電子状態の計算シミュレーションで産業利用価値の高い合金を設計する

割れにくいマグネシウム合金開発への貢献に期待

2018/05/11 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

発表のポイント】

  • 強度と延性などの金属の基本特性を決める合金元素近傍の電子状態に基づくシミュレーションにより材料の「割れにくさ」を評価し、機能向上をもたらす合金元素を探索する計算手法を開発した。
  • 軽量だが割れやすい特徴を持つマグネシウムに着目し、本手法を用いてジルコニウムなどの合金元素が割れにくさを向上できることをシミュレーションするとともに、実験結果とも良い相関性を有することを明らかにした。
  • 電子状態から特性を予測することにより、合金開発にかかる時間やコストを大きく削減できるとともに、希少元素を用いない低コストな合金開発への応用が期待される。

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(理事長:児玉敏雄、以下「原子力機構」という。)原子力基礎工学研究センターの都留智仁研究副主幹らは、原子力機構の大型計算機「ICE X」(アイス エックス)を用いて、電子状態計算1)に基づく計算シミュレーションによって構造材料の「割れにくさ」を向上させる合金元素2)を探索する手法を開発しました。

構造材料の機能で重視されるのは、強度と延性(のび)と割れにくさです。近年、マグネシウムは、延性が低く割れやすいものの、軽いという特徴から、アルミニウム合金に代わる材料として注目されています。今般、マグネシウムに着目し、本手法を用いて「割れにくさ」を向上させる合金元素を探索しました。

この結果、これまでの研究〔参考文献〕で延性を向上させることが判っていたジルコニウムなどの合金元素が、実験結果と良い相関性を示し、本手法で割れにくさを向上させていることを明らかにしました。

計算シミュレーションを用いた合金設計3)は、合金開発にかかる時間やコストを大きく削減できるとともに、希少元素4)を用いない産業利用価値の高い合金開発への応用が可能であることから、資源の少ない我が国の製造業の発展に貢献することが期待されます。

本研究成果は、英国の学術誌「Acta Materialia」に掲載されました。本研究はJSPS科研費 16K06714、文部科学省 元素戦略プロジェクト<研究拠点形成型>(京都大学 ESISM)の研究成果を含みます。

【研究開発の背景】

構造材料の機能でまず重視されるのは、強度と延性と割れにくさです。マグネシウム合金は、延性が低く割れやすいものの、軽いという特徴から、現在広く用いられているアルミニウム合金に代わる材料として注目されており、パソコンのボディーや自動車などの輸送機器の構造部材などに用いられています。そのため、より延性や割れにくさを高めるマグネシウム合金の開発が求められています。

このような中、合金設計が注目を集めており、すでにマグネシウムにイットリウムなどの一部の元素を添加すると、延性や加工性が大きく向上することは、実験によって明らかになっています。しかし、イットリウムは希少元素であるため実用化は難しく、より安価な合金開発が期待されていました。

【研究開発の目的】

合金設計において、強度が向上するメカニズムは、古くからよく用いられてきましたが、割れにくさに関する合金設計のための実験指針はありませんでした。しかし、マグネシウム合金では、粒界や双晶境界5)という結晶の界面(境目)から割れが発生することがわかっており、この界面の特性にもたらす合金元素の影響が割れの特性を決めていると考えられることから、計算シミュレーションによる合金設計の開発に着手しました。

このような合金元素の影響を明らかにするには、原子レベルのモデルと電子の結合までを考慮した複雑な計算が求められます。また、多様な界面の構造モデルの作成と、このような構造に対して様々な合金元素の影響を調べるには、莫大な計算時間が必要になることから、過去にはあまり行われてきませんでした。このような中、本研究では、最大2.4ペタフロップス6)の原子力機構の大型計算機ICE Xを最大限に活用して、マグネシウムと合金元素の間の電子的な相互作用に基づいて割れにくさを評価する方法を開発しました。

