2018 Fiscal Year Annual Research Report
Multi-scale modeling and experimental study for the mechanism of hydrogen embrittlement based on the theory of crack-tip shielding by dislocations
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18H03848
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| Research Institution | Sasebo National College of Technology |
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Principal Investigator |
東田 賢二 佐世保工業高等専門学校, その他, 校長 (70156561)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川崎 仁晴 佐世保工業高等専門学校, 電気電子工学科, 教授 (10253494)
下川 智嗣 金沢大学, 機械工学系, 教授 (40361977)
田中 將己 九州大学, 工学研究院, 教授 (40452809)
西口 廣志 佐世保工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (00580862)
大橋 鉄也 北見工業大学, 工学部, 特任教授 (80312445)
定松 直 鹿児島大学, 理工学域工学系, 助教 (10709554)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素脆性 / 亀裂 / 転位 / 遮蔽効果 / 破壊靭性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素脆化現象は社会インフラや新エネルギー技術の根幹をなす構造用金属材料に損傷を与え，その安全性を脅かす深刻な問題であり,その原因解明と克服は喫緊の社会的課題である.しかしそこには未解決の学術的難問が存在する.それは巨視的破壊様式は脆性的であるにも拘らず，微視的には延性的であるという従来理論の枠内では理解困難な矛盾が存在することである.本研究では，その原因として結晶性材料の破壊靭性に本質な影響を及ぼす転位遮蔽効果に着眼し，それに対する水素の影響を確かめることに注力する．この考えの基本は，転位の持つ長範囲応力場と水素とが相互作用を起こし，特に転位弾性場の引張静水圧場の箇所に水素が集合し，結果として格子間原子として存在する水素が，転位の弾性場を弱めることが期待される．これを実験的に検証するにあたって，モデル結晶としてシリコン結晶が有用である．その理由は，転位の長範囲弾性場を赤外線を使って可視化でき，水素導入にともなう転位の弾性場の変化を直接観察出来ること，また無転位結晶を容易に入手できることから，観測する転位制御が容易であることが挙げられる．当該年度ではまず，実験系でシリコン結晶への水素導入システムの立ち上げ，またそのプロセスの構築を行った．すなわち，シリコンウエハーに水素プラズマ法で導入する手法の構築，また高圧水素中で水素を導入する手法プロセスの開発を行った．またシリコンウエハーへの転位導入については，{100}面ウエハー表面上にビッカース圧痕法を用いて，４角錐状の圧痕並びにその４つのコーナーから{110}面に沿った亀裂を導入し，さらに赤外線によりその周辺に強い弾性場の形成されていることを観測した．また階層的モデリングについては，分子動力学，並びに結晶塑性有限要素法それぞれの立場から，まず転位遮蔽効果をモデル化する手順について議論構築した．
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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
現在までの進捗状況として，実験系でシリコン結晶への水素導入システムの立ち上げ，そのプロセスの構築の一環として，シリコンウエハーに水素プラズマ法で導入する手法の構築，また高圧水素中で水素を導入する手法プロセスの開発を行ったところである．またシリコンウエハーへの亀裂と転位導入については，{100}面ウエハー表面上にビッカース圧痕法を用いて，４角錐状の圧痕並びにその４つのコーナーから{110}面に沿った亀裂を導入する方法を確立し，さらに赤外線によりその周辺に強い弾性場の形成されていることを観測する手法も確認した．また階層的モデリングについては，分子動力学，並びに結晶塑性有限要素法それぞれの立場から，まず転位遮蔽効果をモデル化する手順について議論構築した．
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| Strategy for Future Research Activity |
実験系では，シリコンウエハー表面上にビッカース圧痕法を用いて，４角錐状の圧痕並びにその４つのコーナーから亀裂を導入し，その圧痕亀裂周りの弾性場を赤外ラマン分光装置を用いて観測する．次にこの試料に水素プラズマ，或いは高圧水素雰囲気のもとで，水素を導入し，その後さらに赤外ラマン観測して，水素導入前後の圧痕周辺の弾性場の変化を観測する．これによって，実験的に結晶中の弾性場と水素との相互作用，さらには水素の弾性場緩和への役割を明らかに出来ることが期待される．また合わせて，階層的モデリングについて，分子動力学，並びに結晶塑性有限要素法それぞれの立場から，まず転位遮蔽効果に及ぼす水素の影響の取り扱いについて議論構築したい．
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