Hydrogen-assisted fatigue crack growth under gaseous environment interpreted by a thermally activated process

Research Project

Project/Area Number	20K04161
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	Takakuwa Osamu 九州大学, 工学研究院, 准教授 (60633518)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000) Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000) Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	水素脆化 / 疲労き裂進展 / 水素ガス環境 / 熱活性過程
Outline of Research at the Start	国策でもある水素社会の実現のためには“水素の影響がない材料”だけでなく“水素の影響がある材料”（例えば炭素鋼などの安価な鉄鋼材料）の水素脆化の本質を見極めて設計指針を構築し、積極的に使用することが求められる。変幻自在な水素脆化を考える際に重要となるのは、き裂周りの「転位と水素の相互作用」であり、この相互作用がき裂の「力学状態」と「水素環境」に大きく依存すると考えられる。本研究では転位-水素間相互作用を“熱活性過程（時間と温度に依存する現象）”として捉え、鉄鋼材料の水素助長疲労き裂進展の素過程を包括的に明らかにし、破壊モデルを確立して、水素環境における鉄鋼材料の適用指針構築への橋渡しを目指す。
Outline of Final Research Achievements	Hydrogen penetrates metallic materials and causes "hydrogen embrittlement," which deteriorates their properties such as strength, ductility, etc. It has been reported that the crack propagation rate increases significantly in hydrogen environments under cyclic fatigue loading. However, the mechanism is still unknown, and its elucidation is essential for constructing a safe and secure hydrogen-based society. In this study, a fatigue crack growth acceleration model was established to unify the understanding of the cyclic loading frequency dependence and hydrogen temperature dependence of crack growth acceleration, focusing on the interaction between hydrogen atoms and dislocations emitted from the crack tip.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	我が国の国策でもある水素インフラや燃料電池自動車の普及拡大のためには “水素の影響を受けない材料”だけでなく“水素の影響を受ける材料”（例えば炭素鋼などの安価なBCC鉄鋼材料）の水素脆化の本質を見極めて安全・安心な設計指針を構築し、積極的に使用することが求められる。本研究成果はき裂進展の加速現象に着目し、そのミクロメカニズムを解明するものである。詳しくは水素によるマクロな特性変化の一つである疲労き裂進展加速現象の負荷速度依存性と水素ガス温度依存性をき裂先端部における転位と水素の熱的ミクロ相互作用により統一的に理解できることを明らかにした。