2019 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) |
西口 廣志 佐世保工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (00580862)
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)
定松 直 鹿児島大学, 理工学域工学系, 准教授 (10709554)
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)
大橋 鉄也 北見工業大学, 工学部, 特任教授 (80312445)
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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 |
水素脆化は社会インフラや新エネルギー技術の基盤となる構造用金属材料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的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検証し水素脆化の原因を究明する.
そこで本研究では，モデル結晶としてシリコ ン結晶を用いる.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．本年度は，前年度の実験系で立ち上げたシリコン結晶への水素導入システムをもとに，ビッカース圧痕を用いた塑性変形の伴う内部応力を観測し，そしてそこに水素チャージを施すことによる内部応力変化を赤外ラマン法で定量的に観測することに成功した．より具体的には，{100}シリコンウエハーにビッカース圧痕を導入し，{110}面亀裂ならびに圧痕に伴う強い内部応力場を導入した．この状態でまず赤外ラマン法で内部応力分布を可視化した後，水素プラズマ法並びに1000気圧水素暴露法で水素チャージを行なった後，再度，赤外ラマン法でビッカース圧痕周辺の内部応力分布を観測した．その結果，水素チャージしたいずれの試料でも，ビッカース圧痕周辺の内部応力の低下を観測することが出来た．これは上記の予測を裏付ける実験結果として期待できる．また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モデル化の議論を進め，水素の効果として弾性定数の低下を仮定することなど議論構築した.
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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
まず実験系において，昨年度に立ち上げた水素導入システム並びに圧痕法，さらにその内部応力状態を観測できる赤外ラマン法を用いて，シリコン中の強い内部応力が水素チャージによって弱まることを示せたことである．具体的には，{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，この状態でまず赤外ラマン法で圧痕周辺の内部応力分布を測定した．次にプラズマ法並びに1000気圧水素暴露法により水素チャージした後，再度赤外ラマンで内部応力分布を観測した結果，水素チャージによって内部応力減衰が具体的に観測された．このことは，水素が内部応力と相互作用を起こし，その内部応力を減衰させたことを示唆する結果として重要なものと考える．また階層的モデリングについても，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，まず転位遮蔽効果のモデル化とその水素脆化を取り入れる手法として弾性定数の議論が進んだことは重要である．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的は，水素脆化の原因として転位によるき裂先端応力遮蔽効果が水素の侵入によって低下するためであるという考えを立証することにある. 昨年度，ヴィッカース圧痕を付した{100}シリコンウエハーに水素プラズマチャージ並びに1000気圧の高圧水素ガス中で水素を侵入させ，水素添加前後のヴィッカース圧痕周辺の弾性場の赤外ラマン法を用いた観察に成功した. 今年度はそれを受けてさらに次のような研究を推進する. (1)昨年度撮影に成功したヴィッカース圧痕周辺の赤外ラマン像解析を行い，その定量化を徹底して行う， (2)さらに水素暴露条件を変化させて，ヴィッカース圧痕周辺，ならびに圧痕端部から発生した{110}き裂周辺の弾性場の変化を計測する，(3)水素添加前後のヴィッカース圧痕並びにき裂周辺の転位組織変化を電子顕微鏡観察する， (4)シミュレーショングループでは，転位によるき裂先端遮蔽効果が水素添加によって減衰することのモデル化を試みるが，そのひとつのアプローチとして，水素添加に伴う原子間結合の低下に起因する局所的な弾性定数の低下の効果について検証を試みる．以上のことをもとに，実験グループ，シミュレーショングループ相互の意見交換を活発に行う.
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