2020 Fiscal Year Research-status Report
計算科学手法を用いた空孔型欠陥の定量的評価に基づく水素脆化モデルの検証
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19K05069
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
海老原 健一 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (40360416)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴土 知明 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (60414538)
松本 龍介 京都先端科学大学, 工学部, 准教授 (80363414)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 水素脆化 / 水素助長ひずみ誘起空孔モデル / 分子動力学 / 反応拡散方程式 / 昇温脱離スペクトル / 空孔クラスター / 転位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
鉄鋼材料の遅れ破壊は水素脆化が原因と考えられていることから、その機構の理解に基づく水素脆化の予測・予防が望まれている。水素脆化機構の１つとして、水素とひずみで生成された空孔や空孔クラスターの空孔型欠陥そのものを要因とする水素助長ひずみ誘起空孔（HESIV）モデルが実験事実に基づき提案されている。しかし、その具体的な素過程は明確でなく実験による定量的評価も困難である。そこで、本研究では原子レベルでの計算科学的な手法を用い、空孔型欠陥の挙動及びその水素トラップ挙動を考慮した反応拡散方程式から水素脆化条件下で生成される空孔型欠陥のサイズ分布を明確にする。さらに空孔型欠陥のき裂への影響を原子レベルから解析することで脆化が生じる空孔型欠陥のサイズを明確にし、HESIV モデルを検証することを目指している。
本年度は、前年度にEAMポテンシャルを用いた分子静力学で評価した空孔数で９個までの空孔クラスターと水素との結合エネルギーを組み入れた反応拡散方程式に基づくコードを高精度化した。そして、そのコードを用い、水素添加しながら変形した純鉄試料から水素を抜いた後、その試料にトレーサー水素を添加して得られた実験昇温脱離スペクトルの再現を試みた。結果として、空孔数２及び３個のクラスターの拡散速度を原子モデルで評価した値より遅くすることで、概ねスペクトル形状を再現することができた。また、より詳細な計算結果の考察から、水素添加しながらの変形において、空孔以外に空孔クラスターが生成されている可能性が示唆された。さらに、α鉄における粒内割れに対する分子動力学シミュレーションでは、き裂が進展しやすい結晶面が実験で観測されいる結晶面と一致する結果が得られ、それは、き裂先端付近での転位の射出の抵抗の大きさに依存することが確認できた。
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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
水素と変形で生成された空孔及び空孔クラスターを含む試料の昇温脱離スペクトルに対するシミュレーションモデルがほぼ確立され、また、き裂進展に関する分子動力学シミュレーションについては、水素や空孔がないなどの限られた条件において、実験を説明できる結果が得られたことから、概ね計画通りに進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
高精度化した反応拡散方程式に基づくコードを、水素添加しながら変形して格子欠陥を生成した直後に添加水素を測定することで得られる昇温脱離スペクトルへ適用することで、生成される空孔・空孔クラスターのサイズ分布について検討・考察する。また、き裂進展に関する分子動力学シミュレーションでは、空子や水素の導入やその影響について検討する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症の感染拡大の影響を受け、令和2年度に予定されていた学会や国際会議が中止となったため、これらの参加に係る費用が次年度使用額として生じた。次年度使用額は、令和3年度分研究費と合わせて、データ処理用計算機、発表用PC、データ保存用ディスク及び研究用備品の購入並びに令和3年度に開催予定の国内外の学会への参加に係る費用として使用する予定である。
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