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Analyses of Lattice Defect Behavior in Steels with Simple Composition under Hydrogen Environment Using Statistical-thermodynamically Defined Initial State

Research Project

Project/Area Number 16K05976
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Research Field Materials/Mechanics of materials
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

Ryosuke MATSUMOTO  京都大学, 工学研究科, 講師 (80363414)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 武富 紳也  佐賀大学, 理工学部, 准教授 (20608096)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2016: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords水素脆化 / 格子欠陥 / 変形機構 / 材料強度 / 計算力学 / 第一原理計算 / 炭素 / 拡散 / 機械材料・材料力学 / 金属物性 / 計算物理 / 分子動力学
Outline of Final Research Achievements

The initial atomic structures for all analyses were defined based on statistical thermodynamics. We revealed the interaction energy between carbon atoms and hydrogen atoms in lattice, near grain boundaries, and on free surfaces. The hydrogen desorption curves from vacancy clusters with different size, dislocations, and grain boundaries were also calculated. Furthermore, we obtained the binding energy of an atomic vacancy with vacancy clusters, and clarified the necessary vacancy concentration to let grow vacancy clusters by absorbing atomic vacancy and the influence of vacancy-cluster size on dissociation temperature of an atomic vacancy from vacancy clusters.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

水素によって材料強度が劣化する水素脆化の研究は,その重要性から継続的に行われてきたが,単純な材料系に対しても脆化メカニズムに関する統一的な見解は得られてこなかった.本研究では,材料の実際の使用環境に対応付けた条件設定を行い,水素原子の格子欠陥への影響を切り分けて解析した.得られた計算結果と実験的に得られている知見を総合することで,空孔数が数個の空孔クラスター(複空孔)が低合金鋼の脆化に強く関与していることを明らかにした.水素環境での鋼材の安全利用や,新しい材料の開発に繋がる成果である.

Report

(4 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Research-status Report
  • 2016 Research-status Report
  • Research Products

    (41 results)

All 2019 2018 2017 2016 2014 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (34 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 7 results) Book (1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Atomistic Simulations of Hydrogen Effects on Lattice Defects in Alpha Iron2019

    • Author(s)
      Shinya Taketomi, Ryosuke Matsumoto
    • Journal Title

      Handbook of Mechanics of Materials, Edited by Chun-Hway Hsueh, Siegfried Schmauder, Chuin-Shan Chen, Krishan K. Chawla, Nikhilesh Chawla, Weiqiu Chen, Yutaka Kagawa, Published from Springer, 1st ed.

      Volume: -

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 熱力学積分法を用いた活性化自由エネルギーの評価:マグネシウム単結晶における転位生成の温度・応力依存性2017

    • Author(s)
      松本 龍介,浦長瀬 正幸
    • Journal Title

      分子シミュレーション研究会会誌“アンサンブル”

      Volume: 19 Pages: 147-150

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tension–compression asymmetry in uniaxial deformation of a magnesium bicrystal with [-1100] symmetric tilt grain boundary2016

    • Author(s)
      M. Uranagase, R. Matsumoto
    • Journal Title

      Computational Materials Science

      Volume: 118 Pages: 124-132

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2016.03.012

    • Related Report
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    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Digital Image Correlation Measurement of Localized Deformation in Carbon Steel in the Presence of Hydrogen2014

    • Author(s)
      Shinnosuke Aomatsu, Ryosuke Matsumoto
    • Journal Title

      ISIJ International

      Volume: 54 Issue: 10 Pages: 2411-2415

    • DOI

      10.2355/isijinternational.54.2411

    • NAID

      130004713337

    • ISSN
      0915-1559, 1347-5460
    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Atomistic Study of Nonhydrostatic Stress Effects on the Hydrogen Diffusion in Fe2019

    • Author(s)
      Ryosuke Matsumoto, Syuki Nagase, Shinya Taketomi
    • Organizer
      International Conference on Diffusion in Solids and Liquids (DSL-2019)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Void Growth Conditions in Aluminum with Hydrogen2019

    • Author(s)
      Ryosuke Matsumoto, Pengyu Liu
    • Organizer
      ISAM4-2019: The fourth International Symposium on Atomistic and Multiscale Modeling of Mechanics and Multiphysics
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Influence of Hydrogen on Edge Dislocation Motion in Alpha Iron and the Comparison with Nanoindentation Tests2019

    • Author(s)
      Shinya Taketomi, Toshiki Taniguchi, Hiroki Yamamoto, Ryosuke Matsumoto, Seiya Hagihara
    • Organizer
      ISAM4-2019: The fourth International Symposium on Atomistic and Multiscale Modeling of Mechanics and Multiphysics
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Atomistic Analyses of Thermal Evolution of Voids in Aluminum with Hydrogen2019

