥、転位芯等の線欠陥と、計算しやすい順に徐々に行われていった。第一原理計算から得られるのは欠陥構造と原子間凝集エネルギー(電子論的結合エネルギー)であり、それは材料研究におけるミクロの極限であるが、マクロな材料物性に対して強く影響を与えているらしいことを、筆者のいくつかの計算例から紹介したい。
森山 潤一郎*; 高桑 脩*; 山口 正剛; 小川 祐平*; 津崎 兼彰*
Computational Materials Science, 232, p.112650_1 - 112650_11, 2024/01
被引用回数：6 パーセンタイル：57.69(Materials Science, Multidisciplinary)本研究ではいくつかの実用Fe-Cr-Ni基オーステナイト合金において、強度-延性バランスを改善する水素の影響に着目している。面心立方構造を持つFe-Cr-Niモデル合金の水素吸収エネルギーを第一原理計算で調べ、合金中の水素溶解度に対するFeからのCrおよびNi置換の寄与を検証した。Cr置換はNi置換に比べて水素吸収エネルギーを大幅に減少させ、Cr/Ni比の増加により高い水素溶解性を発揮することがわかった。計算で得られた傾向は、様々なCr/Ni比を持つ実用合金で以前に得られた実験結果と一致した。
山口 正剛; 海老原 健一; 都留 智仁; 板倉 充洋
Materials Transactions, 64(11), p.2553 - 2559, 2023/11
被引用回数：10 パーセンタイル：66.39(Materials Science, Multidisciplinary)アルミニウム合金中のMgZn析出物とMgSi晶出物の非整合界面における水素トラップエネルギーを第一原理計算から計算することを試みた。非整合界面を含む単位胞は周期境界条件を満たさず、結晶ブロックが不連続になるため、不連続領域(真空領域)から離れた領域で水素トラップエネルギーを計算した。その結果、この原子論的配置を仮定した非整合界面では、水素原子のトラップエネルギーがかなり大きいことがわかった。また、アルミニウム母相中のMgSiの非整合界面における水素トラップによる凝集エネルギーの減少についても予備的計算を行った。
山口 正剛
まてりあ, 62(10), p.646 - 651, 2023/10
液体金属に触れている固体金属が脆性破壊を起こしやすいことを液体金属脆化と言う。液体-固体金属の組み合わせによって脆化の程度が異なり、それは液体金属脆化の元素選択性(特異性)と呼ばれている。第一原理計算によるエネルギー論的考察から、脆化を起こしやすい組み合わせのエネルギー論的特徴とそこから考えられる脆化メカニズムについて考察した出版済み論文について、さらなる解説を加えた。
清水 一行*; 戸田 裕之*; 藤原 比呂*; 山口 正剛; 上椙 真之*; 竹内 晃久*; 西嶋 雅彦*; 鎌田 康寛*
Corrosion, 79(8), p.818 - 830, 2023/08
被引用回数：6 パーセンタイル：57.91(Materials Science, Multidisciplinary)7xxxアルミニウム合金は代表的な高強度アルミニウム合金であるが、水素による機械的特性劣化がさらなる高強度化の妨げとなっている。我々は、7xxxアルミニウム合金の水素脆化を防止するための新しい技術として、Mn系第2相粒子の分散を提案する。本研究では、Mnを0.0%および0.6%含有する高水素7xxx合金の変形および破壊挙動を放射光X線トモグラフィーを用いてその場で観察した。得られた巨視的な水素脆化は、合金中の水素分配に基づき定量的に解析された。0.6%Mnを添加することにより、高い水素トラップ能力を持つ第二相粒子を生成し、水素による擬劈開破壊を有意に抑制することができた。
-base GdO
precipitations in a Mg-Zn-Gd alloy伊東 祐斗*; 江草 大佑*; 山口 正剛; 阿部 英司*
Materials Transactions, 64(8), p.2022 - 2025, 2023/08
被引用回数：1 パーセンタイル：7.68(Materials Science, Multidisciplinary)走査型透過電子顕微鏡によるその場観察で、Mg
Zn
Gd (at.%)合金を623Kで加熱すると、面心立方()系のGdナノ粒子がダイナミックに析出することを発見した。5.32
という観察された格子定数は、密度汎関数理論(DFT)計算による純粋な-Gdの5.06よりも大きいため、酸素原子が四面体の格子間サイトに部分的に挿入されているためである可能性が高いことがわかった。体系的なDFT計算により、四面体あるいは八面体の格子間サイトを占有することで、広い不定比性範囲を持つ-Gd系酸化物相が出現する可能性があり、GdOとして表現できることが分かった。
muon spin relaxation method and first-principles calculations都留 智仁; 西村 克彦*; 松田 健二*; 布村 紀男*; 並木 孝洋*; Lee, S.*; 髭本 亘; 松崎 禎市郎*; 山口 正剛; 海老原 健一; et al.
