2018 Fiscal Year Annual Research Report
Analyses of Lattice Defect Behavior in Steels with Simple Composition under Hydrogen Environment Using Statistical-thermodynamically Defined Initial State
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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, 理工学部, 准教授 (20608096)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 水素脆化 / 格子欠陥 / 変形機構 / 材料強度 / 計算力学 / 第一原理計算 / 炭素 / 拡散 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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，水素脆化の解析的研究では初期条件を材料の実使用環境に対応させて決定する必要がある．本研究では，格子欠陥と水素，格子欠陥と添加元素，および，添加元素と水素との相互作用エネルギーを電子・原子レベルのシミュレーションにより明らかにした上で，全ての解析において統計熱力学に基づいて初期原子配置（添加元素や水素の位置と導入量）を決定するアプローチをとった．
最終年度には，空孔性欠陥（原子空孔の集合体）やそれが水素をトラップした空孔―水素複合体の拡散挙動の解析を重点的に行った．その結果，常温においては，複空孔化や水素のトラップによって，空孔の拡散係数が小さくなることがわかった．また，第一原理計算によって自由表面における炭素と水素の相互作用エネルギーを明らかにした．
研究機関全体を通じて，以下のことを明らかにした．最も重要な添加元素である炭素に関しては，水素は近接位置において斥力を受け，少し離れた位置において僅かな引力を受けることを明らかにした．この傾向は格子間だけではなく，粒界においても同様であることがわかり，炭素濃度と水素トラップ量や粒界強度との関係を明らかにする上での重要な基礎知見を得た．また，空孔性欠陥，転位，粒界まわりの水素の熱平衡水素濃度を評価し，その時間変化から計算によって格子欠陥からの水素脱離曲線を求めた．一方，空孔性欠陥への原子空孔の結合エネルギーの空孔性欠陥のサイズ依存性を評価し，その結果から空孔性欠陥の成長に必要な原子空孔濃度と，空孔性欠陥からの原子空孔の解離温度の空孔サイズ依存性を明らかにした．これらの結果と，実験的に得られている水素昇温脱離曲線と脆化との関係に関する知見を総合することで，空孔数が数個の空孔性欠陥（複空孔）が低合金鋼の脆化に強く関与していることを明らかにした．
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