Multi-modal 3D image-based analysis of hydrogen embrittlement behavior in Al-Zn-Mg alloy via local hydrogen accumulation
| Project/Area Number |
23K13564
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
藤原 比呂 九州大学, 工学研究院, 助教 (00943747)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
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| Keywords | アルミニウム合金 / 水素脆化 / X線イメージング / イメージベース解析 / 結晶塑性有限要素解析 / 水素拡散解析 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、応力下での水素濃化挙動を予測することで、局所的な水素濃化により生じるアルミニウム合金のナノスケールでの破壊挙動とマクロな水素脆化挙動をブリッジングする。その際、X線イメージング技術を用い、ナノ欠陥やミクロ組織、マクロな水素脆化挙動を3D可視化し、3Dイメージベースシミュレーションへと発展させる。そして、高精度な予測と実際のHE挙動を統合し、アルミニウム合金のHE発生に対する真のHE発生基準を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、マルチモーダル3Dイメージベース解析により、実際の水素脆化ないし応力腐食割れ（SCC）領域での応力・歪み・水素濃度を予測することでアルミニウム合金の水素脆化およびSCC発生基準を明らかにすることを目的としている。
X線トモグラフィーおよび回折コントラストトモグラフィー法（DCT）によるミクロ組織と破壊挙動を3D/4Dイメージングした。得られた3D情報をもとに作成した3Dイメージベースモデルを用い、負荷中の亀裂先端での水素濃化挙動を解析したところ、負荷を10分保持した際、亀裂先端で無負荷時に比べ最大1.8倍水素が濃化することが明らかとなった。進展後の亀裂先端の位置における析出物界面の界面凝集エネルギーの減少率は、無負荷の状態に比べてわずか7％であった。すなわち、水素脆化亀裂の進展は、応力分布と水素濃度分布だけでなく、亀裂進展中のこれらの値の連続的な変化にも依存すると考えられる。亀裂進展は水素拡散よりも速く亀裂前方の水素濃度が連続的に低下し、進展途中で水素脆化基準が満たされなくなり亀裂が鈍化する。その後、亀裂前方の水素濃度・応力が析出物の剥離が起こるレベルに再度達すると亀裂が進展する。以上のことから、析出物界面への動的水素分配が亀裂の発生と進展に寄与する可能性があると結論した。
これに加え、外部環境を制御（水中/Ar雰囲気）し、外部水素による水素脆化・SCCへの影響を3D/４D解析したところ、外部環境による亀裂の発生・進展の双方が促されることが示された。試験片中の水素濃度は実用材料に比べて20倍以上高いにも関わらず、Ar環境では亀裂の発生・成長がほとんど見られず、亀裂の発生・進展には特に侵入水素の影響が大きいと考えられる。腐食により①亀裂の早期発生と、②早期発生亀裂の成長がともに助長され脆性的な破壊へつながるものと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
水素拡散解析にミクロスケールの応力分布の評価が可能な結晶塑性有限要素解析（CPFEM）を連成させた解析をイメージベースかつ3次元で行うことで実際の水素脆化挙動と応力・水素濃度分布の関係を直接評価が可能となる。CPFEMの低い精度が水素脆化基準の議論に対するボトルネックとなっていたが、実際の試験片中の3D歪み分布をもとにしたパラメーターの校正による高精度化を達成した。また、これまでに確立したこのマルチモーダル3Dイメージベース解析をさらに発展させ、水素脆化の起点と考えられる析出物界面への水素分配挙動と実際の水素脆化亀裂進展挙動との直接比較を可能にした。加えて、より実問題として現れる応力腐食割れの解明に向け、外部水素や腐食による水素脆化・応力腐食割れの3D/4D解析を先行して進めており、腐食環境による亀裂発生および進展のその場観察に成功している。以上のようにマルチモーダル3Dイメージベース解析を発展させ、析出物界面への動的水素分配と亀裂の発生・進展との関係を明らかにしたことに加え、外部環境による破壊現象の解析を先行して進められていることから、計画以上に進展していると評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に外部環境を制御し水素脆化および応力腐食割れ試験を行った試料について、回折コントラストトモグラフィー法（DCT）により3次元（3D）結晶粒像を再構成する。そして、腐食や亀裂の発生および進展挙動に対する結晶学的因子の影響について3D解析する。また、同試料の結晶組織を再現した3Dイメージベースモデルを作製する。そして、内部水素だけでなく腐食により外部から侵入した水素の双方の応力下での拡散挙動を考慮したマルチモーダル3Dイメージベース解析法を構築し実施する。その際、試験片表面で水素が濃化した状態を初期条件とすることで、水とアルミニウムの反応による外部からの水素侵入を模擬する。これにより、析出物界面の剥離およびそれに伴う水素脆化・応力腐食割れの発生に対する水素濃度・腐食・応力・歪みの影響を統合した条件を提案する。加えて、水素脆化亀裂の発生・進展・遷移挙動それぞれに対する材料・力学的・化学的因子それぞれの影響および相互作用について整理し、水素脆化挙動の解明および対策指針の確立を目指す。
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Report
(1 results)
Research Products
(13 results)
