報告書番号

Q16009

タイトル（和文）

クラスターの硬化に及ぼす化学組成の影響－第一原理計算による3元系Fe-Cu-X(X=Si/Ni/Mn)合金の剛性率－

タイトル（英文）

Effects of Chemical Composition on the Cluster Hardening -First-Principles Study on Shear Moduli of Fe-Cu-X(X=Si/Ni/Mn) Ternary Alloys-

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背景
原子炉圧力容器鋼の照射脆化は, 運転中の中性子照射によって鋼材中に溶質原子クラスターが形成されることが主要因である. これは, クラスターが転位運動の障害物となることにより臨界分解せん断応力が増加し, 硬化するためと考えられている. クラスターはCu, Ni, Si, Mn といった元素から構成され, 鋼材の化学組成により成分は異なる. 一方，例えば, Russell-Brown モデル注1) においては, 臨界分解せん断応力の増分が母相とクラスターの剛性率の違いに起因する等, 剛性率は硬化に対し重要な役割を果たす. 材料の剛性率は化学組成に影響を受けるため，化学組成によりクラスターの障害物としての強度が異なる可能性があるが，クラスターの化学組成が剛性率に及ぼす影響を調べた例はほとんどない. クラスターの化学組成の剛性率に対する影響を調べることにより，化学組成によるクラスターの障害物としての強度の違いが明らかとなり, 脆化予測モデルの精度向上につながる可能性がある.
目的
クラスターが均一な化学組成を持つと仮定し, 脆化を引き起こす代表的元素のCuを主成分とした体心立方格子の3 元系Fe-Cu-X(X=Si/Ni/Mn) 固溶体を対象に, 化学組成が剛性率に及ぼす影響を第一原理計算により調べる. また, 第一原理計算により得られた剛性率と平衡格子定数をクラスターの物性とし, Russell-Brownモデルによりクラスター形成による臨界分解せん断応力の増分を見積もる.
主な成果
1. Fe-Cu-X 3 元系の剛性率と合金元素の寄与
平面波基底密度汎関数理論に基づく第一原理計算によって, Fe128-x-yCuyXx(X=Si/Ni/Mn)の剛性率のVoigt平均GVを計算した. Fe-Cu, Fe-X 2元系では, GV は, Cu, Ni濃度が高いほど低く, Mn濃度が高いほど高くなった. Si濃度の影響は小さかった. Fe-Cu-X 3元系では, Cu濃度が最も影響が大きく, Cu濃度が高いほどGVは低くなった. GVはSi濃度の増加に対して極大を示し, その後低下した. Ni添加はGVを低下させ, Mn添加は, Cu濃度が低い場合はGVを上昇させ, Cu濃度が高い場合はGVを低下させた. GVの傾向は, 各元素間の結合の強さにより定性的に説明することができた.
2. クラスター形成による臨界分解せん断応力の増分と合金元素の寄与
第一原理計算から得た剛性率と平衡格子定数を用いて, Russell-Brownモデルによりクラスター形成による臨界分解せん断応力の増分Δτを計算した. Δτは剛性率と逆の傾向を示し, 2元系では, Cu, Ni濃度が高いほどΔτが大きくなった.Si 濃度のΔτへの影響は小さく, Mn濃度のΔτへの影響はなかった. Fe-Cu-X 3元系においても, Cu濃度の影響が最も大きく, Cu 濃度が高いほどΔτは大きくなった.

概要 （英文）

In this work, the effects of chemical composition on shear modulus of random bcc Fe-Cu-X(X=Si/Ni/Mn)alloys were investigated as well as an increase of critical resolved shear stress by obstacles, delta_tau. Shear moduli were calculated by first principles calculations based on plane wave density functional theory. The chemical composition of bcc alloy was Fe128-x-yCuyXx(X=Si/Ni/Mn) where x and y are x=0, 3, 6, 12, 18, 24, and y=0, 3, 6, 12, 18, 24, 36, 48, 60, such that 128-x-y is more than 64. It is found that shear modulus decreases as Cu concentration or Ni concentration increases, it increases as Mn concentration increases, and the effect of Si is small in the Fe-Cu, Fe-X binary alloys. It is also found that shear modulus increases as Cu concentration increases in Fe-Cu-X ternary alloys as a whole. The addition of Si atoms increases shear modulus in low Si density while it decreases shear modulus in high Si density. The addition of Ni atoms increases shear modulus. The addition of Mn atoms decreases shear modulus in low Cu density while it increases shear modulus in high Cu density. Delta_taus were calculated by Russell-Brown model employing the equillibrium lattice constants and shear modulus which were obtained from the first principles calculations. It is found that the trend of delta_tau is oppsite from the trend of shear modulus due to Russell-Brown model. Delta_tau increases as Cu concentration or Ni concentration increases, the effects of Si concentration is small, and that Mn concentration is none in Fe-Cu, Fe-X binary alloys. Delta_tau increases as Cu concentration increases in Fe-Cu-X ternary alloys in general.

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