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板倉 充洋; 山口 正剛; 江草 大佑*; 阿部 英司*
Acta Materialia, 203, p.116491_1 - 116491_9, 2021/01
被引用回数：1 パーセンタイル：73.72(Materials Science, Multidisciplinary)シンクロ型長周期積層(LPSO)合金において溶質原子クラスタはキンク変形やキンク強化といった特異な塑性に中心的役割を果たす。強化機構を解明にはその原子構造を決定することが必須であるが、クラスタに含まれる格子間原子に関して不明な点が残っていた。本研究では第一原理計算によりクラスタが形成される過程を詳細に調べ、その成長過程で中心付近にある原子が自発的に格子間原子となり、同時に空孔が形成されることを示した。これにより実験で不明であった格子間原子の種類と割合が決定された。更に自発的な空孔形成はこれまで金属材料では知られていない現象であり、これによってLPSO構造の形成が加速されていることを初めて示した。
Lam, T.-N.*; Lee, S. Y.*; Tsou, N.-T.*; Chou, H.-S.*; Lai, B.-H.*; Chang, Y.-J.*; Feng, R.*; 川崎 卓郎; Harjo, S.; Liaw, P. K.*; et al.
Acta Materialia, 201, p.412 - 424, 2020/12
被引用回数：10 パーセンタイル：84.02(Materials Science, Multidisciplinary)We examined fatigue-crack-growth behaviors of CoCrFeMnNi high-entropy alloys (HEAs) under as-fatigued and tensile-overloaded conditions using neutron-diffraction measurements coupled with diffraction peak-profile analyses. We applied both high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and neutron-diffraction strain mapping for the complementary microstructure examinations. Immediately after a single tensile overload, the crack-growth-retardation period was obtained by enhancing the fatigue resistance, as compared to the as-fatigued condition. The combined mechanisms of the overload-induced larger plastic deformation, the enlarged compressive residual stresses and plastic-zone size, the crack-tip blunting ahead of the crack tip, and deformation twinning governed the pronounced macroscopic crack-growth-retardation behavior following the tensile overload.
Wang, Y.*; 友田 陽*; 大村 孝仁*; Gong, W.*; Harjo, S.; 田中 雅彦*
Acta Materialia, 196, p.565 - 575, 2020/09
被引用回数：4 パーセンタイル：29.23(Materials Science, Multidisciplinary)The continuous and discontinuous yielding behaviors in ferrite-cementite steels were complementarily investigated via nano- and macroscale deformation examinations. The results obtained by electron microscopy, synchrotron X-ray, and neutron diffractions indicate that the ferrite-cementite interface of the heat-treated specimen is semi-coherent with a high internal stress field, whereas that of the recrystallized one is incoherent with a low internal stress field. Moreover, coherency strain, which depends on the total area of the ferrite-cementite interface, and thermal strain, which is governed by temperature, are the two factors that influence peak broadening. The nanoindentation tests revealed that the critical loads are significantly lower near the semi-coherent interface than those near the incoherent interface and the ferrite grain boundary; this suggests that dislocations are easily emitted from the semi-coherent interface.
Harjo, S.; 窪田 哲*; Gong, W.*; 川崎 卓郎; Gao, S.*
Acta Materialia, 196, p.584 - 594, 2020/09
被引用回数：3 パーセンタイル：62.78(Materials Science, Multidisciplinary)To understand work hardening behavior during low-cycle loading, ductile cast iron containing spheroidal graphite, pearlite, and ferrite matrix was investigated in an in situ neutron diffraction study of up to four cycles of tensile-compressive loading with applied strains of 
0.01. The amplitudes of applied stress, Bauschinger stress, and Bauschinger strain were found to increase with increasing cycle number, indicating work hardening as cyclic loading progressed. Absolute values of ferrite lattice strain at maximum and minimum applied strains increased with increasing cycle number, indicating an increase in ferrite strength. Consequently, the stress contribution to the strength from ferrite increased as cyclic loading progressed. The increase in ferrite strength, caused by dislocation accumulation in ferrite during cyclic loading, played an important role in the work hardening of the ductile cast iron.