    • Author(s)
      Ryosuke Matsumoto, Pengyu Liu
    • Organizer
      KSME-JSME Joint Symposium on Computational Mechanics & CAE 2019
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] HCP-LPSO(10H)界面における柱面刃状転位の運動抵抗とその起源2019

    • Author(s)
      松本龍介・中冨陽介
    • Organizer
      日本金属学会春期講演大会(2019)
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  • [Presentation] 大域的反応経路探索法を用いた空孔性欠陥の拡散挙動解析2019

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      松本龍介・白谷暢浩
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      日本材料学会 第4回マルチスケール材料力学シンポジウム
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  • [Presentation] マルテンサイト鋼におけるモバイル水素効果の解明に向けた水素固溶量と拡散係数の評価2019

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      福田一仁・東條明裕・松本龍介
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      日本材料学会 第4回マルチスケール材料力学シンポジウム
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  • [Presentation] bcc鉄における水素拡散挙動の応力依存性評価2019

    • Author(s)
      長瀬周輝・松本龍介
    • Organizer
      日本材料学会 第4回マルチスケール材料力学シンポジウム
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  • [Presentation] 水素がbcc鉄中の空孔の凝集・解離に及ぼす影響の第一原理的評価2019

    • Author(s)
      佐野千畝・松本龍介
    • Organizer
      日本材料学会 第4回マルチスケール材料力学シンポジウム
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  • [Presentation] 薄膜表面に吸着した水素が誘起する転位運動の分子動力学解析2019

    • Author(s)
      松本龍介
    • Organizer
      日本機械学会 2019年度年次大会
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  • [Presentation] S25Cフェライト相へのナノインデンテーション試験に及ぼす水素濃度の影響評価2018

    • Author(s)
      武富紳也
    • Organizer
      産業技術総合研究所-九州大学 水素材料強度ラボラトリHydromate 第3回ラボ講演会
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      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 格子欠陥エネルギーに水素の影響を考慮した原子間ポテンシャルの作成とそれを用いた変形解析2018

    • Author(s)
      松本龍介
    • Organizer
      産業技術総合研究所-九州大学 水素材料強度ラボラトリHydromate 第3回ラボ講演会
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      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Molecular Dynamics Study on the Influence of Nonhydrostatic Stress on the Diffusion Behavior of Hydrogen in bcc-Fe2018

    • Author(s)
      Ryosuke Matsumoto, Syuki Nagase, Shinya Taketomi
    • Organizer
      22nd European Conference on Fracture
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical Simulation of Hydrogen Embrittlement in Iron2018

    • Author(s)
      Shinya Taketomi, Ryosuke Matsumoto
    • Organizer
      22nd European Conference on Fracture
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] bcc鉄における非等方応力下での水素拡散係数の評価とモデル化2018

    • Author(s)
      長瀬周輝・松本龍介
    • Organizer
      日本材料学会第3回マルチスケール材料力学シンポジウム
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] bcc鉄における空孔-水素複合体の凝集・解離条件の第一原理計算に基づく評価2018

    • Author(s)
      佐野千畝・松本龍介
    • Organizer
      日本材料学会第3回マルチスケール材料力学シンポジウム
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  • [Presentation] 純鉄における空孔クラスターの形成・解離と脆化との関係2018

    • Author(s)
      松本龍介・佐野千畝・武富紳也
    • Organizer
      日本鉄鋼協会「水素脆化の基本要因と特性評価」研究会最終報告会
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  • [Presentation] ナノインデンテーション法を用いたS25Cフェライト相の塑性変形挙動へ与える水素濃度の影響評価2018

    • Author(s)
      谷口俊樹・武富紳也・萩原世也
    • Organizer
      日本機械学会M&M2018
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  • [Presentation] 純鉄における空孔クラスターの形成と解離条件2018

    • Author(s)
      松本龍介,佐野千畝,久保田崚也,武富紳也
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      2017年度「水素脆化の基本要因と特性評価」研究会第4回会合
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  • [Presentation] 純鉄における非等方応力下での水素拡散挙動2018

    • Author(s)
      松本龍介,長瀬周輝,武富紳也
    • Organizer
      2017年度「水素脆化の基本要因と特性評価」研究会第4回会合
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  • [Presentation] Atomistic study of hydrogen effects on stability and mobility of vacancy and vacancy-clusters2018

    • Author(s)
      Ryosuke Matsumoto
    • Organizer
      HYDROGENIUS Fatigue and Fracture, I2CNER & HYDROMATE Joint Research Symposium
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 水素濃度が規定されたAl中のブリスター成長機構に関する第一原理的評価2017

    • Author(s)
      Liu Pengyu,松本龍介
    • Organizer
      第2回マルチスケール材料力学シンポジウム
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  • [Presentation] α鉄中の空孔クラスターの水素トラップ量と凝集構造2017

