Quantitative evaluation for hydrogen-induced reduction of cohesive energy through micromechanics analysis

• Project/Area Number: 19H02459
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
• Research Institution: National Institute for Materials Science (2020-2022); Kyoto University (2019)
• Principal Investigator: Shibata Akinobu 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, グループリーダー (60451994)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2019: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
• Keywords: 水素脆性 / マルテンサイト鋼 / 破壊靭性 / マイクロメカニックス / マイクロメカニックス解析

Outline of Research at the Start

「水素脆性」とは材料中に水素が侵入することによって，材料が著しく脆化する現象である．これまでの国内外の精力的な研究により，水素脆性破壊の基本要因は明らかになりつつあるが，「破壊メカニズムに基づいた材料全体の破壊特性予測」という重要学術課題に関する水素脆性研究はほとんどなされてきていない．
本研究は，高強度マルテンサイト鋼の水素脆性粒界破壊を対象とし，各破壊素過程に対応する巨視的スケール破壊特性の評価，き裂発生・伝播挙動のミクロ組織解析を行うとともに，破壊メカニズムに基づいたマイクロメカニックス解析を行い，水素 / 結晶粒界凝集エネルギー / 巨視的スケール破壊特性の相関を定量的に明らかにする．

Outline of Final Research Achievements

This study investigated hydrogen-related fracture of steels to quantitatively clarify the relationship between hydrogen and fracture properties on atomic and microscopic scales. We found that crack growth resistance decreases with increasing hydrogen concentration, but still exists even at very high hydrogen concentrations of 4 wt. ppm. This kind of stable crack propagation is attributed to the microscopic discontinuous crack propagation. The FE simulation results proved that the crack propagation morphology has a significant influence on the macroscopic mechanical response.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では，水素誘起粒界凝集エネルギー低下の定量評価を行った．破壊特性精密評価，ミクロ組織解析，マイクロメカニックス解析を併せた新規な複合的手法によって水素脆性破壊の定量評価を実施した点に本研究の大きな学術的意義がある．水素脆性は高強度鉄鋼材料を広く社会実装していく上で大きな問題となっている．本研究で得られた知見は耐水素脆性に優れた材料設計に繋がるものであるため，安全・安心な社会を構成するための社会基盤の構築に貢献しうるものである．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Mines Paris-PSL(フランス)
• [Int'l Joint Research] MINES ParisTech(フランス)
• [Int'l Joint Research] Mines ParisTech(フランス)
• [Int'l Joint Research] Mines ParisTech(フランス)
• [Journal Article] Substructure and crystallography of lath martensite in as-quenched interstitial-free steel and low-carbon steel (2023)
  • Author(s): Shibata Akinobu、Miyamoto Goro、Morito Shigekazu、Nakamura Akiko、Moronaga Taku、Kitano Houichi、Gutierrez-Urrutia Ivan、Hara Toru、Tsuzaki Kaneaki
  • Journal Title: Acta Materialia Volume: 246 Pages: 118675-118675
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2023.118675
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Improvement of resistance against hydrogen embrittlement by controlling carbon segregation at prior austenite grain boundary in 3Mn-0.2C martensitic steels (2023)
  • Author(s): Okada Kazuho、Shibata Akinobu、Sasaki Taisuke、Matsumiya Hisashi、Hono Kazuhiro、Tsuji Nobuhiro
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 224 Pages: 115043-115043
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2022.115043
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydrogen-related Fatigue Fracture under Various Test Frequencies in Low-carbon Martensitic Steel (2022)
  • Author(s): Matsumiya Hisashi、Shibata Akinobu、Maegawa Yoshiaki、Okada Kazuho、Tsuji Nobuhiro
  • Journal Title: ISIJ International Volume: 62 Issue: 10 Pages: 2089-2094
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2022-210
  • ISSN: 0915-1559, 1347-5460
