2020 Fiscal Year Annual Research Report
Quantitative evaluation for hydrogen-induced reduction of cohesive energy through micromechanics analysis
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19H02459
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
柴田 曉伸 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, グループリーダー (60451994)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素脆性 / マルテンサイト鋼 / 破壊靭性 / マイクロメカニックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「水素脆性」とは材料中に水素が侵入することによって，材料が著しく脆化する現象である．これまでの国内外の精力的な研究により，水素脆性破壊の基本要因は明らかになりつつあるが，「破壊メカニズムに基づいた材料全体の破壊特性予測」という重要学術課題に関する水素脆性研究はほとんどなされてきていない．本研究は，高強度マルテンサイト鋼の水素脆性粒界破壊を対象とし，各破壊素過程に対応する巨視的スケール破壊特性の評価，き裂発生・伝播挙動のミクロ組織解析を行うとともに，破壊メカニズムに基づいたマイクロメカニックス解析を行い，水素 / 結晶粒界凝集エネルギー / 巨視的スケール破壊特性の相関を定量的に明らかにすることを目的としている．
本年度は，焼入れままマルテンサイト鋼の水素脆性粒界クラック伝播挙動を走査型電子顕微鏡および電子線後方散乱回折を用いて詳細に調べ，未チャージ材ではクラック先端が顕著に鈍化しているのに対し，水素チャージ材ではクラック先端がほとんど鈍化せず，クラック伝播が一旦停止しても，クラック前方の粒内に新たなクラックが形成されるため，より脆性的な破壊が生じることがわかった．また，有限要素シミュレーションを行うことにより，水素脆性き裂の発生におよぼす局所的な応力・ひずみ・水素濃度の影響を明らかにした．さらに炭素偏析処理により粒界強化を狙ったマルテンサイト鋼を作製し，その水素脆性特性を引張試験により評価した．その結果，粒界への炭素偏析によって水素脆性特性が大きく向上する可能性を見出した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
クラック伝播挙動とマルテンサイト組織の関係を詳細に解析することによって，クラック伝播挙動の観点から，水素による破壊特性低下の要因を考察することができた．また有限要素シミュレーションを行うことによって，水素脆性き裂の発生におよぼす局所的な応力・ひずみ・水素濃度の影響を明らかにした．そのため，破壊特性精密評価とミクロ組織解析を当初の計画よりも早く実施することができた．さらに炭素偏析処理材の水素脆性特性評価という新しい項目の実験に着手した．
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| Strategy for Future Research Activity |
【研究実績の概要】および【現在までの進捗状況】に記述したように，本研究は順調であり，当初の計画以上に進展している．2020年度に熱処理方法を確立した炭素偏析処理材に対して，種々の濃度の水素を導入した後に破壊靭性試験を行い，より系統的に水素脆性特性を評価する．また，引張試験結果および破壊靭性試験結果に対するマイクロメカニックス解析（Cohesive zoneモデル解析）に試験片内の水素拡散を実装するなどして，解析を継続して行っていく．
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