    • Author(s)
      久保田崚也,松本龍介
    • Organizer
      第2回マルチスケール材料力学シンポジウム
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  • [Presentation] 原子シミュレーションによるすべり面破壊の検討2017

    • Author(s)
      武富紳也,松本龍介
    • Organizer
      2017年度「水素脆化の基本要因と特性評価」研究会第2回会合
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  • [Presentation] 原子モデル解析によるLPSO構造の変形と力学特性の研究2017

    • Author(s)
      松本龍介,浦長瀬正幸
    • Organizer
      金属塑性の理解とモデリング ~大橋鉄也先生記念シンポジウム~
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    • Invited
  • [Presentation] Dislocation Motion Induced by Hydrogen Adsorption on Thin Film: A Molecular Dynamics Study2017

    • Author(s)
      Ryosuke Matsumoto, Naoki Kishimoto, Shinya Taketomi
    • Organizer
      14th International Conference on Fracture (ICF14)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Application of Dislocation Dynamics to Hydrogen Embrittlement in Alpha Iron based on Atomistic Calculations2017

    • Author(s)
      Shinya Taketomi, K. Katayama, Ryosuke Matsumoto, Seiya Hagihara,
    • Organizer
      14th International Conference on Fracture (ICF14)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 純鉄における空孔性欠陥からの水素脱離曲線の原子モデル評価と脆化因子欠陥の同定2017

    • Author(s)
      松本龍介,久保田崚也,千葉真
    • Organizer
      日本鉄鋼協会水素(第174回秋季講演大会),「水素脆性の基本要因と特性評価研究会 中間報告会」シンポジウム
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  • [Presentation] 平衡水素濃度を想定したα鉄中の転位速度に関する原子シミュレーション2017

    • Author(s)
      武富紳也・松本龍介・萩原世也
    • Organizer
      日本鉄鋼協会水素(第174回秋季講演大会),「水素脆性の基本要因と特性評価研究会 中間報告会」シンポジウム
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  • [Presentation] 応力勾配下における水素拡散係数の原子シミュレーションと実験的検証2017

    • Author(s)
      武富紳也,古賀仁士,本山武士,萩原世也
    • Organizer
      日本機械学会 第30回計算力学講演会
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  • [Presentation] LPSO構造のキンク変形とその前駆機構に関する原子モデル解析2017

    • Author(s)
      松本龍介
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      第68回高性能Mg合金創成加工研究会講演会「マグネシウムの塑性挙動を対象とする実験力学と計算力学」
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    • Invited
  • [Presentation] Deformation Behavior of Synchronized-LPSO Phase: Molecular Dynamics Analyses of the Chemical Order Effect2016

    • Author(s)
      Ryosuke Matsumoto, Yuichiro Nishioka, Masayuki Uranagase
    • Organizer
      LPSO2016
    • Place of Presentation
      Mielparque KYOTO (Kyoto)
    • Year and Date
      2016-12-05
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 水素環境における鉄中の単空孔/複空孔の安定性と拡散挙動に関する基礎検討2016

    • Author(s)
      松本龍介
    • Organizer
      日本鉄鋼協会(第172回秋季講演大会,「水素脆性の基本要因と特性評価研究会 中間報告会」シンポジウム)
    • Place of Presentation
      大阪大学豊中キャンパス(大阪府・豊中市)
    • Related Report
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  • [Presentation] Atomistic Study of Hydrogen Effects on Various Lattice Defects in Alpha Iron2016

    • Author(s)
      Ryosuke Matsumoto, Shinya Taketomi
    • Organizer
      Russia-Japan Workshop on Advanced Materials MRC International Symposium, MRC2016
    • Place of Presentation
      Mielparque KYOTO (Kyoto)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] LPSO型マグネシウム合金の材料科学 実用段階に入った日本発の新合金(第4章 LPSO型マグネシウム合金はなぜ強いのか?)2018

    • Author(s)
      東田賢二・萩原幸司・藤原雅美・大橋鉄也・志澤一之・松本龍介・中谷彰宏・中島英治
    • Total Pages
      224
    • Publisher
      日経BPコンサルティング
    • ISBN
      9784864431286
    • Related Report
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  • [Remarks] 京都大学工学研究科機械理工学専攻 材料強度物理学研究室ホームページ

    • URL

      http://solid.me.kyoto-u.ac.jp/index.html

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  • [Remarks] 京都大学工学研究科機械理工学専攻 材料強度物理学研究室ホームページ

    • URL

      http://solid.me.kyoto-u.ac.jp

    • Related Report
      2017 Research-status Report

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Published: 2016-04-21   Modified: 2020-03-30  

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