2008 Fiscal Year Annual Research Report
メカノケミカル酸化動力学に基づく応力腐食割れの物理化学的機序の解明
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17106002
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
庄子 哲雄 Tohoku University, 大学院・工学研究科, 教授 (80091700)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三浦 英生 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90361112)
宮本 明 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (50093076)
小川 和洋 東北大学, 大学院・工学研究科, 准教授 (50312616)
久保 百司 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90241538)
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 表面・界面物性 / 計算物理 / 原子力エネルギー / 長寿命化 |
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| Research Abstract |
き裂先端における動的ひずみと応力加速酸化を主因とする応力腐食割れ(SCC)モデルに基づき、Fe基およびNi基合金に対して酸化抑制効果が期待できる置換元素を量子化学分子動力学による評価結果を基に選定し、SCCき裂進展試験ならびに高応力下での酸化試験を実施した。Ce、W、Zr、Yを固溶する316Lステンレス鋼を用いて評価したところZr添加材を除いては概ね既存のステンレス鋼より低い進展速度が得られた。特にY添加材については既存ステンレス鋼進展速度分布の下限値近傍の値を示した。高応力下酸化においてもZr添加材'が他の添加材より速い酸化速度を示唆する結果が得られ、SCC進展における応力酸化加速機構を支持する結果が得られた。
第一原理計算を活用し鉄表面の水分子による酸化反応を検討した。水分子が解離吸着し酸化が進行したサイトの隣のサイトは、より酸化反応が進み易くなるメカニズムを理論的に明らかにした。マグネタイト表面の水分子に関しては、水分子の解離により生成した酸素原子よりも、同時に生成した水素原子の方がマグネタイト表面の劣化に大きな影響を与えることを明らかにした。
従来の第一原理分子動力学法と比較して1000万倍も高速な超高速化量子分子動力学法を開発し、電子・原子レベルでの金属表面の酸化進行過程のダイナミクス・シミュレーションに成功した。これまでの成果は、国際的にも高い評価を受け、理論化学計算分野の一流誌であるJournal of Mole cular Structure : THEOCHEMから寄稿の依頼を受けた。
金属と酸化膜界面の健全性に及ぼす点欠陥とひずみの相互作用の影響を解明することを目的に、量子分子動力学解析と実証実験を推進した。還元性不純物の存在により酸化膜組成が酸素欠乏側にシフトし、界面に平行に引張りひずみが作用すると、界面法線方向の金属原子の拡散速度が加速し、酸化膜成長速度が著しく加速されることを明らかにし、積層薄膜構造において、そのひずみ誘起異方的増速拡散現象を実証した。
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