[論文レビュー] First-principles study of the Mn, Al and C distribution and their effect on the stacking fault energies in austenite

Н. И. Медведева, M. S. Park+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2012

Aluminum Alloy Microstructure Properties被引用数 6

ひとこと要約

第一原理研究では、Fe-Mn-Al-CフェライトにおけるMn、Al、Cの不均一分布と、それらが積層欠陥エネルギー（SFE）に与える影響を調査している。ab initio計算により、SFEは平均マトリックス組成ではなく、積層欠陥周辺の局所的不純物濃度に強く依存することを示しており、Mnはわずかに欠陥に向かってセグレゲーションを示し、Cはそれを避け、AlおよびCの両方がSFEを上昇させるが、Mn-Cペア形成とD03型Al秩序化がこの効果を抑制することが分かった。

ABSTRACT

We present ab-initio simulation of manganese, aluminum and carbon impurities in austenite and demonstrate their inhomogeneous distribution, which involves the repulsion of interstitial carbon atoms, the formation of bonded Mn-C pairs as well as a short range Al-ordering of D03-type. The mechanisms for the formation of stacking faults in Fe-Mn-Al-C are considered, and we find that the impurities have influence on the stacking fault energies only when located within a few interatomic layers near stacking fault. As a result, the stacking fault energy does not depend on the average concentration of impurities in matrix, but is highly sensitive to the concentration of the impurities in the vicinity of stacking fault defect. We predict that manganese shows a slight tendency for segregation near SF, while carbon prefers to be located far from the stacking fault region. Both aluminum and carbon impurities linearly increase the SFE, while the formation of Mn-C pairs and short range Al-ordering restrain the SFE growth. Short range order in Fe-Al-C alloys strongly affects the energy barrier for nucleation of dislocations and may lead to softening phenomenon.

研究の動機と目的

• FeベースのフェライトにおけるMn、Al、C不純物の熱力学的および構造的挙動を理解すること。
• 短距離秩序化や結合性への傾向を含めた、これらの元素の不均一分布を調査すること。
• 積層欠陥周辺の局所的不純物配置が積層欠陥エネルギー（SFE）に与える影響を特定すること。
• Mn-CペアおよびD03型Al秩序化がSFEおよび不純物核化エネルギー障壁をどのように調節するかを明確化すること。
• 高Mn、高Al、C含有フェライト鋼における平均組成と観測されたSFEの乖離を解明すること。

提案手法

• Fe-Mn-Al-C系におけるab initio電子状態計算に密度汎関数理論（DFT）を適用した。
• 固体溶液および短距離秩序化をモデル化するため、Mn、Al、C原子の分布を制御したスーパーセルをシミュレートした。
• エネルギー最小化およびペア相関関数を用いて、Mn-Cペア形成およびD03型短距離Al秩序化の分析を行った。
• スラブモデルを用いて、欠陥面周囲の異なる局所的構成における積層欠陥エネルギー（SFE）を計算した。
• 特定の局所的配置を含む・含まないSFE値を比較することで、不純物のSFEへの影響を定量化した。
• 不純物のセグレゲーション傾向および欠陥近傍での不純物核化エネルギー障壁を評価するため、熱力学的解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mn、Al、CはFe-Mn-Al-Cフェライトにどのように分布し、その不均一分布を引き起こす要因は何か？
• RQ2 Mn-Cペア形成およびD03型Al秩序化は、積層欠陥エネルギー（SFE）にどのような影響を与えるか？
• RQ3 不純物の平均濃度がマトリックス中に存在するかどうかがSFEを決定するのではなく、欠陥に近接する局所濃度が重要であるか？
• RQ4 不純物は積層欠陥における不純物核化エネルギー障壁にどのように影響を与えるか？
• RQ5 なぜFe-Mn-Al-C鋼におけるSFEは平均組成と線形に相関しないのか？

主な発見

• 炭素原子は積層欠陥領域から強く反発され、欠陥面から遠くに存在することを好む。
• マンガンはわずかに欠陥に向かってセグレゲーションを示すが、強くはならない。
• アルミニウムおよび炭素はそれぞれ単独でSFEを上昇させ、その上昇は欠陥周辺の局所濃度に線形的に依存する。
• Mn-Cペア形成およびD03型短距離Al秩序化が、AlおよびCによるSFE上昇を顕著に抑制する。
• 積層欠陥エネルギーはマトリックス内の平均不純物濃度ではなく、欠陥周囲数原子層内の局所濃度に依存する。
• Fe-Al-C系における短距離秩序化は、不純物核化エネルギー障壁を上昇させ、材料にソフトニング効果をもたらす可能性がある。