コンピューターシミュレーションを使った材料開発

液相急冷で作成した2相分離状態の金属ガラス

Keywords: 金属ガラス、構造材料、熱電材料、MDシミュレーション

構造材料研究拠点 上席研究員

下野 昌人SHIMONO.Masato@nims.go.jp | http://www.nims.go.jp/research/group/computational-structural/

計算機能力向上に伴うシミュレーション予測の有効性の増大

エネルギーの効率的利用を実現する新規機能材料開発への期待

持続的発展に向けた構造材料開発の重要性の増加

MDシミュレーションを用い「仮想実験室」内で材料の創製過程を解析しその特性を評価する。

シミュレーションを活かして熱電材料やアモルファス材料など新規機能材料の特性を予測する。

シミュレーションを用いて構造材料の力学特性を決定する要因を解明する。

・ M. Shimono, K. Tsuchiya and H. Onodera, Mater. Trans. 54 (2013) 1575-1579.・ M. Shimono and H. Onodera, Metals 5 (2015) 1163-1187.

金属ガラスおよびナノ結晶の生成機構の解明

鉄中のらせん転位の移動メカニズムの理解

熱電材料の特性予測

ナノ構造制御による金属ガラス材料の特性向上

転位の運動を制御することによる構造材料開発

新奇熱電材料の開発

強加工で作成したアモルファス/ナノ結晶組織

鉄中を移動するらせん転位周りのひずみエネルギー分布：垂直方向(左)、転位線方向(右)

温度差を付与した熱電材料中の温度分布

転位と格子欠陥に代わるスピン構造材料研究

破壊とは

ΔEatom＝ Δmc2＝ΔEnucleus+ΔEelectron+ΔEbond＜（ΔElocal–Ebond)–ΔEtransfer–ΔEradiation–ΔEslip …（1）

（原子の比熱や結合力で吸収できるネルギー）＜（結合力を超える局所的な歪みエネルギーの伝達や辷りによる緩和後の量）となり、隣り合う結合面のエネルギー準位が異なると、継続的に電子軌道が結合を分離し自己安定化し再結合せずき裂を発生し破壊する。

Keywords: 電子軌道、結晶構造、破壊、強度、脆性、水素脆性

構造材料研究拠点 特命研究員

緒形 俊夫OGATA.Toshio@nims.go.jp | https://samurai.nims.go.jp/profiles/ogata_toshio

原子を泡や剛体球に、自由電子を海状に分布すると例えると、磁性も強度も脆性も説明できない。

電子は雲状の軌道に分布し、混成軌道を作り結合し、電子の場は筋肉、スピンは体表に相当する。

従来の研究は、Ｘ線の像に映った骨が自ら結合し動き強度や延性をもたらすという議論をしていた。

低温脆性（1912年のタイタニック号の事故以後も未解明）、水素脆性等のbccの脆性機構の解明

転位論では説明し切れていない、加工強化、固溶強化機構の電子軌道の結合による解明

変形や破壊の現象と磁気スピンの挙動を併せて考察し、強化機構や材料特性の本質を解明

・緒形俊夫 極限環境材料評価法開発と標準化および強度と脆性の電子軌道による説明、ふぇらむ、23,8(2018)・T. Ogata: Influence of 70 MPa Hydrogen Gas on SUS 630 from 77 K to 373 K by Simple Testing Method, ASME Pressure Vessels & Piping Conference 2018 Proceeding, ASME PVP2018-84462

金属結合はエネルギー準位が同じ混成軌道による共有結合

加工は材料に軌道の結合組み換えエネルギーを加えること

転位は隣接原子との規則的な結合の変化が線状に連なった

所

様々な変形・破壊現象の電子軌道の結合という観点での

解明

機械工学より量子論や特殊相対性理論も踏まえた金属学

マテリアル・サイエンスとしての物質・材料研究

表２ 固溶強化元素のFeとの結合と作⽤

表１主な結晶格⼦の特徴と主結合電⼦軌道

電子軌道と結晶構造表1に示すように、hcpとfccはp軌道が混成した結合

であるが bccではp軌道が主結合に関与していない。hcp、fcc、bccの辷り方向が違うのは結合に関わる電子軌道が違うからである。

固溶強化機構 d3sの混成軌道で結合しているbccに辷り方向の異なるp軌道の結合（表2）が混ざると、p軌道の結合が鎹（かすがい）になる。マルテンサイトは、結合方向の異なるd軌道とp軌道による結合が混ざり、結晶格子もbctとなるため、塑性変形し難く硬い。

へき開破壊 隣接原子間のd軌道の結合の組み換えが主方向の<111>で行なわれる際に、結合方向の異なる鎹のp軌道の結合の組み換えが出来ず、へき開面に位置する元素（C）とのp軌道の結合が分離する。

加工強化機構 加工歪みエネルギーで励起され高次の軌道との結合にも至ることで強度を上げる機構。細粒は高次の軌道に組み換えたサブグレイン境界。

低温脆性 低温では、①sp混成軌道が作れず、自由電子が減りp軌道の結合になり、CとNの固溶強化で強度が著しく上がり硬くなり、②熱伝導率が下がるように、エネルギー伝播が小さくなり、また辷りが遅くなる。よって、衝撃的な負荷で-ΔEtransfer-ΔEradiation-ΔEslipが効かず、緩和が間に合わず、破壊条件に達し割れる。

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構造材料