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論文

First-principles calculations of hydrogen trapping energy on incoherent interfaces of aluminum alloys

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

アルミニウム合金中のMgZn$$_2$$析出物とMg$$_2$$Si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Mg$$_2$$Si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。

論文

Local atomic displacements and sign of the structural transformation in medium-entropy alloys observed in extended X-ray absorption fine structure spectra

池田 陽一*; 梅本 好日古*; 松村 大樹; 辻 卓也; 橋本 勇輝*; 北澤 崇文*; 藤田 全基*

Materials Transactions, 64(9), p.2254 - 2260, 2023/09

Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) and neutron diffraction experiments were carried out to clarify the typical features of the local structure of a family of medium-entropy alloys (CrCoNi, MnCoNi, and FeCoNi). A simple random cluster model was constructed for analyzing EXAFS spectra, and static and dynamic components of the mean-square relative displacement (MSRD) were separately extracted. In our analysis, the static MSRD of the MnCoNi sample was slightly larger than those of the CrCoNi and FeCoNi samples, whereas the dynamic MSRDs of these samples were almost identical. Based on the complementary neutron diffraction data, we argued that the origin of the large static displacement in the MnCoNi alloy can be associated with a short-range structural transformation through long-term structural relaxation.

論文

Non-stoichiometric $$fcc$$-base GdO$$_{x}$$ 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

走査型透過電子顕微鏡によるその場観察で、Mg$$_{97}$$Zn$$_{1}$$Gd$$_{2}$$ (at.%)合金を623Kで加熱すると、面心立方($$fcc$$)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${AA}$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$$fcc$$-Gdの5.06${AA}$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$$fcc$$-Gd系酸化物相が出現する可能性があり、GdO$$_{x}$$として表現できることが分かった。

論文

Effect of extrusion ratio in hot-extrusion on kink deformation during compressive deformation in an $$alpha$$Mg/LPSO dual-phase magnesium alloy monitored by ${it in situ}$ neutron diffraction

Harjo, S.; Gong, W.; 相澤 一也; 川崎 卓郎; 山崎 倫昭*; 眞山 剛*; 河村 能人*

Materials Transactions, 64(4), p.766 - 773, 2023/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:87.31(Materials Science, Multidisciplinary)

To elucidate the effect of extrusion ratio in hot-extrusion on the deformation behavior during compression of Mg$$_{97}$$Zn$$_{1}$$Y$$_{2}$$ alloy containing about 25-vol% long-period stacking ordered phase (LPSO) in the HCP structured $$alpha$$ matrix ($$alpha$$Mg), ${it in situ}$ neutron diffraction measurements were performed under compressive loading using four types of samples: as-cast and after hot extrusion at 623 K with extrusion ratios of 5.0, 7.5 and 12.5. The macroscopic yielding was observed to appear by the occurrence of basal slip of $$alpha$$Mg in the as-cast sample and at the onset of twinning in the hot extruded samples. The applied stress to initiate slip, twinning, and kinking increased by hot extrusion and then decreased with increasing extrusion ratio. LPSO shared higher stress than $$alpha$$Mg and the ratio to the strength increased as the extrusion ratio increased.

論文

Characterization of precipitated phase in Cu-Ni-Si alloy by small-angle X-ray scattering, small angle neutron scattering and atom probe tomography

佐々木 宏和*; 秋谷 俊太*; 大場 洋次郎; 大沼 正人*; Giddings, A. D.*; 大久保 忠勝*

Materials Transactions, 63(10), p.1384 - 1389, 2022/10

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

Copper-Nickel-Silicon (Cu-Ni-Si) alloys have excellent electric conductivity and mechanical properties due to nanosized Nickel-Silicon precipitates dispersed in Copper matrix. In this study, small-angle X-ray scattering (SAXS), small-angle neutron scattering (SANS), and atom probe tomography were used to characterize the Ni-Si precipitates for further improvement of Cu-Ni-Si alloys. We obtained nanostructural information about the size, shape, chemical composition, and their changes during heat treatment.

論文

Time dependence of corrosion behavior on Ta in NaOH solutions

石島 暖大; 上野 文義; 阿部 仁

Materials Transactions, 63(4), p.538 - 544, 2022/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

核燃料再処理機器に使用されているタンタルについて、除染作業での使用が想定される水酸化ナトリウム溶液における腐食挙動の時間依存性を浸漬腐食試験により調査し、経時変化の機構について表面観察および電気化学測定結果から検討した。浸漬腐食試験についてNaOH濃度は1から7mol/L、浸漬時間はそれぞれ、24から168hrとし、室温で行った。腐食速度はNaOH濃度とともに増加するが、浸漬時間によりピークを示しその後減少した。ピークまでの時間はNaOH濃度が高いほど短時間であった。浸漬腐食試験後に洗浄・秤量を行った試料表面のSEMおよびラマン分析では皮膜の生成はみられなかった。一方、分極抵抗は浸漬直後から減少した後に一定値あるいは増加を示した。分極抵抗の経時変化は腐食速度の変化と同じ挙動を示し、また分極抵抗の値は皮膜抵抗と電荷移動抵抗の和とおおよそ一致することから、腐食速度の経時変化は浸漬による皮膜生成に影響を受けることが示唆された。皮膜は主としてTaの溶解により生成するNa$$_{8}$$Ta$$_{6}$$O$$_{19}$$であると考えられた。

