[論文レビュー] Transition metal solute interactions with point defects in austenitic iron from first principles

D. J. Hepburn, E. MacLeod+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2014

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ひとこと要約

第一原理的研究により、イタリアン鉄に不適切に大きな遷移金属固溶体が局所的忻力場により空孔および自己間隙原子を強く捕獲し、欠陥の移動度と網羅的欠陥濃度を低下させることを明らかにした。これは、イタリアン鋼における亀裂の減少および放射線誘発拡散の実験的観察を説明するものであり、Ti、Zr、Hfなどの不適切に大きな固溶体が効果的な欠陥吸収源およびプロトバブルおよびループの核生成サイトとして機能することを示している。

ABSTRACT

We present a comprehensive set of first principles electronic structure calculations to study transition metal solutes and their interactions with point defects in austenite. Clear trends were observed across the series. Solute-defect interactions were strongly correlated to the solute size factors, consistent with local strain field effects. Strong correlations with results in ferrite show insensitivity to the underlying crystal structure in Fe. Oversized solutes act as strong traps for vacancy and self-interstitial defects and as nucleation sites for the development of proto-voids and small self-interstitial loops. The reduction in defect mobility and net defect concentrations explains the observed radiation-damage resistance in austenitic steels doped with oversized solutes. Oversized solutes remaining dissolved in oxide dispersion-strengthened (ODS) steels could contribute to their radiation-damage resistance. Ni and Co diffuse more slowly than Fe, along with any vacancy flux produced under irradiation below a critical temperature, which is 400 K for Co and their concentrations should be enhanced at defect sinks. Cr and Cu diffuse more quickly than Fe, against a vacancy flux and will be depleted at defect sinks. Oversized solutes early in the transition metal series form highly-stable solute-centred divacancy (SCD) defects with a nearest-neighbour vacancy. The vacancy-mediated diffusion of these solutes is dominated by the dissociation and reassociation of the SCDs, with a lower activation energy than for self-diffusion, which has important implications for the nucleation and growth of complex oxide nanoparticles containing these solutes in ODS steels. Interstitial-mediated solute diffusion is energetically disfavoured for all except Cr, Mn, Co and Ni. The central role that solute size plays in the results presented here means they should apply to other solvent metals and alloys.

研究の動機と目的

• 不適切に大きな遷移金属固溶体を含むイタリアン鋼における亀裂の低減および放射線誘発拡散の原子スケールのメカニズムを理解すること。
• 溶質のサイズおよび電子的構造が、面心立方（イタリアン）鉄における溶質-欠陥相互作用に与える影響を調査すること。
• 酸化物分散強化（ODS）鋼における不適切に大きな溶質の役割を評価すること、特に溶解した溶質が放射線損傷耐性に寄与するかどうかを検討すること。
• 遷移金属溶質の空孔移動および間隙移動経路における拡散経路を分析すること。
• 溶質特性（サイズ、電子的構造）と欠陥結合エネルギーとの間の機能的関係を確立すること。

提案手法

• 面心立方（fcc）鉄における置換型遷移金属溶質の全ポテンシャル線形化加重平面波（FP-LAPW）電子構造計算を密度汎関数理論（DFT）に基づいて実施した。
• さまざまな配置および距離における溶質と空孔および自己間隙欠陥（SIs）の結合エネルギーを計算した。
• 溶質の近くにおける空孔ジャンプの移動エネルギーおよび、空孔を介した拡散経路および間隙を介した拡散経路における溶質拡散の移動エネルギーを計算した。
• 物理的に不適切な配置を回避するために制約を課した、解離型空孔ジャンプ経路（ω3、ω4）を用いて、溶質が存在する状態での欠陥移動をモデル化した。
• 特に初期遷移金属に対して、溶質中心の二重空孔（SCD）の形成および安定性を分析した。
• 体心立方（bcc）鉄との比較を通じて、欠陥-溶質相互作用の結晶構造への感受性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 溶質のサイズおよび電子的構造は、イタリアン鉄における遷移金属溶質と点欠陥との間の結合エネルギーにどのように影響を与えるか？
• RQ2 局所的応力場が溶質-欠陥相互作用を媒介する役割を果たすメカニズムは何か？また、溶質サイズ要因とその相関関係は？
• RQ3 空孔を介した溶質拡散は、Ni/Co（Fe より遅い）と Cr/Cu（Fe より速い）の間でどのように異なるか？特に放射線条件下での挙動について。
• RQ4 溶質中心の二重空孔（SCD）欠陥の安定性および形成メカニズムは何か？また、それらが溶質拡散に与える影響は？
• RQ5 溶質-欠陥相互作用が、結晶構造（例：fcc 対 bcc 鉄）に依存しない程度はどの程度か？

主な発見

• 不適切に大きな溶質（例：Ti、Zr、Hf）は、空孔および自己間隙原子の両方と強く結合し、場合によっては1 eVを超える結合エネルギーを示す。これは、効果的な捕獲を示している。
• NiおよびCoの空孔を介した拡散は、Feの自己拡散よりも遅く、400±50 Kの臨界温度未満では、欠陥吸収源での溶質フラックスが増加する。
• CrおよびCuは、空孔フラックスに対してFeよりも速く拡散し、欠陥吸収源で枯渇する。これは実験的RIS傾向と一致する。
• 初期遷移金属溶質（例：Ti、V、Cr）は、最近接の空孔と結合した高安定な溶質中心の二重空孔（SCD）欠陥を形成し、拡散の活性化エネルギーを低下させる。
• すべての溶質において、間隙を介した拡散はエネルギー的に不利であるが、Cr、Mn、Co、Ni などの磁性を持つ溶質を除き、弱い間隙経路が観察される。
• fcc鉄における結合エネルギーおよび欠陥相互作用は、bcc鉄と強く類似しており、結晶構造への感受性が低く、鉄の多形に一般化可能であることが示唆される。