Wang, Y.*; 友田 陽*; 大村 孝仁*; 諸岡 聡; Gong, W.*; Harjo, S.
Acta Materialia, 184, p.30 - 40, 2020/02
被引用回数：9 パーセンタイル：92(Materials Science, Multidisciplinary)A high-intensity and high-resolution neutron diffractometer with a thermomechanically controlled processing simulator was employed in-situ to investigate martensite transformation behavior with and without ausforming for a medium-carbon low-alloy steel. Serial neutron diffraction profiles have revealed that the transformation behavior could be successfully monitored during quenching with and without the ausforming process. The lattice parameter and the full width at half maximum of austenite peaks significantly decreases and increases upon martensite transformation, respectively. After ausforming, the data reveal that lattice parameters are larger in austenite whereas smaller in martensite compared with those in the non-ausformed case, which is ascribed to the introduced dislocations. The cutting-edge operant quantitative measurements with neutron diffraction for steel production is demonstrated.
Ahadi, A.*; Khaledialidusti, R.*; 川崎 卓郎; Harjo, S.; Barnoush, A.*; 土谷 浩一*
Acta Materialia, 173, p.281 - 291, 2019/07
被引用回数：8 パーセンタイル：72.3(Materials Science, Multidisciplinary)The temperature-dependent elasticity of the B19' NiTi is unknown today. To gain insights into the lattice-level temperature-dependent elasticity of the B19' crystal, we present results of 
neutron diffraction experiments performed on polycrystalline martensitic specimens in the temperature range of 300 down to 50 K. The experimental results are compared with the density functional theory molecular dynamics (DFT-MD) and Quasi Harmonic Approximation (QHA) calculations. The results confirm that the temperature-dependent Young's modulus (TDYM) of the B19' crystal is strongly anisotropic. The experimental results along with the first-principles calculations confirm that the Elinvar and Invar are two confluent properties in NiTi SMAs and can be tailored by texturing B19' crystallographic orientations.
Yang, P.-J.*; Li, Q.-J.*; 都留 智仁; 尾方 成信*; Zhang, J.-W.*; Sheng, H.-W.*; Shan, Z.-W.*; Sha, G.*; Han, W.-Z.*; Li, J.*; et al.
Acta Materialia, 168, p.331 - 342, 2019/04
被引用回数：17 パーセンタイル：90.67(Materials Science, Multidisciplinary)ニオブなどの体心立方構造をもつ金属材料は低濃度の酸素固溶によって脆化しやすいことが知られているが、酸素誘起の硬化や損傷の機構は明らかになっていない。我々は、実験、および第一原理計算と分子動力学計算を用いて詳細な機構を検討した。その結果、酸素の格子間原子はらせん転位と引力相互作用を生じ、それによって転位運動でクロスキンクが生成され、同時に多くの空孔が生成されることを明らかにした。これらの空孔はさらに酸素と転位の三体間の硬化によって転位の運動を阻害することで、著しい硬化を生じることを明らかにした。
Ahadi, A.*; 川崎 卓郎; Harjo, S.; Ko, W.-S.*; Sun, Q. P.*; 土谷 浩一*
Acta Materialia, 165, p.109 - 117, 2019/02
被引用回数：18 パーセンタイル：90.67(Materials Science, Multidisciplinary)We report emergence of an unprecedented elastocaloric effect with a decrease of temperature, well below the temperature range of martensitic phase transformation, in a model nanocrystalline NiTi that preserves slim-hysteresis superelasticity at ultra-low temperatures. The new elastocaloric effect emerges at a temperature of about 90 K, exhibits an opposite sign than the conventional elastocaloric effect, and intensifies gradually with a decrease of temperature to 18 K. At 18 K, a large adiabatic temperature change of +3.4 K is measured upon rapid release of tensile stress. The measured adiabatic temperature change are larger and extend over a wider temperature span than the existing electrocaloric, piezocaloric, and barocaloric cryo-refrigeration materials.