論文

${it In situ}$ TEM observation and MD simulation of frank partial dislocation climbing in Al-Cu alloy

Chen, J.*; 吉田 健太*; 鈴土 知明; 嶋田 雄介*; 井上 耕治*; 今野 豊彦*; 永井 康介*

Materials Transactions, 63(4), p.468 - 474, 2022/04

 被引用回数:1 パーセンタイル:18.71(Materials Science, Multidisciplinary)

高分解能透過型電子顕微鏡(HRTEM)を用いてその場電子照射により、アルミニウム-銅(Al-Cu)合金のフランクループの発達を0.12nmの原子スケールの空間分解能で視覚化した。FCC-Al格子の[110]方向に沿ったその場HRTEM観察では、固有の積層欠陥の境界となるフランク部分転位は、純Al参照サンプルの場合とは異なり、$$<$$112$$>$$方向に沿って非対称の上昇を示した。この時の弾き出し損傷率は0.055-0.120dpa/sであった。分子動力学シミュレーションによって、この部分転位の非対称上昇はギニア-プレストンゾーン(GPゾーン)でのCu-Cu結合によるピン止め効果として説明された。

論文

Wettability of pure metals with liquid sodium and liquid tin

斉藤 淳一; 小林 洋平*; 澁谷 秀雄*

Materials Transactions, 62(10), p.1524 - 1532, 2021/10

 被引用回数:4 パーセンタイル:42.63(Materials Science, Multidisciplinary)

高速炉の冷却材である液体ナトリウムの新規技術の創出の一環として、液体ナトリウムの濡れ性制御の研究開発を実施しており、本発表はその基礎的研究として、純金属の液体ナトリウムと液体錫の濡れ性を接触角により評価した。また、界面の原子間相互作用を界面クラスターモデルを用いて分子軌道法により理論計算した。その結果、界面の原子間結合力と濡れ性には相関があることが明らかになった。この知見は今後、ナトリウム濡れ性を制御するうえで、重要な情報となる。

論文

Effects of thermal aging on the mechanical properties of FeCrAl-ODS alloy claddings

矢野 康英; 丹野 敬嗣; 大塚 智史; 皆藤 威二; 鵜飼 重治*

Materials Transactions, 62(8), p.1239 - 1246, 2021/08

 被引用回数:3 パーセンタイル:35.36(Materials Science, Multidisciplinary)

FeCrAl-ODS鋼被覆管を製作し、その被覆管の熱時効の影響を調査するために、450$$^{circ}$$C,5000時間と15000時間の熱時効後に、硬さ試験,リング引張試験,TEM観察を実施した。全てのFeCrAl鋼被覆管で熱時効硬化が確認され、延性低下を伴う顕著な強度上昇も生じた。熱時効硬化挙動は(Ti, Al)リッチ相($$beta$$'相)析出とAl7wt%未満の場合は$$alpha$$'相析出も起因していると考えられる。同様の組成をもつFeCrAl-ODS鋼を比較した場合、再結晶材と未再結晶材で熱時効硬化は生じるが、後者は延性低下を伴わないことが明らかになった。この挙動の差は、結晶粒界,転位密度,試験片作製方向の影響が起因していると考えられる。本研究は、文部科学省の原子力システム研究開発事業による委託業務として、北海道大学が実施した平成25$$sim$$28年度「事故時高温条件での燃料健全性確保のためのODSフェライト鋼燃料被覆管の研究開発」の中で北海道大学からの委託により原子力機構が実施した研究成果である。

論文

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

 被引用回数:2 パーセンタイル:26.82(Materials Science, Multidisciplinary)

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。

論文

Analysis for the mechanism of accelerated corrosion on low alloy steel in air-solution alternating condition

大谷 恭平; 塚田 隆; 上野 文義

Materials Transactions, 62(6), p.763 - 769, 2021/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

本研究では、低合金鋼上に気液交番環境下で形成された鉄さび層を、断面観察および分析により調査し、気液交番環境下での低合金鋼の腐食加速機構を明らかにした。断面観察および分析より、赤さび層(FeOOH),クラスト層(Fe$$_{3}$$O$$_{4}$$),内部結晶(Fe$$_{3}$$O$$_{4}$$)、および内部鉄さび層からなる多層の鉄さび層が低合金鋼上に形成されたことがわかった。この多層鉄さび層が酸素の還元反応を加速したことにより、低合金鋼の腐食速度が加速されたと考えられる。

