Local Lattice Strain around Alloying Element and Martensitic Transformation in Titanium and Iron Alloys

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K04991
• Research Institution: Nagoya Industrial Science Research Institute
• Principal Investigator: 森永 正彦 公益財団法人名古屋産業科学研究所, 研究部, 研究員 (50126950)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉野 正人 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10397466) ; 湯川 宏 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (50293676)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 局所格子歪 / 原子空孔 / チタン / 鉄 / マルテンサイト変態 / 原子拡散 / 擬ポテンシャル

Outline of Annual Research Achievements

金属中に原子サイズの違う合金元素が入ると、合金元素近傍の母金属格子に局所歪が導入されることは昔からよく知られている。しかしながら、局所格子歪の大きさを決定した研究は、これまで殆ど見当たらない。格子歪エネルギーの大きさは、熱エネルギー(kBT)に匹敵している（kB：ボルツマン定数、T：絶対温度）。従って、局所格子歪は、温度とともに変化する多くの合金の性質(例：強度、相安定性)に影響を及ぼす。それ故、局所格子歪の大きさを求めて、合金の性質との関係を調べることは重要である。
本研究ではこのような立場から、工業的にも重要なチタン合金と鉄合金中の合金元素近傍の局所格子歪の大きさを、擬ポテンシャル法を用いて初めて決定した。そして、これら両合金に現れるマルテンサイト変態の開始温度(Ms)と局所格子歪の関係を調べた。その結果、bcc金属の中でもとりわけbccチタンやbcc鉄のように、マルテンサイト変態や同素変態が起きる金属中の合金元素の近傍において、局所格子歪エネルギーが大きいことが分かった。また、これら両合金において、合金元素近傍に大きな局所変位があるときには、原子変位（シアー）型のマルテンサイト変態が起こりにくくなることが明らかになった。この原因は、合金元素近傍の原子の局所変位方向が、マルテンサイト変態時に起こる原子のシアー方向とは全く異なるため、均一なシアーが起こりにくいためである。
この外、チタンや鉄をはじめとする各種金属の中の原子空孔の近傍の局所格子歪の大きさを決定した。そして、bcc金属中の原子空孔の近傍の局所格子歪エネルギーの大きさは、最密結晶構造のfcc, hcp金属に比べて一桁も大きいことが分かった。さらに、チタンや鉄などの同素変態するbcc遷移金属において、空孔に近接する原子が空孔側に大きく変位するため原子拡散が活性化して、その金属の自己拡散係数が大きいことも判明した。