都留 智仁; 染川 英俊*; Chrzan, D. C.*
Acta Materialia, 151, p.78 - 86, 2018/06
被引用回数：36 パーセンタイル：96.49(Materials Science, Multidisciplinary)溶質元素による金属の破壊現象を理解するため、Mg合金に対して実験と破壊力学理論と第一原理計算の連携による検討を行った。Mg二元系合金の破壊を極めて脆性的であると仮定し、粒界や双晶境界の破壊をエネルギーベースの基準で評価することによって第一原理計算を有効に適用することを可能にした。また、化学結合が破壊に寄与する影響を詳細に検討し、IIIBやIVB族元素が破壊抵抗を向上する効果を有することを体系的に明らかにした。これまでに知られていない元素であるZrが破壊靱性を向上させるという実験結果とよく一致しており、計算科学を用いた元素戦略による材料設計が有効であることを示した。
染川 英俊*; 都留 智仁; Singh, A.*; 三浦 誠司*; Schuh, C. A.*
Acta Materialia, 139, p.21 - 29, 2017/10
被引用回数：18 パーセンタイル：75.99(Materials Science, Multidisciplinary)ナノインデンテーションにおけるポップイン挙動は転位の活動によって生じるため、結晶方位に強く影響する。我々はマグネシウムに対するナノインデンテーションに対する実験と分子動力学計算によって方位の影響を詳細に検討した。実験によるインデンテーションから、底面の押込みにおけるポップイン荷重とそれに付随した変位は柱面への押込みより大きくなることがわかり、原子シミュレーションによる荷重-変位関係からも同様の結果が得られた。これらの方位による違いは、押込みによって生成される転位のタイプによって特徴づけられ、柱面のポップインは押込み軸に垂直な底面すべりによって生じる一方、底面では押込み方向の変位を生成しない底面すべりだけでなく錐面上に転位が生成されるためであることがわかった。
譯田 真人*; 都留 智仁; 香山 正憲*; 尾崎 泰助*; 澤田 英明*; 板倉 充洋; 尾方 成信*
Acta Materialia, 131, p.445 - 456, 2017/06
被引用回数：15 パーセンタイル：73.83(Materials Science, Multidisciplinary)多くの合金元素が転位芯と強い相互作用を示す一方、SiやPやCuなどのいくつかの元素では転位のパイエルスポテンシャルを低下させる。本研究では第一原理計算を用いて、"Easy-core"転位構造とそれらの合金元素が積層欠陥エネルギー表面の変化と強く相関があることを示した。さらに、相互作用エネルギーを用いて希薄合金の臨界分解せん断応力を推定し、実験とよく一致することを示した。
松川 義孝*; 武内 伴照; 鹿窪 勇太*; 鈴土 知明; 渡辺 英雄*; 阿部 弘亨*; 外山 健*; 永井 康介*
Acta Materialia, 116, p.104 - 113, 2016/09
被引用回数：50 パーセンタイル：96.08(Materials Science, Multidisciplinary)673Kで等温時効したフェライト相中のG相(Ni
Si
Mn
)析出に関し、溶質原子クラスタが母材と結晶学的に区別可能となる成長段階を見出すため、アトムプローブトモグラフィ(APT)と透過電子顕微鏡法(TEM)を組み合わせた解析を行った。その結果、G相の形成は、まず自発的に溶質原子が集まって直径2.6nm程度の臨界サイズとなった後に、組成が変化し閾値にまで達するという複数の成長段階を経ることを明らかにした。また、電子回折パターンの計算機シミュレーション結果から、しきい値の組成はNiSi
(Fe,Cr)Mnと見積もられることが分かった。
長谷 貴之*; 太田垣 達也*; 山口 正剛; 池尾 直子*; 向井 敏司*
Acta Materialia, 104, p.283 - 294, 2016/02
被引用回数：25 パーセンタイル：84.2(Materials Science, Multidisciplinary)3種のMg合金(Mg、Mg-0.3 at.%Ca-0.6 at.%Zn、Mg-0.3 at.%Ca-0.6 at.%Al)に対して、衝撃3点曲げ試験による衝撃破壊靭性測定を行った。塑性変形能と衝撃破壊靭性は、純粋なMgと比べて合金の方が高くなった。第一原理計算から、一般化積層欠陥エネルギーと粒界凝集エネルギーをMg,Mg-Ca, Mg-Ca-Zn,Mg-Ca-Al系それぞれについて計算したところ、実験結果の傾向をよく説明する結果が得られた。計算と実験の比較から、ZnとAlをCaと同時に添加することで、塑性変形の異方性を低減し、かつ、粒界を強化することにより、高い衝撃破壊靭性が得られたと考えられる。