論文

Synergistic effects of metal cations and sodium gluconate on the inhibition of freshwater corrosion of mild steel

大谷 恭平; 坂入 正敏*

Materials Transactions, 62(6), p.815 - 820, 2021/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:26.82(Materials Science, Multidisciplinary)

グルコン酸ナトリウムの軟鋼の腐食抑制能力に及ぼす溶液中の金属カチオンの相乗効果を、「カチオンの腐食抑制効果」を表すパラメータYに着目して、浸漬試験及び電気化学試験により定量的に検討した。その結果、モデル淡水中の金属カチオンのY値の増加に伴い、グルコン酸塩の腐食抑制能力が向上することが明らかになった。また、電気化学的及び表面分析の結果、グルコン酸塩配位子とY値の大きい金属カチオンが軟鋼に欠陥の少ない保護膜を形成していることが明らかになった。

論文

Hydrogen-trapping energy in screw and edge dislocations in aluminum; First-principles calculations

山口 正剛; 板倉 充洋; 都留 智仁; 海老原 健一

Materials Transactions, 62(5), p.582 - 589, 2021/05

 被引用回数:7 パーセンタイル:74.45(Materials Science, Multidisciplinary)

アルミニウム結晶中のらせん転位および刃状転位の水素トラップエネルギーを第一原理から計算した。詳細な計算条件を記述した。トラップ可能なあらゆるサイトを調べ尽くすことは計算時間の制約上困難であるが、計算した範囲内においてはらせん転位は最大で0.11eV/atom、刃状転位では最大で0.18eV/atomというトラップエネルギーが得られた。実験値との際について議論した。

論文

Analysis of residual stress in steel bar processed by cold drawing and straightening

西田 智*; 西野 創一郎*; 関根 雅彦*; 岡 勇希*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; 鈴木 裕士; 森井 幸生*; 石井 慶信*

Materials Transactions, 62(5), p.667 - 674, 2021/05

 被引用回数:2 パーセンタイル:35.36(Materials Science, Multidisciplinary)

In this study, we used neutron diffraction to analyze in a non-destructive method the distribution of internal residual stress in a free-cutting steel bar processed by cold drawing and straightening. The residual stresses were successfully measured with excellent stress balance. The residual stresses generated by the cold-drawing process were reduced by subsequent straightening, and the distribution of residual stresses by finite element method (FEM) simulation was consistent with the measured values by neutron diffraction. As a result of the FEM analysis, it is assumed that the rod was subjected to strong tensile strains in the axial direction during the drawing process, and the residual stresses were generated when the rod was unloaded. Those residual stresses were presumably reduced by the redistribution of residual stresses in the subsequent straightening process.

論文

Effect of solute carbon on the characteristic hardening of steel at high temperature

古賀 紀光*; 梅澤 修*; 山本 正之*; 山本 卓*; 山下 享介; 諸岡 聡; 川崎 卓郎; Harjo, S.

Metallurgical and Materials Transactions A, 52(3), p.897 - 901, 2021/03

 被引用回数:3 パーセンタイル:26.82(Materials Science, Multidisciplinary)

Small ball rebound hardness tests demonstrated characteristic hardening at 700 K in the ultra-low carbon and pearlitic steels. The equilibrium phase diagram of Fe-C binary alloy calculated using Thermo-Calc exhibited dissolving of cementite above 700 K. Moreover, in-situ heating neutron diffraction measurement demonstrated the increase of lattice parameter by dissolving of cementite above 700 K. Therefore, it can be concluded that the characteristic hardening above 700 K can be attributed to the solid solute carbon.

論文

Numerical interpretation of hydrogen thermal desorption spectra for iron with hydrogen-enhanced strain-induced vacancies

海老原 健一; 杉山 優理*; 松本 龍介*; 高井 健一*; 鈴土 知明

Metallurgical and Materials Transactions A, 52(1), p.257 - 269, 2021/01

 被引用回数:8 パーセンタイル:52.53(Materials Science, Multidisciplinary)

応力腐食割れの原因の1つと考えられている水素脆化に関し、近年、材料の変形時に水素により過剰生成した空孔が直接の原因と考える水素助長ひずみ誘起空孔モデルが提案されている。しかし、その定量的考察はあまりなされておらず、誘起空孔の挙動の定量的評価が必要である。このことから、本研究では、水素添加と同時にひずみを与えた純鉄の薄膜試料の水素熱脱離スペクトルを、空孔及び空孔クラスターの挙動を考慮したモデルでシミュレーションした。モデルでは、9個の空孔からなる空孔クラスター($$V_9$$)までを考慮し、空孔及び空孔クラスターの水素トラップエネルギーとして、分子静力学で見積もった値を用いた。また、拡散に関するパラメータも原子レベル計算で評価した値を用いた。結果として、モデルは、全体としてスペクトルを再現し、時効処理の温度に対するスペクトルの変化も再現した。一方、実験との2つの特徴的な違いも現れ、その考察から、$$V_2$$及び$$V_3$$の拡散はモデルより遅いこと、また、水素と共にひずみを与える際に、空孔クラスターも生成されることの可能性が見出された。本モデルは、照射で生成した空孔の挙動の考察にも応用可能と考える。

