[論文レビュー] Nanoindentation of single crystalline Mo: Atomistic defect nucleation and thermomechanical stability

F. J. Domínguez-Gutiérrez, Stefanos Papanikolaou+3 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Metal and Thin Film Mechanics参考文献 53被引用数 40

ひとこと要約

本研究では、10〜800 Kの温度範囲で球状ナノインデンテーションを受ける単結晶モリブデンの熱機械的安定性を、分子動力学シミュレーションを用いて調査する。特に、1/2[111]不純度が形成する[001]不純度接合の形成と、極めて優れた熱安定性が、モリブデンの高温でも持続する高硬度を特徴づける原子的メカニズムであることが特定された。これはタングステン（W） やタニウム（Ta） などの他の体心立方（BCC）金属とは異なり、モリブデンに特有の性質である。

ABSTRACT

The mechanical responses of single crystalline Body-Centered Cubic (BCC) metals, such as molybdenum (Mo), outperform other metals at high temperatures, so much so that they are considered as excellent candidates for applications under extreme conditions, such as the divertor of fusion reactors. The excellent thermomechanical stability of molybdenum at high temperatures (400-1000$^{ m o}$C) has also been detected through nanoindentation, pointing towards connections to emergent local dislocation mechanisms related to defect nucleation. In this work, we carry out a computational study of the effects of high temperature on the mechanical deformation properties of single crystalline Mo under nanoindentation. Molecular dynamics (MD) simulations of spherical nanoindentation are performed at two indenter tip diameters and crystalline sample orientations [100], [110], and [111], for the temperature range of 10-1000K. We investigate how the increase of temperature influences the nanoindentation process, modifying dislocation densities, mechanisms, atomic displacements and also, hardness, in agreement with reported experimental measurements. Our results suggest that the characteristic formation and high-temperature stability of [001] dislocation junctions in Mo during nanoindentation, in contrast to other BCC metals, may be the cause of the persistent thermomechanical stability of Mo.

研究の動機と目的

• 400–1000 °Cの高温環境、特に核融合炉のダイバータのような極限環境下で、モリブデンが示す特異な熱機械的安定性の原子スケールの起源を理解すること。
• ナノインデンテーションにおける温度の影響が、単結晶モリブデンの不純度発生、進化、接合形成にどのように作用するかを調査すること。
• 同じ結晶構造を有するが、高温で硬度を維持できない他のBCC金属（例：W, Ta）と比較して、なぜモリブデンが高温で高い硬度を維持できるかを明確にすること。
• 特に不純度接合に注目し、観察されたマクロな機械的挙動（例：硬度）と特定の原子的欠陥機構との関連を明確にすること。
• 原子的スケールのシミュレーションを用いて、極限の熱機械的応力下でのモリブデンの低劣化と高い性能発現のメカニズムを解明し、実験的傾向と整合性を持つこと。

提案手法

• 単結晶モリブデンに[100]、[110]、[111]結晶方位を持つ球状ナノインデンテーションを大規模な分子動力学（MD）シミュレーションで実施。
• 10–800 Kの温度範囲で温度効果をシミュレート。原子の緩和問題を回避し、制御された荷重を実現するため、反発性の仮想インデンターを用いる。
• 温度およびインデンターの変位に応じた不純度密度、バーガースベクトルの変化、原子の変位を追跡。
• トポロジカルおよびエネルギー的基準を用いて、特に1/2[111]不純度から形成される[001]不純度接合の形成と安定性を分析。
• シミュレートされた硬度値と不純度密度・接合形成の相関関係を評価し、実験的ナノインデンテーションデータと照合。
• 補足的な可視化および時間分解解析を用いて、荷重・荷重解除過程における不純度発生および接合の増殖を追跡。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノインデンテーション中における単結晶モリブデンの不純度発生、伝播、接合形成に、温度上昇がどのように影響するか？
• RQ2 他のBCC金属（例：W, Ta）とは異なり、なぜモリブデンは高温でも高い硬度を維持できるのか？
• RQ3 ナノインデンテーション下でのモリブデンの熱機械的安定性を向上させる[001]不純度接合の役割は何か？
• RQ4 [100]、[110]、[111]といった異なる結晶方位が、温度依存の機械的応答および不純度メカニズムにどのように影響を及ぼすか？
• RQ5 シミュレートされた硬度値および不純度ダイナミクスは、高温での実験的ナノインデンテーション測定結果とどの程度整合しているか？

主な発見

• 高温域で顕著な強化機構として、2つの1/2[111]不純度が反応して形成される熱的に安定な[001]不純度接合の形成が特定された。
• これらの[001]接合は非常に安定しており、特に400 K以上の温度で荷重下で著しく増殖し、シミュレートされた硬度の上昇と直接相関している。
• [001]接合の数は温度およびインデンターの変位に伴い著しく増加し、最大荷重時にピークに達する。これは温度駆動型の強化プロセスを示している。
• タングステン（W） やタニウム（Ta） とは異なり、これらの接合が不安定または存在しないのに対し、モリブデンは[001]接合を安定化させる動的およびエネルギー的有利性を有している。
• シミュレートされた硬度値は実験的測定値と良好に一致しており、モデルの高温機械的挙動予測能力が妥当であることが裏付けられた。
• [001]接合はエネルギー的に有利であり、形成後は熱力学的にも安定であるため、その持続性とモリブデンにおける加工硬化への寄与が説明できる。