Atomic stress distribution inside high entropy alloys: first principle local stress calculation

• Project Area: High Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity
• Project/Area Number: 19H05177
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Toyota Technological Institute
• Principal Investigator: 椎原 良典 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90466855)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: ハイエントロピー合金 / 固溶強化 / 原子応力 / 電子状態 / 第一原理計算 / 機械学習

Outline of Research at the Start

ハイエントロピー合金に優れた機械的性質を付与していると目される固溶強化機構を解明するために，独自手法である第一原理原子応力計算を用いて，ハイエントロピー合金結晶内部の応力場を明らかとする．得られた応力場を原子配置や電子状態といった局所的な情報と比較し，応力場を左右する物理的背景を明らかにする．

Outline of Annual Research Achievements

ハイエントロピー合金(High Entropy Alloy, HEA)の優れた機械的特性は，合金の強化機構の一つである固溶強化によると考えられているが，詳細は明らかでない．一般的な合金における固溶強化は，転位や積層欠陥等の格子欠陥と溶質原子近傍で生じる応力場の相互作用がその機構である．しかしながら，HEA では溶質原子と母相原子の区別がないため応力場の推定がなく，既存の固溶強化理論が適用できない．従来提案されている局所格子ひずみを見積もるための方策は，いずれも間接的であり，その有効性の根拠を論じる術がない．本研究では，申請者らが開発した独自手法である第一原理局所応力計算法を用いて，電子論から直接的に HEA内部の原子レベル応力場を明らかとすることを目的とする．また，個々の原子が持つ電子論的特性から応力場を解釈することを通して，応力場発現の電子論的メカニズムを明らかとする．今年度の研究においては，bcc型HEA(MoNbVTaW系,TiZrHfNbTa系)に対して第一原理局所応力計算を適用した．
結果として，bcc系合金においては，局所圧力と原子体積変化量の相関が確認された．これは，昨年度成果として得られたfcc型HEAにおける局所圧力と電荷移動量の相関とはやや異なるものである．周期表において同じ周期の元素からなるfcc型に対して，bcc型は同じ族，もしくは，隣の族に位置する元素により構成されている．族の異なる元素は原子半径が異なる傾向があるため，このような差異が出ているものと推測している．結果の妥当性についてさらに検討を進めている．

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] <i>Ab Initio</i> Local-Energy and Local-Stress Calculations for Materials Science and Engineering (2021)
  • Author(s): Kohyama Masanori、Tanaka Shingo、Shiihara Yoshinori
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 62 Issue: 1 Pages: 1-15
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2020291
  • NAID: 130007960312
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2021-01-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Shear Softening in a Metallic Glass: First-Principles Local-Stress Analysis (2020)
  • Author(s): I. Lobzenko, Y. Shiihara, T. Iwashita, and T. Egami
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Issue: 8 Pages: 085503-085503
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.085503
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 第一原理原子応力によるハイエントロピー合金内部の応力場解析 (2021)
  • Author(s): 椎原良典
  • Organizer: 日本金属学会2021年春季講演大会
  • Invited
• [Presentation] LCAO-based ab-initio local stress analysis on high-entropy alloys (2020)
  • Author(s): Yoshinori Shiihara
  • Organizer: Thermec'2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 第一原理原子応力計算による金属ガラスの原子レベル変形機構の解明 (2020)
  • Author(s): 椎原良典
  • Organizer: 日本金属学会2020年秋季講演大会
  • Invited