Alloy Design and Mechanical Properties: First-principles Calculations of Dislocation Core

Abstract

 ま て り あ Materia Japan 第56巻 第 1 号(2017) 第一原理計算に基づく転位構造解析と合金設計-マグネシウムの延性向上への取り組み-都 留 智 仁 ,   . 緒 言 マグネシウム(Mg)は構造用金属材料で最も比重が低く， 地球上に豊富に存在する元素であることから，省エネルギー 社会の実現において軽量構造材料の有望な候補として期待さ れている (1) ．とりわけ輸送機器では，自動車の車体軽量化に よる燃費改善効果が高く(100 kg 当り 0.4 0.8 L (2))，車重比 率の高いフレームや駆動系統などのより多くの構造部材で Mg 合金の応用が望まれている．しかしながら，Mg 合金は 六方晶構造(HCP)に由来する塑性異方性により変形能に乏 しく，成形性，疲労強度，衝突安全性の向上が実用化に向け た重要課題となっている． 構造材料の機能向上のアプローチとして， 「組織制御」と 「合金化」が単相の材料設計の基礎として古くから広く行わ れてきた．組織制御に対して，加工による転位密度や結晶粒 径がもたらす機械的性質への影響は体系的に理解され，組織 制御による材料開発が積極的に行われている．Mg 合金に対 する組織制御では，微細粒化によって強度と延性が向上する ことが知られており，双晶界面の減少や非底面すべりの活性 化によることが指摘されている (3)(4) ．しかしながら，Mg 合 金では立方晶合金に比べて加工性が極めて低く，一般に加工 時の温度や集合組織の制御に多くの困難を伴う． 合金化による材料設計は，強度や靱性などの機械的性質， 融点などの熱力学的性質，耐食性などの化学性質の機能向上 を目的として行われる．Mg 合金においては，Mg Al Zn に よる AZ 系合金や Mg 遷移金属 希土類元素による長周期積 層構造を有する合金が開発され (5) ，Mg 合金の欠点である腐 食性や可燃性の改善が図られてきた．一般に Mg 合金は低 温での加工性が乏しいことから，加工による組織制御に先立 つ機械特性向上のための積極的な合金設計が特に重要とな る．近年，六方晶 Mg に対する二元系希薄合金の機械特性 の体系的な実験により，Y，Ce などの一部の合金元素では， 0.05 atのごく微量な添加によって Mg 合金の延性を大き く向上させることが知られてきた (6) ．だたし，同様の効果を 生む元素の多くが希土類元素であり資源的に希少かつ高価な ことから，延性向上のメカニズム解明とともに，代替材料の 開発が期待されている． 希少元素の代替材料開発は元素戦略の重要な研究であり， 原子・電子構造に立脚した構造材料に対する強さとねばさの 両立に向けた取り組みが推進されている (7) ．合金元素と機械 特性の関係は，通常固溶原子と転位の相互作用による強化機 構で説明される．Mg 合金においても Mg 3Al 1Zn(AZ31) 合金の Al や Zn などの多くの合金元素で強化が生じる．そ の一方，通常の強化機構では Mg 合金の塑性異方性にわず かな変化を生じるのみであり，強化は実現されるが延性は依 然として低い．Mg 合金の機械特性に関する一つの特徴とし て，高温で塑性伸びが大きく上昇することが知られており， その要因として高温域における非底面すべりの活性化である と考えられている (8) ．添加元素による延性の向上には粒径の 変化などの組織変化が寄与しないことから，微細粒化と異な るメカニズムとして，高温変形で生じるような非底面すべり が延性向上に重要な役割を果たすと考えられる．本稿では， 転位論と第一原理計算を用いて，合金化による機械特性への 影響を非経験的に評価するための合金設計手法を提案すると ともに，具体的な対象として，Mg 合金の延性向上のメカニ ズムと合金設計指針について紹介する． . 積層欠陥エネルギー Mg などの六方晶金属の変形は底面，柱面，錐面のすべり 系と双晶によって生じる．六方晶 Mg 合金では，底面すべ