Metallurgical and Materials Transactions A, 54(6), p.2374 - 2383, 2023/06
被引用回数：2 パーセンタイル：16.21(Materials Science, Multidisciplinary)高強度Al合金の水素脆化感受性は、Al合金の実用化において重要な課題として認識されているが、水素のトラップまたは分布の特定は困難であった。本研究では、実験とシミュレーションに基づいた効果的なアプローチにより、Al合金中の潜在的なトラップサイトを探索することを提案する。Al-0.5%Mg, Al-0.2%Cu, Al-0.15%Ti, Al-0.011%Ti, Al-0.28%V, Al-0.015%V (at.%)に対して、5から300Kの温度範囲でゼロフィールドミュオンスピン緩和実験が行われた。双極子場の幅の温度変化から、Al-0.5%Mgに3つのピーク、Al-0.2%Cuに4つのピーク、Al-0.011%TiとAl-0.015%Vに3つのピークがあることが明らかにされた。観測されたピークに対応するミュオントラップサイトの原子配置は、溶質及び溶質-空孔ペア周りの水素のトラップエネルギーに対する第一原理計算を用いてよく同定された。ミュオンピーク温度とトラップエネルギーの間に線形関係が抽出されたことにより、Al合金において水素と強い結合エネルギーを持つ合金元素とその複合体の可能性を探ることができる。
板倉 充洋; 山口 正剛; 江草 大佑*; 阿部 英司*
Materials Transactions, 64(4), p.813 - 816, 2023/04
被引用回数：4 パーセンタイル：33.06(Materials Science, Multidisciplinary)Kink boundaries formed in Mg-based long period stacking order (LPSO) alloys play a key role in strengthening of these materials. As the kink structure grows, many high-angle kink boundaries are eventually formed which has inclination angle close to 34 degrees. We show that this peculiar structure is a result of irreversible structural transformation and is energetically stable. We also calculate segregation energies of alloying elements Y and Zn to this boundary. Finally, the critical resolved shear stress for the migration of kink boundary is estimated for a pure-Mg kink and that with saturated with segregation. We show that segregated kink boundary requires very high shear stress about 700 MPa for migration.
山口 正剛; 都留 智仁; 板倉 充洋; 阿部 英司*
Scientific Reports (Internet), 12(1), p.10886_1 - 10886_7, 2022/07
被引用回数：6 パーセンタイル：32.70(Multidisciplinary Sciences)液体金属脆化は特定の固体金属-液体金属のペアにおいて顕著に発生することが知られているが、そのメカニズムは理解されていない。ここで我々は、第一原理計算とサーベイランス試験との比較から、粒界吸着エネルギーや格子溶解エネルギーがゼロ付近になるペアにおいて脆化が発生するという相関関係を発見した。一方で、亀裂先端における原子間結合切断に寄与する表面吸着エネルギーはすべてのペアにおいて大きいが、元素選択性とは相関しないことが分かった。これらの結果から、亀裂先端において結合切断に先立って原子の侵入が生じることが、液体金属脆化の元素選択性を決定している要因であることが示唆される。
-iron平山 真太郎*; 佐藤 紘一*; 加藤 太治*; 岩切 宏友*; 山口 正剛; 渡辺 淑之*; 野澤 貴史*
Nuclear Materials and Energy (Internet), 31, p.101179_1 - 101179_9, 2022/06
被引用回数：7 パーセンタイル：71.12(Nuclear Science & Technology)一軸引張歪下での鉄の空孔あるいは空孔-炭素複合体への水素結合エネルギーを密度汎関数法を用いて計算した。歪による結合エネルギー変化と水素原子トラップ数の変化について考察した。
都留 智仁; 板倉 充洋; 山口 正剛; 渡邊 千尋*; 三浦 博己*
Computational Materials Science, 203, p.111081_1 - 111081_9, 2022/02
被引用回数：21 パーセンタイル：68.53(Materials Science, Multidisciplinary)六方晶構造を有する材料は、結晶構造の異方性によって塑性変形の異方性が存在し、合金化によってその特性が大きく変化をすることが知られている。純チタンでは一般に柱面転位を主すべり系として塑性変形するが、広く用いられるAlやVを添加したTi64合金の疲労破壊は相の底面で生じる。純Tiと異なり底面すべりが生じていることが実験観察によって確認されているが、その要因は知られていない。近年、第一原理計算に基づく原子モデルを用いた転位の解析が行われるようになり、詳細なメカニズムの解明が進んでいる。本研究では、HCP構造を持つチタンを対象に、合金元素の転位運動への影響を詳細に検討した。その結果、転位のすべりのPeierlsポテンシャルは柱面と底面で大きな違いがないが、AlやVの添加によって転位芯構造の安定性が変化し、すべり変形のモードが変化することを明らかにした。