【研究成果の概要】

  1. 合金元素による割れへの影響を表す評価法の開発
    • 図1は、マグネシウム合金でよく観察されている界面構造の原子モデルです。今回は界面の違いによる影響を包括的に調べるために、三種類の異なる界面を作成しました。この界面の原子の場所に合金元素が存在するときの影響を電子構造に基づく計算によって評価します。さらに、割れが生じるときには界面が離れて表面を作るため、離れた状態も同時に評価します。
    • ここで、破壊力学理論7)に表面を作るときの方がエネルギー的に安定なものが割れやすいという指標があります。この指標を応用して、合金元素がある場合に表面の作りやすさがどのように変化するかを調べることにより、計算シミュレーションによって割れへの影響を評価する指標を構築しました。
  2. 評価法を用いた割れにくさを向上させる元素の探索
    • 図2は、1で構築した指標を用いて、マグネシウムにおける今回対象とした合金元素の影響を占有率別に計算した結果です。この評価法では、負の値を示す合金元素は割れやすく、正の値を示す合金元素は割れにくくする影響を持つことを示しています。
    • 結果では、リチウム(Li)、カルシウム(Ca)、スズ(Sn)、鉛(Pb)が負の値を示しました。このことから、これらは割れを促進する合金元素であることが予測されます。他方、これら以外の元素は正の値を示しました。特に、ジルコニウム(Zr)は割れにくくする影響が強いことが予測されます。
    • 図3は、割れにくさについて、本研究で構築した指標によって得られた結果と実験によって得られた結果を比較したものです。本研究と実験の結果には良好な相関が見られました。また、本研究によって予測したジルコニウムが、実験でも割れにくさを大きく向上させていることが確認できました。

図1 界面の原子モデル

図2 評価法に基づく合金元素の割れへの影響

図3 計算による指標と実験の割れにくさとの関係

【今後の展開】

現在、産学官において元素戦略研究が盛んに行われています。本成果では、計算シミュレーションを用いて、イットリウムなどの希少元素を用いない合金設計の方法を示し、マグネシウム合金においてこの有効性を確認しました。計算シミュレーションを有効に活用することは、合金設計にかかるコストと時間を大きく削減できる可能性があり、資源の少ない我が国の製造業の発展に貢献することが期待されます。

【書籍情報】

雑誌名:Acta Materialia

論文題名:“Interfacial segregation and fracture in Mg-based binary alloys: Experimental and first-principles perspective”

著者名:Tomohito Tsuru1,2、 Hidetoshi Somekawa2,3、 Daryl C. Chrzan4

所属:1日本原子力研究開発機構、2京都大学 構造材料元素戦略研究拠点、3物質・材料研究機構、4カリフォルニア大学バークレー校

【参考文献】

雑誌名:Scientific Reports(平成27年3月掲載)

論文題名:Effect of Solute Atoms on Dislocation Motion: An Electronic Structure Perspective
延性の低いマグネシウムに対して、計算科学によって延性を向上させる合金元素を予測する枠組みを提案し、このメカニズムを明らかにしました。イットリウムやジルコニウムなどの合金元素を加えることで、電子間の相互作用によって材料内部の構造が変化し、この結果、延性が改善することがわかりました。

【用語解説】

1)電子状態計算

ここでは、合金中の原子の位置と元素の種類の情報のみから、そこにある電子の状態とエネルギーを評価する経験的な仮定をできるだけ行わない計算方法をいいます。この電子の状態によって界面の結合の状態が変わるため、この変化を調べることで対象とする合金元素による割れやすさの指標を求めることができます。

2)合金元素

元になる金属元素の他に元素を添加することによって、材料の機能を変えることができ、その成分として添加される元素のことを「合金元素」といいます。

3)合金設計

材料の使用目的に対して必要な機能を持つように、特に合金元素の種類や組成をコントロールして材料を設計することを「合金設計」といいます。

4)希少元素

貴金属や希土類元素のような地球上の存在量が少ない、または取り出すことが困難な元素のことを示しています。

5)粒界や双晶境界

金属材料は原子が規則的に並んだ「結晶」という構造を持っていますが、実際の金属材料では、材料全体で全て同じ原子配列を持っているわけではなく、配列の向きが異なる塊(結晶粒)が多数集まっています。それらの境界を「粒界」といいます。また、粒界の中でも原子の並びが特定の方向でそろっているものを「双晶」といいます。

6)ペタフロップス

フロップスはコンピュータの処理能力を示す単位で、1秒間に浮動小数点(小数の表現方法)演算を何回できるかを示しています。ペタは10の15乗ですので、1ペタフロップスでは1秒間に1015回(1000兆回)の浮動小数点演算が可能な能力となります。

7)破壊力学理論

ここでは、力を加えること(変形)によって材料中に蓄えられるエネルギーよりも、表面を作るエネルギーの方が小さいときに割れが進むというエネルギーの釣り合いによって割れやすさを考えます(「グリフィス理論に基づく破壊の理論」といいます)。