Investigation of the mechanism of stress corrosion cracking based on multi-scale experiments and simulations

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K13660
• Research Institution: Aoyama Gakuin University
• Principal Investigator: 蓮沼 将太 青山学院大学, 理工学部, 助教 (50709764)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 応力腐食割れ / 疲労き裂進展 / アルミニウム合金 / 湿度 / 水素 / 転位

Outline of Annual Research Achievements

近年，高圧水素を用いた燃料電池自動車などが実用化されている．しかし，高圧水素容器に用いられるアルミニウム合金に発生する応力腐食割れ(SCC)は，高圧水素容器の口金破壊というリスクの高い破壊事故の原因となることが明らかになってきた．このき裂進展メカニズムはディンプル破壊であり，大気中の水分から生成された水素の寄与が指摘されているが，メカニズムは明らかになっていない．また，アルミニウム合金の疲労き裂進展にも湿度の影響があり，そのメカニズムを解明することはSCCメカニズム解明に有益だと考えられる．本研究では，湿潤環境中におけるアルミニウム合金のSCCき裂進展および疲労き裂進展メカニズムを解明することを目的とする．
本年度の研究では，水素拡散-転位動力学連成解析および湿潤環境下での疲労き裂進展試験を行った．
水素拡散ー転位動力学連成解析では，静止した2つの転位を対象とし，水素によるせん断応力に及ぼす転位間距離および角度の影響について検討した．その結果，転位同士の距離や角度を変化させた場合でも，水素により転位同士の相互作用応力は大きく減少していた．そのため，アルミニウム合金においても水素によって局所的に塑性変形が生じることが示された．また，本研究によって得られた水素によるせん断応力と転位間距離，転位間角度の関係を近似することで，転位に及ぼす水素の影響をモデル化できる．
湿潤環境下での疲労き裂進展試験では，実際の高圧水素容器使用環境を考慮し，圧縮平均応力下での行った．その結果，圧縮平均応力下では，引張側の応力拡大係数範囲である最大応力拡大係数が，高応力比の試験で得られる下限界有効応力拡大係数を超えるとき裂進展が急激に発生することが明らかとなった．また，圧縮平均応力下のき裂進展特性に及ぼす湿度の影響は小さいことが明らかとなった．