  • Year and Date: 2022-10-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Origin of Serrated Markings on the Hydrogen Related Quasi-cleavage Fracture in Low-carbon Steel with Ferrite Microstructure (2022)
  • Author(s): Okada Kazuho、Shibata Akinobu、Matsumiya Hisashi、Tsuji Nobuhiro
  • Journal Title: ISIJ International Volume: 62 Issue: 10 Pages: 2081-2088
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2022-212
  • ISSN: 0915-1559, 1347-5460
  • Year and Date: 2022-10-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multi-scale three-dimensional analysis on local arrestability of intergranular crack in high-strength martensitic steel (2022)
  • Author(s): Shibata Akinobu、Gutierrez-Urrutia Ivan、Nakamura Akiko、Miyamoto Goro、Madi Yazid、Besson Jacques、Hara Toru、Tsuzaki Kaneaki
  • Journal Title: Acta Materialia Volume: 234 Pages: 118053-118053
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118053
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hydrogen embrittlement behaviors at different deformation temperatures in as-quenched low-carbon martensitic steel (2022)
  • Author(s): Momotani Yuji、Shibata Akinobu、Tsuji Nobuhiro
  • Journal Title: International Journal of Hydrogen Energy Volume: 47 Issue: 5 Pages: 3131-3140
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.10.169
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Relationship between mechanical response and microscopic crack propagation behavior of hydrogen-related intergranular fracture in as-quenched martensitic steel (2022)
  • Author(s): Shibata Akinobu、Gutierrez-Urrutia Ivan、Okada Kazuho、Miyamoto Goro、Madi Yazid、Besson Jacques、Tsuzaki Kaneaki
  • Journal Title: Materials Science and Engineering: A Volume: 831 Pages: 142288-142288
  • DOI: 10.1016/j.msea.2021.142288
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of hydrogen on evolution of deformation microstructure in low-carbon steel with ferrite microstructure (2022)
  • Author(s): Okada Kazuho、Shibata Akinobu、Gong Wu、Tsuji Nobuhiro
  • Journal Title: Acta Materialia Volume: 225 Pages: 117549-117549
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117549
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hydrogen-Related Fracture Behavior under Constant Loading Tensile Test in As-Quenched Low-Carbon Martensitic Steel (2022)
  • Author(s): Shibata Akinobu、Takeda Yasunari、Kimura Yuuji、Tsuji Nobuhiro
  • Journal Title: Metals Volume: 12 Issue: 3 Pages: 440-440
  • DOI: 10.3390/met12030440
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Characteristics of hydrogen-related fatigue fracture in 2Mn-0.1C martensitic steel (2021)
  • Author(s): Matsumiya Hisashi、Shibata Akinobu、Okada Kazuho、Tsuji Nobuhiro
  • Journal Title: International Journal of Hydrogen Energy Volume: 46 Issue: 75 Pages: 37509-37517
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.09.011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystallographic analysis of fatigue fracture initiation in 8Ni-0.1C martensitic steel (2021)
  • Author(s): Okada Kazuho、Shibata Akinobu、Takeda Yasunari、Tsuji Nobuhiro
  • Journal Title: International Journal of Fatigue Volume: 143 Pages: 105921-105921
  • DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105921
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Crystallographic orientation dependence of deformation-induced martensitic transformation of 1.3 GPa-class 0.6 %C bainitic steel with retained austenite (2021)
  • Author(s): Ueji Rintaro、Shibata Akinobu、Ushioda Kohsaku、Kimura Yuuji、Ohmura Takahito、Inoue Tadanobu