論文

Hydrogen trapping in Mg$$_2$$Si and Al$$_7$$FeCu$$_2$$ intermetallic compounds in aluminum alloy; First-principles calculations

山口 正剛; 都留 智仁; 海老原 健一; 板倉 充洋; 松田 健二*; 清水 一行*; 戸田 裕之*

Materials Transactions, 61(10), p.1907 - 1911, 2020/10

 被引用回数:7 パーセンタイル:56.69(Materials Science, Multidisciplinary)

アルミニウム合金中の金属間化合物Mg$$_2$$Si及びAl$$_7$$FeCu$$_2$$の水素トラップエネルギーを第一原理から計算した。Mg$$_2$$Siは水素をトラップしないが、Al$$_7$$FeCu$$_2$$はその結晶内部に水素原子を0.56eV/atomという強いトラップエネルギーでトラップすることが分かった。このことは、合金の製造過程でAl$$_7$$FeCu$$_2$$化合物の生成を適切に制御できれば、水素脆化の防止に役立つことを意味している。

論文

Element effects of Mn and Ge on the tuning of mechanical properties of high-entropy alloys

Lam, T.-N.*; Tsai, C.-W.*; Chen, B.-K.*; Lai, B.-H.*; Liu, H.-C*; 川崎 卓郎; Harjo, S.; Lin, B.-H.*; Huang, E.-W.*

Metallurgical and Materials Transactions A, 51(10), p.5023 - 5028, 2020/10

 被引用回数:12 パーセンタイル:63.42(Materials Science, Multidisciplinary)

Substitution of Ge for Mn increases the elastic moduli of different $${h k l}$$ orientations of the CoCrFeMnNi-based high-entropy alloy. Our findings indicate that tuning minor element compositions may result in improved strength-ductility combination. The underlying deformation mechanisms of CoCrFeNiGe$$_{0.3}$$ were examined by ${it in situ}$ neutron diffraction and analysis of the associated diffraction profiles during tensile deformation. The strain-hardening response of CoCrFeNiGe$$_{0.3}$$ exhibited a dominant mechanism of mechanical twinning at moderate and large strains at room temperature. The evolution of the bulk work hardening rate was consistent with the convolutional multiple whole profile fitting results, which exhibited a continuous increase in twin formation probability.

論文

Non-basal dislocation nucleation site of solid solution magnesium alloy

染川 英俊*; Basha, D. A.*; Singh, A.*; 都留 智仁; 山口 正剛

Materials Transactions, 61(6), p.1172 - 1175, 2020/06

 被引用回数:13 パーセンタイル:66.5(Materials Science, Multidisciplinary)

本論文では、固溶型MgY二元系合金を用いて粒界偏析の塑性変形への影響を評価した。変形後の微細組織観察から、底面転位とともに柱面の$$<a>$$転位が観察され、これらはイットリウム元素が偏析した粒界から生成されることがわかった。第一原理計算を用いた二元系合金の材料特性を比較することによって、非底面すべりに対して低い臨界分解せん断応力と粒界偏析エネルギーが大きい合金元素が、粒界近傍の非底面転位を活性化することが明らかになった。

論文

Neutron diffraction monitoring of as-cast Mg$$_{97}$$Zn$$_{1}$$Y$$_{2}$$ during compression and tension

Harjo, S.; 相澤 一也; Gong, W.*; 川崎 卓郎

Materials Transactions, 61(5), p.828 - 832, 2020/04

 被引用回数:5 パーセンタイル:38.18(Materials Science, Multidisciplinary)

In situ neutron diffraction measurements during compressive and tensile tests of an as-cast Mg$$_{97}$$Zn$$_{1}$$Y$$_{2}$$ alloy consisting of $$alpha$$ phase ($$alpha$$Mg) as the matrix and a long period stacking ordered phase (LPSO) of 25 vol%, were performed to understand deformation behavior of each phase and to monitor the occurrence of kinking during deformation. The LPSO grains yielded possibly via kinking during compressive deformation above the applied true stress of about 137 MPa. The stress partitioning among $$alpha$$Mg grains was observed larger in the compressive deformation than in the tensile deformation, that might be due to the large load sharing of $$alpha$$Mg grains as a result of the yielding of LPSO grains during compressive deformation.

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