鈴土 知明; 永井 康介*; Schwen, D.*; Caro, A.*
Acta Materialia, 89, p.116 - 122, 2015/05
被引用回数：8 パーセンタイル：47.95(Materials Science, Multidisciplinary)モンテカルロ法および分子動力学法を用いて、Fe-Cr二元合金のスピノーダル分解を計算機で模擬し、相分離現象によって引き起こされる降服応力の上昇と原子配置の統計的パラメターの間の関係を解析した。その結果、我々は既に実験的に発見されている、硬さとvariationパラメター(V)の間の比例関係を再現することができた。また、このパラメターは硬化の経験的な指標として限界があることがわかった。すなわち、このパラメターは硬化に影響する近距離の原子配置を統計的にうまく表現できていないことがわかった。我々は近距離原子秩序パラメターがこの現象のより包括的な指標となりえると考える。
Gong, W.; 友田 陽*; Harjo, S.; Su, Y.; 相澤 一也
Acta Materialia, 85, p.243 - 249, 2015/02
被引用回数：96 パーセンタイル：98.78(Materials Science, Multidisciplinary)その場中性子回折法、走査型電子顕微鏡および電子線後方散乱回折法による 部分焼き入れ有り及び無しによって523Kと573K恒温保持中ベイナイト相変態挙動を比較した。マルテンサイトを導入することによりベイナイト変態速度が加速されることを見出した。レンズマルテンサイト晶に隣接して、結晶方位の近いベイナイトラスが生成している。マルテンサイト変態ひずみはオーステナイトの塑性変形によって応力緩和されるので、これによって導入された転位はベイナイト変態を促進し、強いバリアント選択則をもたらすことがわかった。
板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛; 沖田 泰良*
Acta Materialia, 61(18), p.6857 - 6867, 2013/10
被引用回数：69 パーセンタイル：97.07(Materials Science, Multidisciplinary)原子力材料は長年の中性子照射によって硬化する。これは金属材料が折れることなく曲がる塑性変形が、照射による材料変化によって阻害される現象であるが、これを解明するには塑性のメカニズムを原子スケールで明らかにする必要がある。それには塑性変形を担う転位線と呼ばれる格子欠陥の動きがどのように照射損傷により阻害されるを知る必要があり、これは実験で直接観察できないので大規模な量子計算が必要になる。本発表では量子計算によって初めてこの転位の移動阻害メカニズムを明らかにしたので報告する。大規模な計算が必要という課題の解決にあたっては、新たに考案した多階層計算手法を用い少ない原子数で多数の原子での計算に相当する精度を出すことを可能にしたことが上げられる。これによって転位の運動阻害プロセスを定量的にモデル化することが可能となり、照射硬化をシミュレーションで定量評価するための道が開けたと言える。
板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛
Acta Materialia, 60(9), p.3698 - 3710, 2012/05
被引用回数：61 パーセンタイル：95.26(Materials Science, Multidisciplinary)原子力材料は長年の中性子照射によって硬化する。この現象は金属材料の塑性変形が、照射による材料変化によって阻害されるため起こると考えられてきたが、これを解明するには塑性のメカニズムを原子スケールで明らかにする必要があり、塑性変形を担う転位線と呼ばれる格子欠陥がどのように材料内部を動くかを知るため、大規模な量子計算が必須となる。本発表では、量子計算により、初めてこの転位の移動エネルギーを高い精度で定量的に評価したことを報告する。従来ない大規模な計算を行うにあたり、計算体系を量子計算が必要な部分と線形弾性論で近似できる部分に分割することで、効率的計算手法を実現し、さらにこれまで計算されたことのなかった転位線の二次元的運動を初めて計算によって明らかにすることができた。今後は、この成果をもとに、転位の動きを定量的にモデル化することが可能となり、照射硬化をシミュレーションで定量評価するための道が拓けたと言える。
宇田川 豊; 山口 正剛; 阿部 弘亨*; 関村 直人*; 更田 豊志
Acta Materialia, 58(11), p.3927 - 3938, 2010/06
