2017 Fiscal Year Research-status Report
六方晶金属における塑性異方性改善のための合金設計手法の開発
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16K06714
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
都留 智仁 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力基礎工学研究センター, 研究副主幹 (80455295)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 塑性異方性 / 六方晶合金 / 転位芯構造解析 / 破壊靱性評価 / 第一原理計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マグネシウム（Mg）などの六方晶合金は，塑性変形の異方性のため低温～室温で延性・加工性に乏しく，構造材料として本質的な欠点を有している．近年，少量の添加で延性を劇的に改善する元素が確認され，合金開発による実用化が期待されている．しかし，合金化と機械特性の関係は古くから固溶強化が知られるのみで，降伏後の塑性変形や延性を関連づける理論や機構は知られていない．そこで本研究では，周期転位の場を考慮した電子構造解析に基づく塑性変形の評価法を構築し，塑性異方性を改善する機構を解明することを目的とする．
昨年度までに合金元素が転位のすべりに与える影響を評価し，一部の3d遷移金属がMgのすべりの異方性を改善することを明らかにした．本年度は，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した．このエネルギー評価に双晶モデルを用いた第一原理計算を適用し，様々な合金元素影響を体系的に評価した．その結果，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ジルコニウム（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．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
転位芯構造に関する第一原理計算について，申請者が所属する原子力機構のスーパーコンピューターシステムを有効に活用し，Mg合金に添加される元素を全て検討に加え合金元素が転位構造に及ぼす影響を評価した．また，他の六方晶金属を対象として純チタン（Ti）の特異なすべり運動のメカニズムを転位芯構造解析から明らかにした．
さらに，合金元素の影響として破壊靱性に与える影響をエネルギー平衡に基づく破壊力学理論と第一原理計算を組み合わせて評価した．その結果，ジルコニウムなどの一部のIIIBやIVB族元素が双晶面や表面の結合に大きな影響を与え，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．これらの結果を，連携研究者の実験結果と比較し良好な一致を確認した．このような一致は，Mgが比較的脆性的であり塑性変形による仕事が小さいという仮定が正しく，この仮定が成り立つ場合は十分予測が可能であることを示唆している．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在，六方晶Tiとレニウム（Re）に関してカリフォルニア大学バークレー校（UCバークレー）と共同研究を行っており，Tiに関してその場観察圧縮試験から転位構造と酸素による特異な強化機構が明らかにされている．これまで，純Tiの特異な転位運動が明らかになっており，置換型のアルミニウムやバナジウムの元素が与える影響について評価しているが，格子間型の酸素の強化機構について連携して研究を進める．また，Reは非常に特殊な変形組織が得られることがUCバークレーの実験からわかっており，様々な六方晶系金属を対象として変形を体系的に理解する．
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| Causes of Carryover |
平成29年度に購入したクラスター計算機が当初予定額より安価で購入できたことにより次年度使用額が生じることとなった。平成30年度において計画している解析に使用する消耗品費等の購入費用として使用する計画である。
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