溶質原子の粒界偏析予測に基づく材料組織設計指針の提示

介绍基于溶质原子晶界偏析预测的材料结构设计指南

基本信息

批准号：
21K04687
负责人：
塚田祐貴
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

昨年度に開発した粒界組成予測プログラムを用いて、オーステナイト系ステンレス鋼（type 316L steel）における粒界偏析元素（Mo、P、B、C）の粒界組成の結晶粒径依存性を解析した。粒界の体積率は結晶粒径の減少とともに増加する。結晶粒径300μmの条件での粒界組成は、粒界の体積率をゼロと仮定した場合の粒界組成とほぼ等しくなった。結晶粒径3～6μmの条件ではMo、B、Pの粒界組成がわずかに減少し、結晶粒径1μmの条件ではB、Pの粒界組成が大きく減少した。これらの結果は、結晶粒径10μm以下の条件では、粒界組成計算において粒界体積率を考慮する必要があることを示唆している。36種類のニッケル基合金について、昨年度に開発したプログラムを用いて粒界組成を計算し、さらに、公開されているデータベース、専門書、学術雑誌論文からクリープ破断強度データを収集した。これらのデータセットを用いて、粒内組成、粒界組成、強化相の体積率、クリープ破断強度の相関を解析した結果、粒界強化元素として知られるBの粒界組成とクリープ破断強度に正の相関があることが確認された。今年度より、移動粒界の組成予測プログラムの開発に着手した。粒界に溶質原子が偏析すると、粒界移動の際にそれらの原子を引きずるため、粒界移動速度が小さくなる（ソリュートドラッグ効果）。フェーズフィールド法により、一定速度で移動する粒界近傍における溶質元素の定常濃度プロファイルを解析した。粒内相と粒界相のギブスエネルギー計算には、計算状態図の熱力学データベースを用いた。ランダム粒界の組成を解析対象とし、粒界相のギブスエネルギーには液相のギブスエネルギーを用いた。開発したプログラムを用いてマグネシウム合金の粒界組成を計算し、溶質元素の濃度プロファイルやドラッグ力の粒界移動速度依存性を解析できることを確認した。

利用去年开发的晶界成分预测程序，我们分析了奥氏体不锈钢（316L型钢）中晶界偏析元素（Mo、P、B、C）的晶界成分的晶粒尺寸依赖性。晶界的体积分数随着晶粒尺寸的减小而增加。晶粒尺寸为300μm的条件下的晶界组成与假设晶界体积分数为零时的晶界组成几乎相同。在晶粒尺寸为3～6μm的条件下，Mo、B、P的晶界成分略有降低，在晶粒尺寸为1μm的条件下，B、P的晶界成分显着降低。这些结果表明，在晶粒尺寸为10μm以下的条件下，在晶界成分计算中需要考虑晶界体积分数。使用去年开发的程序计算了 36 种镍基合金的晶界成分，并且还从公开数据库、专业书籍和学术期刊文章中收集了蠕变断裂强度数据。利用这些数据集，我们分析了晶内成分、晶界成分、强化相的体积分数和蠕变断裂强度之间的相关性，结果发现，被称为晶界强化元素的 B 具有已证实晶界成分和蠕变断裂强度之间存在相关性。从本财年开始，我们开始开发一个计划来预测移动晶界的成分。当溶质原子在晶界偏析时，这些原子在晶界移动时受到拖曳，导致晶界移动速度降低（溶质拖曳效应）。使用相场方法分析了以恒定速度移动的晶界附近的溶质元素的稳态浓度分布。计算相图的热力学数据库用于计算晶内相和晶间相的吉布斯能量。分析了随机晶界的组成，将液相的吉布斯能用作晶界相的吉布斯能。使用开发的程序，我们计算了镁合金的晶界成分，并确认可以分析溶质元素的浓度分布以及曳力对晶界移动速度的依赖性。