2022 Fiscal Year Annual Research Report
Mean-square atomic displacement - a new descriptor of solid-solution strengthening (from dilute to high-entropy alloys)
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22H00262
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
乾 晴行 京都大学, 工学研究科, 教授 (30213135)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岸田 恭輔 京都大学, 工学研究科, 准教授 (20354178)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 平均原子変位 / 固溶強化 / 降伏強度 / 熱活性化 / 転位 / 積層欠陥 / 動的摩擦抵抗 / 溶質原子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
最近，我々のシンクロトロンX線回折を用いた研究から，4，5元系ハイエントロピー合金の強度が構成元素の平均原子変位と強い線形相関があることを見出した．この事実は，ハイエントロピー合金のような高濃度合金では，個々の構成元素の周りの歪場は，隣接原子の配列の組み合わせにより多様に変化し，転位との相互作用の強さも原子スケールで変動するが，その固溶体強度は個々の構成元素の歪場（原子変位）及びその空間変動を正しく記述せずとも，構成元素の平均原子変位をパラメーターとして記述できることを強く示唆する．ハイエントロピー合金のみならず2元系，3元系の希薄および高濃度合金など種々の合金系につき，構成元素の平均原子変位と降伏せん断強度を極低温で求め，「せん断強度は歪んだ結晶格子から運動する転位が受ける動的摩擦抵抗により決定される」という新しい原理を検証することにより，これまで記述が不可能だった高濃度合金を含めて，希薄合金から高濃度合金まですべての合金系の固溶強度を構成元素の平均原子変位を主たる新規なパラメーターとして定量記述する新たな理論体系の確立を目指した．
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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
これまでのハイエントロピー合金に関する解析は多結晶で得られた力学特性データをもとに行われたが，本研究ではCr-Mn-Fe-Co-Ni系5,4,3元系ハイエントロピー合金に関しすべての単結晶について力学特性を測定し，固溶体強度と平均原子変位の相関関係を検証する．本年度は，5種の5元系および3種の4元系ハイエントロピー合金単結晶を作製し，10~1473 Kの温度範囲で圧縮試験から降伏強度（CRSS）を測定し，第一原理計算から求めた平均原子変位との相関関係を検証した．5種の5元系ハイエントロピー合金単結晶ではCr濃度が増加するほど降伏強度は増大し，また，Co濃度が増加するほど降伏強度は減少した．この傾向は平均原子変位の計算結果と一致しており，5種の5元系ハイエントロピー合金単結晶の0 K CRSSは平均原子変位と線形関係にあることが確かめられた．この実験で求めた0 K CRSSを最近提唱されている固溶強化理論と比較すると，ある理論では0 K CRSSを30%以上も過小評価する事が明らかとなった．平均原子変位は格子ミスフィットの非線形相互作用をも含めてスカラー量で記述できる優れた金属固溶強化の定量記述子である事が明らかとなった．また，3種の4元系ハイエントロピー合金単結晶についても10~1473 Kの温度範囲で圧縮試験から降伏強度（CRSS）を測定し，第一原理計算から求めた平均原子変位との相関関係を検証した．3種の4元系ハイエントロピー合金単結晶の0 K CRSSも第一原理計算から求めた平均原子変位と線形な相関関係があり，しかもその線形関係は前述の5種の5元系ハイエントロピー合金単結晶に対するものと全く同じ相関関係にあり，構成元素数に関係なしに0 K CRSSは1本のマスター直線で記述できる事が明らかとなった．
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| Strategy for Future Research Activity |
等原子量ハイエントロピー合金に関し，本年度は5，4元系合金に関する基本的な調査を完了したので，来年度（以降）は5種の3元系ハイエントロピー合金単結晶を作製し，10~1473 Kの温度範囲で圧縮試験から降伏強度（CRSS）を測定し，第一原理計算から求めた平均原子変位との相関関係を検証する予定である．また，これまでの第一原理計算では磁性の影響を十分には取り入れておらず，3元系のみならず，5，4元系合金に関しても磁性の影響を取り入れて平均原子変位の計算を行う予定である．
近年，合金の構成元素によっては熱処理により短範囲規則化が生じ，固溶体の強度も20 %以上の変化を見せるとの報告がある．これは，もし合金の強度が平均原子変位と相関関係にあるなら，熱処理により同じ組成の合金でも原子配列を変えることにより平均原子変位も変化することを意味する．実験的に熱処理により短範囲規則度を変化させそれぞれの力学特性を測定しつつ，平均原子変位と相関関係を検証したい．
短範囲規則化も含めて金属の固溶強度と平均原子変位と相関関係が成立する事が確かめられれば，この相関関係の物理を転位論に基づた解析を行う定である．
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