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 194 Pages: 113666-113666
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.113666
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of local stress, strain, and hydrogen content on hydrogen-related fracture behavior in low-carbon martensitic steel (2021)
  • Author(s): Shibata Akinobu、Yonemura Takashi、Momotani Yuji、Park Myeong-heom、Takagi Shusaku、Madi Yazid、Besson Jacques、Tsuji Nobuhiro
  • Journal Title: Acta Materialia Volume: 210 Pages: 116828-116828
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2021.116828
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Challenging Ultra Grain Refinement of Ferrite in Low-C Steel Only by Heat Treatment (2020)
  • Author(s): Park Myeong-heom、Shibata Akinobu、Tsuji Nobuhiro
  • Journal Title: Frontiers in Materials Volume: 7 Pages: 604792-604792
  • DOI: 10.3389/fmats.2020.604792
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of initial dislocation density on hydrogen accumulation behavior in martensitic steel (2020)
  • Author(s): Momotani Yuji、Shibata Akinobu、Yonemura Takashi、Bai Yu、Tsuji Nobuhiro
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 178 Pages: 318-323
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2019.11.051
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanical and microstructural analysis on hydrogen-related fracture in a martensitic steel (2019)
  • Author(s): Shibata Akinobu、Madi Yazid、Okada Kazuho、Tsuji Nobuhiro、Besson Jacques
  • Journal Title: International Journal of Hydrogen Energy Volume: 44 Issue: 54 Pages: 29034-29046
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.09.097
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] マルテンサイト鋼の水素脆性クラック伝播に伴う変形下部組織発達 (2023)
  • Author(s): 柴田曉伸，Ivan Gutierrrez-Urrutia, 中村晶子，諸永 拓，岡田和歩，原 徹
  • Organizer: 日本鉄鋼協会春季講演大会
• [Presentation] 1.5 GPa 級マルテンサイト鋼における引張変形中の旧オーステナイト粒界への局所応力・ひずみ集中 (2023)
  • Author(s): 岡田和歩，柴田曉伸，朴明験，辻伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会春季講演大会
• [Presentation] 低炭素マルテンサイト鋼の水素誘起疲労破面形態と微視組織の関係 (2023)
  • Author(s): 松宮 久，柴田曉伸，辻 伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会春季講演大会
• [Presentation] Hydrogen-related crack propagation behavior in martensitic steel (2022)
  • Author(s): Akinobu Shibata, Ivan Gutierrez-Urrutia, Akiko Nakamura, Goro Miyamoto, Yazid Madi, Jacques Besson, Toru Hara, Kaneaki Tsuzaki
  • Organizer: The 7th International Conference on Advanced Steels (ICAS 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] IF鋼および低炭素鋼におけるラスマルテンサイトの内部微視組織および結晶学的特徴 (2022)
  • Author(s): 柴田 曉伸, 宮本 吾郎, 森戸 茂一, 中村 晶子, 諸永 拓, 北野 萌一, グティエレス ウルティア イヴァン, 原 徹, 津﨑 兼彰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会秋季講演大会
• [Presentation] Quantitative analysis of local plasticity accompanying hydrogen-related fracture in martensitic steel (2022)
  • Author(s): Xiaodong Lan, Kazuho Okada, Ivan Gutierrez-Urrutia, Akinobu Shibata
  • Organizer: 日本鉄鋼協会秋季講演大会
• [Presentation] 水素脆性擬へき開破壊のミクロメカニズム (2022)
  • Author(s): 岡田 和歩, 柴田 曉伸, 辻 伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会秋季講演大会
• [Presentation] 低炭素マルテンサイト鋼の疲労試験および定荷重負荷試験における水素脆性破壊挙動 (2022)
  • Author(s): 松宮 久, 柴田 曉伸, 辻 伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会秋季講演大会
• [Presentation] 旧オーステナイト粒界への炭素偏析がマルテンサイト鋼の水素脆性破壊特性に及ぼす影響 (2022)
  • Author(s): 岡田和歩，柴田曉伸，佐々木泰祐，宝野和博，辻伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会秋季講演大会
