化学反応を考慮した超大規模1億原子シミュレーションによる材料破壊の学理構築

• Project/Area Number: 19J21195
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 陳 茜 東北大学, 金属材料研究所, 助教
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2021: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 反応力場分子動力学 / 鉄鋼材料 / 超臨界水 / 大規模計算 / シミュレーション / 分子動力学 / 金属の酸化

Outline of Research at the Start

腐食によって生じる損失は世界的に年間400兆円にのぼり、腐食によるインフラ破壊事故は社会を危険に導く。このような事故を未然に防止するために、機械作用と化学反応が複雑に絡み合った腐食環境下における材料劣化の予測と高強度・高耐腐食性に優れた材料の設計が強く望まれている。そこで本研究では、申請者が端緒を築いた「化学反応を含む破壊現象の理論的解明という新しい研究分野」をさらに発展させ、「化学反応を含む材料破壊の理論的学理」を確立する。さらに高耐腐食性・高強度を有する革新的材料の設計指針を導出するため、(A)機械作用・ (B)化学反応及び(C)材料組織が複雑に絡み合った多重要因の相互作用を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

これまで化学反応を含む材料破壊のシミュレーション手法を、本年度さらに発展させ、材料加工分野に拡張した。Zr合金は優れた耐食性及び低熱膨張率を有するため、宇宙・航空及び化学工業分野の高温環境下における構造材料として使用されている。しかし、高温かつ水蒸気環境ではZr合金が酸化を起こし、大量のH2分子と熱を放出することによって致命的な破壊につながることが問題となっている。これに対して、Zr合金の酸化を防ぐために物理蒸着法(PVD)を用い、CrをZr合金の表面にコーティングする技術が活用されている。高い接合強度を求めるためには、Cr原子がZr基板に侵入することによってZr-Crが固溶する層の形成が望ましい。しかし、実験的には、原子レベルでのCr原子の侵入プロセスのその場観察は困難であることから、分子動力学シミュレーションの活用が有効である。そこで、反応力場に基づく分子動力学法に基づくPVDシミュレーションを可能とし、Zr基板上においてCrの運動エネルギーがCrの侵入プロセスに与える影響を検討した。Cr原子の運動エネルギーがそれぞれ10 eV、20 eV、30 eV、40 eV、50 eV、100 eVのシミュレーションを行なった。照射速度はCr原子の質量と運動エネルギーから算出した。シミュレーションの結果、Crの運動エネルギーが10 eVの時、CrはZr基板に侵入しないことがわかった。次に、Crの運動エネルギーが20 eVと30 eVの時、Cr原子はZr基板の表面から1層目に侵入した。さらにCrの運動エネルギーが40 eV、50 eV、100 eVの時、CrはそれぞれZr基板の2層目、3層目と5層目に侵入した。これより、運動エネルギーが20 eV以下では、CrはZr基板の内部に侵入しないため、接合強度を向上するには、20 eV以上の照射エネルギーが必要であることが明らかにされた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Chemical-Reaction-Induced deformation of Body-Centered cubic iron in supercritical water leading to high risk of cleavage Fracture: A reactive Molecular dynamics study (2022)
  • Author(s): Chen Qian、Xu Jingxiang、Su Yixin、Uehara Shuichi、Bai Shandan、Wang Yang、Ootani Yusuke、Ozawa Nobuki、Kubo Momoji
  • Journal Title: Computational Materials Science Volume: 208 Pages: 111354-111354
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2022.111354
• [Journal Article] Heterogeneous yielding mechanisms of body centered cubic iron for high resistance to chemical reaction-induced deterioration in supercritical water environments: A reactive molecular dynamics study (2021)
  • Author(s): Chen Qian、Zhang Jing、Liu Zhongmin、Wang Yang、Ootani Yusuke、Xu Jingxiang、Ozawa Nobuki、Kubo Momoji
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 202 Pages: 113997-113997
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2021.113997
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Potential of low-resistivity Cu2Mg for highly scaled interconnects and itschallenges (2021)
  • Author(s): Linghan Chen, Qian Chen, Daisuke Ando, Yuji Sutou, Momoji Kubo, Junichi Koike
  • Journal Title: Applied Surface Science Volume: 537 Pages: 148035-148035
