2016 Fiscal Year Research-status Report
水素環境における単純組成鋼中の格子欠陥挙動の統計熱力学的状態規定に基づく解析
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16K05976
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
松本 龍介 京都大学, 工学研究科, 講師 (80363414)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
武富 紳也 佐賀大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20608096)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 金属物性 / 計算物理 / 水素脆化 / 格子欠陥 / 分子動力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
鉄格子中での水素と添加元素との相互作用（〔１〕），および，原子空孔または複空孔と水素との相互作用挙動（〔２〕〔３〕）の解明を中心に研究に取り組んだ．
〔１〕格子中での水素と添加元素との相互作用の評価： 様々な添加元素（C, Mo, P, S, Si, N, O, B, F）について，純鉄中に侵入型または置換型で固溶させた場合の溶解熱と原子配置を評価した．次に，以上の計算結果を基礎知見として，完全結晶中での上記添加元素と水素原子との相互作用エネルギーについて評価を行った．侵入型の固溶元素のまわりには隙間が広がるサイトがあり，そのようなサイトにおいて0.16 eV程度の強さで水素がトラップされることがわかった．
〔２〕純鉄中の空孔に関する解析： 第一原理計算により，原子空孔と，原子空孔が2個結合したdivacancyに対して，拡散の活性化エネルギーの評価を行った．その結果，原子空孔で0.68 eV，divacancyで0.53 eVであることがわかった．また，原子空孔が結合して様々な形状の空孔クラスターになる際の結合エネルギーを明らかにした．
〔３〕空孔の水素トラップ数の解析： 原子空孔および複空孔の水素トラップ数の温度依存性を評価した．さらに，水素トラップ数の温度変化から，これらの欠陥からの水素脱離曲線を求めた．その結果，複空孔（特に立体配置）の場合には，ブロードな水素脱離曲線が得られるのに対して，原子空孔ではトラップエネルギー0.55 eV（ここで用いた原子間ポテンシャルでの原子空孔への1個目と2個目の水素トラップエネルギー）に対応する鋭いピークが現れることがわかった．
また，〔１〕，〔２〕の結果を勘案して，原子間ポテンシャルの調査を行なった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
金属中の水素は材料／力学／環境的因子に依存して極めて複雑な挙動を示すため，水素脆化の研究では初期条件や環境条件を厳密に規定して，水素の影響を精緻に評価するアプローチが不可欠である．
本年度は，第一原理計算を用いて鉄格子中の水素と様々な添加元素との相互作用エネルギーの評価を行った．また，添加元素がない場合の原子空孔または複空孔と水素との相互作用挙動に関する解析も行い，複空孔の拡散の活性化エネルギーや，様々な配置の複空孔からの水素離脱曲線の計算を行った．これらの解析を通して，今後，現実的な水素存在状態を与えることが可能となる．
以上のことは，おおむね計画通りであり，本研究は順調に進展していると判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
第一原理計算を用いた鉄格子中の添加元素と水素との相互作用の評価に関して，置換型元素を導入した場合の水素との相互作用エネルギーをより詳細に評価する．さらに，原子空孔に上記の添加元素と水素を同時にトラップさせた場合の安定性や可動性について評価を行う．
また，昇温脱離分析を用いた研究によって，100℃付近に水素放出ピークを発現する格子欠陥が水素脆性と強い関連があることが実験的に示されつつある．平成28年度の解析結果から，原子空孔が最有力の格子欠陥と考えられるが，粒界や転位などの他の格子欠陥に対しても水素脱離曲線を評価する．
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| Causes of Carryover |
当初予定していた人件費を使うことなく，研究を順調に遂行できたため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成２９年度は国際会議による渡航を予定しており，その旅費にあてる予定である．
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