• [Presentation] Microstructural and Crystallographic Studies on Hydrogen-related Fracture in Martensitic Steels (2022)
  • Author(s): Akinobu Shibata, Kazuho Okada, Yuji Momotani, Yu Bai, Nobuhiro Tsuji
  • Organizer: International Conference on Martensitic Transformation (ICOMAT) 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 低炭素マルテンサイト鋼における水素誘起疲労破壊と微視組織の関係 (2022)
  • Author(s): 松宮 久，岡田和歩，前河佳晃，柴田曉伸，辻 伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会春季講演大会
• [Presentation] マルテンサイト鋼における水素脆性粒界クラックの3次元形態 (2022)
  • Author(s): 柴田曉伸，Ivan Gutierrrez-Urrutia, 中村晶子，宮本吾郎，原 徹，津﨑兼彰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会春季講演大会
• [Presentation] BCC鋼の水素脆性擬へき開破壊におけるserrated markingsの起源 (2021)
  • Author(s): 岡田和歩，柴田曉伸，辻伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会秋季講演大会
• [Presentation] マルテンサイト鋼およびフェライト鋼における水素脆性擬へき開破壊の微視的特徴 (2021)
  • Author(s): 岡田和歩，柴田曉伸，辻伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会秋季講演大会
• [Presentation] マルテンサイト鋼における粒界クラックのマルチスケール3次元解析 (2021)
  • Author(s): 柴田曉伸, グティエレス ウルティア イヴァン, 中村晶子, 宮本吾郎, Yazied Madi, Jacques Besson, 原 徹, 津﨑兼彰
  • Organizer: 日本金属学会秋期講演大会
• [Presentation] マルテンサイト鋼の水素脆性クラック伝播挙動 (2021)
  • Author(s): 柴田曉伸, グティエレス ウルティア イヴァン, 岡田和歩, 宮本吾郎, Yazied Madi, Jacques Besson, 津﨑兼彰
  • Organizer: ISSS 2021ポストシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] マルテンサイト鋼の水素脆性粒界クラック (2021)
  • Author(s): 柴田曉伸, Ivan GUTIERREZ URRUTIA, 岡田和歩，宮本吾郎，Yazid MADI，Jacques BESSON，津﨑兼彰
  • Organizer: 日本金属学会春期講演大会
  • Invited
• [Presentation] マルテンサイト鋼の低温脆性破壊および水素脆性破壊 (2021)
  • Author(s): 柴田曉伸
  • Organizer: 日本鉄鋼協会春季講演大会
  • Invited
• [Presentation] 旧オーステナイト粒界への炭素偏析による3Mn-0.2Cマルテンサイト鋼の水素脆化特性向上 (2021)
  • Author(s): 岡田和歩，柴田曉伸，辻伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会春季講演大会
• [Presentation] マルテンサイト鋼における水素誘起疲労クラック伝播挙動 (2021)
  • Author(s): 松宮久，前河佳晃，岡田和歩，柴田曉伸，辻伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会春季講演大会
• [Presentation] マルテンサイト鋼とフェライト・パーライト鋼の疲労破壊挙動に及ぼす水素の影響 (2020)
  • Author(s): 松宮 久, 辻 伸泰, 柴田 曉伸, 岡田 和歩
  • Organizer: 日本鉄鋼協会秋季講演大会
• [Presentation] フェライト鋼の水素脆性擬へき開破壊におけるserrated markingsの起源 (2020)
  • Author(s): 岡田 和歩, 柴田 曉伸, 辻 伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会秋季講演大会
• [Presentation] 高強度マルテンサイト鋼の水素脆性粒界クラック (2020)
  • Author(s): 柴田 曉伸, グティエレス ウルティア イヴァン, 岡田 和歩, 宮本 吾郎, Yazied Madi, Jacques Besson, 辻 伸泰
  • Organizer: MRMフォーラム
  • Invited
• [Presentation] 2Mn-0.1Cフェライト 鋼の水素脆性破壊にともなった変形微視組織 (2020)
  • Author(s): 岡田和歩，柴田曉伸，ゴン ウ―，辻伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会春季講演大会
• [Presentation] フェライト鋼およびマルテンサイト鋼の疲労変形下の水素脆性 (2020)
  • Author(s): 松宮 久，岡田和歩，柴田曉伸，辻伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会春季講演大会
• [Presentation] Hydrogen-related Plastic Deformation and Fracture Behaviors in 2Mn-0.1C Steel with Ferrite Microstructure (2019)
  • Author(s): K. Okada, A. Shibata, W. Gong, N. Tsuji
  • Organizer: Technical Meetings and Exhibition, Materials Science and Technology 2019 (MS&T19)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マルテンサイト鋼およびフェライト鋼における水素脆性破壊の組織学的・結晶学的解析 (2019)
  • Author(s): 柴田曉伸，岡田 和歩，Bai Yu，辻 伸泰
  • Organizer: 日本鉄鋼協会秋季講演大会
• [Presentation] 水素脆性における破壊素過程とマクロ破壊特性の相関 (2019)
  • Author(s): 柴田曉伸，岡田和歩，Yazid Madi，Jacques Besson，辻伸泰
  • Organizer: 日本金属学会秋期講演大会
  • Invited
• [Presentation] マルテンサイト鋼の水素脆性破壊と微視組織の関係 (2019)
  • Author(s): 柴田曉伸，岡田和歩，桃谷裕二，Bai Yu，辻伸泰
  • Organizer: 日本金属学会秋期講演大会
  • Invited