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.148035
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reactive Molecular Dynamics Simulations of Wear and Tribochemical Reactions of Diamond like Carbon Interfaces with Nanoscale Asperities under H2 Gas: Implications for Solid Lubricant Coatings (2020)
  • Author(s): Y. Wang, Y. Su, J. Zhang, Q. Chen, J. Xu, S. Bai, Y. Ootani, N. Ozawa, M.-I. B. Bouchet, J. M. Martin, K. Adachi, M. Kubo
  • Journal Title: ACS Appl. Nano Matter. Volume: 3 Issue: 7 Pages: 7297-7304
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c01775
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Triboemission of hydrocarbon molecules from diamond-like carbon friction interface induces atomic-scale wear (2019)
  • Author(s): Y. Wang, N. Yamada, J. Xu, J. Zhang, Q. Chen, Y. Ootani, Yuji Higuchi1, Nobuki Ozawa, M.-I. De B. Bouchet, J. M. Martin, S. Mori, K. Adachi, M. Kubo
  • Journal Title: Science Advances Volume: 5 Issue: 11 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1126/sciadv.aax9301
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Graphitization Dynamics of DLC under Water Lubrication Revealed by Molecular Dynamics Simulation (2019)
  • Author(s): Jing ZHANG, Yang WANG, Qian CHEN, Yixin SU, Jingxiang XU, Yusuke OOTANI, Nobuki OZAWA, Koshi ADACHI, Momoji KUBO
  • Journal Title: Journal of Computer Chemistry, Japan Volume: 18 Issue: 2 Pages: 103-104
  • DOI: 10.2477/jccj.2019-0001
  • NAID: 130007684614
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 反応力場分子動力学法に基づくCr/Zrの界面構造の解明 (2022)
  • Author(s): 陳茜、久保百司
  • Organizer: 日本金属学会２０２２年春期講演大会
• [Presentation] Dual-phase(bcc/fcc)鉄の分子動力学力場の開発 (2021)
  • Author(s): 陳 茜，王 楊，大谷 優介，尾澤 伸樹，久保 百司
  • Organizer: 日本金属学会
• [Presentation] 降伏前駆現象における純鉄の相転移に関する分子動力学シミュレーション (2020)
  • Author(s): 陳 茜，王 楊，大谷 優介，尾澤 伸樹，久保 百司
  • Organizer: 日本金属学会
• [Presentation] ReaxFFポテンシャルを用いたグランドカノニカルモンテカルロシミュレーションによる鉄酸化物の原子構造モデリング (2020)
  • Author(s): 陳 茜，栁澤 穂波，宮崎 成正，大谷 優介，尾澤 伸樹，久保 百司
  • Organizer: 日本金属学会
• [Presentation] Atomistic Oxide Structures and Stoichiometry of Chromium Steel by Grand Canonical Monte Carlo Simulations with ReaxFF Potential (2020)
  • Author(s): ian Chen, Chang Liu, Narumasa Miyazaki, Yusuke Ootani, Nobuki Ozawa, Momoji Kubo
  • Organizer: TMS 2020 Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 計算科学に基づく計算科学に基づくフェライト鋼における水素溶解のダイナミクス及び破壊への影響の検討 (2019)
  • Author(s): 陳 茜，栁澤 穂波，宮崎 成正，大谷 優介，尾澤 伸樹，久保 百司
  • Organizer: ナノ学会
• [Presentation] Reactive Molecular Dynamics Simulations on Fracture and Degradation of Steels", the 5th EMN Meeting on Computation and Theory (2019)
  • Author(s): Qian Chen, Narumasa Miyazaki, Yusuke Ootani, Nobuki Ozawa, Momoji Kubo
  • Organizer: the 5th EMN Meeting on Computation and Theory
  • Int'l Joint Research / Invited