第一原理計算による転位, 粒界を含む鉄材料中の水素挙動
First principles calculation on hydrogen diffusion behavior in iron with a dislocation and grain boundary
蕪木 英雄 (日本原子力研究開発機構)
Hideo Kaburaki
鉄鋼材料の水素脆化機構をミクロレベルから解明することを目指し, BCC（体心立方格子）鉄（α鉄）中の水素状態, 拡散挙動を第一原理計算により求める. この問題を解決するための本質的な現象として, 結晶格子中水素原子の転位及び粒界における「パイプ拡散」機構の解明を行い, 最適拡散経路の探索, 鉄欠陥中水素の移動エネルギーを決定する.
H22年度では, 前年度のBCC鉄中転位における計算を, FCC結晶中転位についても実施する. BCC鉄中粒界（Σ3対称傾角粒界）における水素原子の最適拡散経路の探索を行う. また, FCC結晶中粒界（例えば, AlまたはCuΣ5粒界）における水素原子の最適拡散経路の探索を行う.
今年度はFCC結晶中の転位, 及びBCC, FCC粒界中での水素原子挙動について実施する予定であった. しかし, FCC結晶は比較的容易に計算可能のため, 今年度は地球シミュレータ利用に相応しい話題として, 鉄中らせん転位の移動に抵抗するポテンシャルの高さ（パイエルスポテンシャル）を高精度に予測する課題に集中した.
前年度まで第一原理計算によるBCC鉄（α鉄）中のらせん転位のパイエルスポテンシャル（固体中の転位の移動に抵抗するポテンシャル）の予測は低い精度（ｋ点数1x1x4）でしか実施できなかった. 今年度は, 以前BCCモリブデン中らせん転位の第一原理計算で実施したk点数1x1x20と同じ高精度で計算する手法を開発することにより, BCC鉄中のらせん転位のパイエルスポテンシャルの決定に成功した. また, この結果を用いて実際にらせん転位が固体中を移動するキンクペア機構の生成エネルギーを予測した. これにより, 鉄中らせん転位の移動について, 経験ポテンシャルを用いた分子動力学で予測されている現象の一部は起こりにくい事等が明らかになった.
※年度当初の研究計画を全て達成した場合を100%として数値で示してください. 複数の目標があった場合は, それぞれについて達成度を数値で示してください.
全体 70%
水素を入れた計算がこれからのため.
※計画的に計算機資源を利用できているか, 状況を記載してください.
4月, 5月は問題の設定及び手法開発計算のため計算時間はやや少なくなっているが, 計算手法を確立した6月以降は順調に計算を実施している.
※ベクトル化, 並列化チューニング等, 計算機資源を有効利用するために行ったこととその効果を記載してください.
第一原理計算において, ｋ点に対して並列化したコードにより, ベクトル演算率, GFLOPS値を向上させた.