| 研究概要 |
構造材料の脆性破壊は,き裂の進展が結晶粒内で生じる粒内割れと粒界に沿って生じる粒界割れ大別される.これまでの実験観察から,応力腐食割れや照射誘起応力腐食割れでは粒内割れで破壊が生じることは稀であり,粒界割れが支配的となり破壊が進行することが知られているが,この要因として粒界に不純物元素が析出する粒界偏析が破壊じん性の低下に重要な役割を果たすと考えられている.本研究では,原子・電子シミュレーションを用いて,多様な粒界構造や不純物元素に関して粒界偏析メカニズムを調査するとともに,粒界偏析の包括的な評価法を構築することを目的とする.
不純物の評価にはフェライト系ステンレスを対象として,マトリクス中に含まれる多様な不純物についてBragg-Williamsの概念を用いて,不純物-原子が固溶したモデルのみで混合のエンタルピーを予測する手法を提案し,複数の不純物が偏析した際の自由エネルギー変化についても検討を行った.その結果,三次元アトムプローブ(3DAP)観察で見られるように,銅やマンガン不純物は析出した状態が安定である一方,ニオブやタンタルは固溶状態が安定であるという結果が得られた.偏析傾向の異なる不純物の鉄中の結合状態は-4.0～-2.0eVのエネルギー状態の第一隣接間に広がるが軌道間の相互作用に起因していることを示し,結合状態がマトリクスからの偏析傾向と大きく相関があることを示した.また,対称性の高い対応粒界モデルを用いて粒界偏析に関する検討を行った結果,原子半径の大きなMoやNbはNiやCrと比べて偏析のドライビングフォースが大きいことに加えて拡散係数が大きくなることを示した.この結果も,3DAP観察を支持する結果となり,不純物偏析を評価する一連のスキームが得られた.
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