Elucidation of structures of vacancy-solute clusters in aluminum alloys by first-principles calculations and statistical method

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05131
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Masataka Mizuno 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (50324801)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: Al-Mg-Si / 第一原理計算 / 溶質クラスタ / 空孔 / Siリッチクラスタ / モンテカルロ計算 / 析出強化

Outline of Final Research Achievements

The interaction between vacancies and solute atoms has a great influence on the mechanical property of age-hardening Al alloys. In the present work, the stable structures of vacancy-solute clusters in Al-Mg-Si alloys have been clarified using first-principles calculations and statistical method. Not the most stable but the second most stable vacancy-solute cluster, which has layered type structure, evolves into the precipitation hardening phase, which contributes to the negative effect of natural aging: the precipitation of the precipitation hardening phase is suppressed by natural aging. In Al-Mg-Zn alloys, the effect of vacancies on the structure and stability of solute clusters is not significant, which contributes to the age-hardening of furnace-cooled specimen.

Free Research Field

:計算材料科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

Al-Mg-Si合金における空孔－溶質クラスタの形成については多くの研究が行われてきたが、詳細な構造や析出強化相への遷移過程は明らかではなかった。第一原理計算と統計的手法により、網羅的な原子の配置の検討を行い、空孔－溶質原子クラスタの安定構造を初めて明らかにした。最安定クラスタではなく準安定クラスタが析出強化相に遷移することも明らかにし、室温時効での最安定クラスタの形成が析出強化相形成を抑制するメカニズムを示した。これは、工業的にも問題になっている室温時効による「負の効果」の抑制方法の提案に寄与する研究成果である。