Elucidation of abnormal phenomena of elongation increase induced by He in metal

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K06423
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 徐 ぎゅう 京都大学, 原子炉実験所, 准教授 (90273531)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 張 倹 京都大学, 原子炉実験所, 技術職員 (30379010)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 鉄 / 水素 / ヘリウム / 脆化 / 力学特性

Outline of Annual Research Achievements

鉄鋼材料の水素脆化の現象が140年前に発見されたが、脆化のメカニズムはまだ明らかになっていない。鉄鋼材料の水素脆化を防ぐために、様々な方法が開発された。今年度に鉄中に水素による引張特性の劣化に及ぼすヘリウムの影響を調べた。
転位を導入した鉄に、原子の弾き出しが起きない低エネルギーのヘリウムと水素を注入した。引張試験機により鉄試料の延性を調べ、水素を注入した試料の延性は悪くなったのに対して、ヘリウムを注入すると、鉄の延性が良くなった。引張試験後の試料の微細組織を調べた結果、ヘリウムを注入することによって、引張変形中に形成する微細な亀裂の成長が抑制されることが分かった。この結果は、ヘリウム原子が亀裂の成長に必要な原子空孔の拡散を遅らせたことを示唆している。結果として、試料の延性が良くなった。また、鉄に原子の弾き出しが起こる高エネルギーヘリウムを鉄に照射したところ、鉄の表面に水素をトラップする原子空孔が形成し、水素拡散が抑制され、水素脆化が改善する。これからの低炭素社会においては、水素がクリーンエネルギーとしてますます注目されている。従って、水素をいかに安全かつ安く貯蔵または輸送することは非常に重要なことである。本研究で得られた知見を用いて水素を安全に使える材料の開発に貢献する。この成果を国際雑誌(Scientific Reports 7 (2017) 16927)に発表した。
その他、鉄と同じ構造を持つ鉄合金とタングステン合金における高エネルギー粒子照射による損傷組織の発達過程、または欠陥と水素やヘリウムとの相互作用も調べた。鉄に比べ、タングステンの方が原子空孔と水素やヘリウムの結合は強いが、添加元素を入れると、水素やヘリウムの蓄積が抑制される。これらの結果から鉄のみならず、他の材料においても微量な添加元素を入れると、水素による材料の力学特性の劣化を低減することを示唆している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 合肥工業大学/中国科学院高エネルギー物理研究所/復旦大学(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 合肥工業大学/中国科学院高エネルギー物理研究所/復旦大学
• [Journal Article] Repair Behavior of He-Irradiated W-Y2O3 Composites after Different Temperature-Isochronal Annealing Experiments (2018)
  • Author(s): G. Yao, X.Y. Tan, L.M. Luo, X. Zan, J.Q. Liu, Q. Xu, X.Y. Zhu, Y.C. Wu
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B Volume: 415 Pages: 82-88
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.11.013
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deuterium Trapping at Vacancy Clusters in Electron/Neutron-Irradiated Tungsten Studied by Positron Annihilation Spectroscopy (2018)
  • Author(s): T. Toyama, K. Ami, K. Inoue, Y. Nagai, K. Sato, Q. Xu, Y. Hatano
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 499 Pages: 464-470
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.11.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microstructure and Damage Behavior of W-Cr Alloy under He Irradiation (2018)
  • Author(s): K. Huang, L.M. Luo, X. Zan, Q. Xu, D.G. Liu, X.Y. Zhu, J.G. Cheng, Y.C. Wu
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 501 Pages: 181-188
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.01.019
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microstructure and Helium Irradiation Performance of W-ZrC/Sc2O3 Composites Prepared Spark Plasma Sintering (2018)
  • Author(s): H.Y. Chen, L.M. Luo, X. Zan, Q. Xu, X.Y. Zhu, J.Q. Liu, J.G. Cheng, Y.C. Wu
  • Journal Title: International Journal of Refractory Metals & Hard Materials Volume: 72 Pages: 373-379
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.01.011
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Influence of Nb Content on the Microstructure and Deuterium Retention of W-Nb Alloys (2018)
  • Author(s): L.M. Luo, J.B. Chen, J.S. Lin, X. Zan, X.Y. Zhu, Q. Xu, Y.C. Wu
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 129 Pages: 120-129
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2018.02.085
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Charaterization of Helium-Vacancy Complexes in He-Ions Implanted Fe9Cr by using Positron Annihilation Spectroscopy (2018)
  • Author(s): T. Zhu, S.X. Jin, P. Zhang, L.G. Song, X.Y. Lian, P. Fan, Q.L. Zhang, D.Q. Yuan, H.B. Wu, R.S. Yu, X.Z. Cao, Q. Xu, B.Y. Wang
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 505 Pages: 69-72
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.03.048
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Novel Methods for Prevention of Hydrogen Embrittlement in Iron (2017)
  • Author(s): Q. Xu, J. Zhang
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 16927
  • DOI: http://doi.org/10.1038/s41598-017-17263-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] D2 Retention and Microstructural Evolution during He Irradiation in Candidate Plasma Facing Material W-La2O3 Alloy (2017)
  • Author(s): Q. Xu, X.Y. Ding, L.M. Luo, M. Miyamoto, M. Tokitani, J. Zhang, Y.C. Wu
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 496 Pages: 227-233
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.09.033
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microstructural Evolution and Changes in Mechanical Property of Irradiated Fe-0.6Cu Alloy under Uniaxial Tension Stress in Reactor (2017)
  • Author(s): Q. Xu, T. Yokotani, J. Zhang
  • Journal Title: Radiation Effects & Defects in Solids Volume: 172 Pages: 305-312
  • DOI: https://doi.org/10.1080/10420150.2017.1313842
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microstructure and Deuterium Retention after Ion Irradiation of W-Lu2O3 Composites (2017)
  • Author(s): J.S. Lin, L.M. Luo, Q. Xu, X. Zan, X.Y. Zhu, Y.C. Wu
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 490 Pages: 272-278
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.04.042
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Influence of Dislocation and Hydrogen on Thermal Helium Desoption Behavior in Fe9Cr Alloys (2017)
  • Author(s): T. Zhu, S.X. Jin, Y.H. Gong, E.Y. Lu, L.G. Song, Q. Xu, L.P. Guo, X.Z. Cao, B.Y. Wang
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 495 Pages: 244-248
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.08.027
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantitative Evaluation of Hydrogen Atoms Trapped at Single Vacancies in Tungsten using Positron Annihilation lifetime Measurements: Experiments and Theoretical Calculations (2017)
  • Author(s): K .Sato, A. Hirosako, K. Ishibashi, Y. Miura, Q. Xu, M. Onoue, Y. Fukutoku, T. Onitsuka, M. Hatakeyama, S. Sunada, T. Yoshiie
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 496 Pages: 9-17
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.09.002
  • Peer Reviewed
• [Presentation] B2型金属間化合物中の欠陥における水素捕獲 (2018)
  • Author(s): 角倉優雅、鷹野陽弘、岩瀬彰宏、Q. Xu、大澤一人、堀史説
  • Organizer: 金属学会
• [Remarks] 鉄の水素脆化防止の新しい手法を提案
  • URL: http://www.rri.kyoto-u.ac.jp/archives/9903