2018 Fiscal Year Annual Research Report

Crystal structure and mechanical properties of the precipitate phase inducing embrittlement of nuclear reactor pressure vessel steels

Research Project

Project/Area Number	16K06767
Research Institution	Kumamoto University
Principal Investigator	松川義孝熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 准教授 (70566356)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	牟田浩明大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60362670)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	原子力材料 / 圧力容器 / 脆化 / 寿命 / 析出物 / 状態図
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は、原子炉圧力容器鋼の寿命を律速するナノ析出物（Ni-Si-Mn-Fe）が、結晶学的にG相（cF116構造）に該当するか否かを判定するガイドラインを作成することであり、申請書に記した具体的な研究内容は、化学量論組成のG相（Ni16Si7Mn6）を起点としたNi-Si-Mn-Fe疑四元系状態図を作成することであった。当初の計画に従って昨年度までに、地金を様々な比率でアーク溶解した結果、作成したインゴットが単相で且つ構造がcF116になるのは化学量論組成のG相のみであることが明らかとなった。鋼に実際に析出するG相には、Siが半分Feに置換した組成（Ni16Si3.5Fe3.5Mn6）のものもあるのだが、それはこの平衡状態図では再現できないことがわかった。この組成のG相は、熱力学的に非平衡な相であると結論づけられる。状態図を作成する実験と並行して、化学量論組成のG相の物性測定を行った。その結果、全く想定していなかった新奇な知見が得られた。Thermo-calcでG相の融点を計算すると2,188 Kという結果になるのだが、実際の融点は1,475 Kであった。この大幅な食い違いは、既存の熱力学的データベースが正しくない可能性を示唆している。 G相の自由エネルギーを実験で直接導出した導出した前例はない。最終年度では、化学量論組成のG相の自由エネルギーを実験と第一原理計算でそれぞれ導出することを試みた。比熱を4 Kから融点までの温度範囲で測定し、エントロピーを導出した。G相が200 Kで磁気変態し、それより低温で反強磁性体になることも明らかにした。標準生成エンタルピーを導出する実験は現在進行中である。第一原理計算では、VASPとphonopyを用いて自由エネルギーを導出した。G相は温度によって磁性が変化するため、計算では反強磁性、強磁性、非磁性の3種類について検討した。