被引用回数：74 パーセンタイル：95.74(Materials Science, Multidisciplinary)In order to elucidate the origin of the hydrogen-induced embrittlement of zirconium alloys, we here evaluate the surface energy (SE) and unstable stacking energy (USE) of Zr-H systems by making ab initio calculations. For solid solutions we found decrease in SE and USE with increased H/Zr ratio. For the hydride, we found 25% smaller SE and 200 to 300% larger USE than pure zirconium. This indicates that zirconium hydride is extremely brittle, due to the synergistic effect of small SE relative to pure zirconium, indicating easy generation of fractures on the surface, and large relative USE, indicating difficulty in dislocation motion. Furthermore, Rice's parameter D of ductility/brittleness becomes 1.1-1.5 in hydride, indicating that brittle fracture occurs more readily than iridium. These results seem enough to attribute hydrogen embrittlement of zirconium alloys substantially to the fundamentally brittle nature of the hydride itself.
都留 智仁; 渋谷 陽二*; 加治 芳行
Acta Materialia, 58(8), p.3096 - 3102, 2010/05
被引用回数：20 パーセンタイル：72.21(Materials Science, Multidisciplinary)結晶金属のナノスケールにおける初期塑性変形は転位の集団的運動によって生じる。この現象はナノ塑性として知られており、マクロな変形の素過程であると考えられているがその詳細は現在もわかっていない。本研究では、実験、及び原子・離散転位モデルによる解析を行いナノスケールの接触問題について包括的な研究を行った。その結果、接触問題では転位の生成が内部領域で理想強度より大きなせん断応力で生じることを示すとともに転位双極子がナノスケールの塑性変形を引き起こすことを示した。
大沼 正人*; 鈴木 淳市; 大塚 智史; Kim, S.-W.; 皆藤 威二; 井上 賢紀; 北澤 英明*
Acta Materialia, 57(18), p.5571 - 5581, 2009/10
被引用回数：101 パーセンタイル：97.44(Materials Science, Multidisciplinary)The size and number density of nano-oxide particles in 9Cr-ODS steels with different concentrations of excess O, Ti and W are quantitatively determined using Small-angle neutron (SANS) and X-ray scattering (SAXS). Using the difference of the SANS and SAXS intensity in absolute units, the technique called the "alloy contrast variation (ACV) method" has been used to determine the compositions of the nano-oxide precipitates. The results indicate that the finest size and highest number density of nano-oxide particles is obtained by suppressing the amount of excess O and increasing the amount of Ti. The ACV method indicates that the finest nano-oxide has a chemical composition close to Y
TiO.
