2023 Fiscal Year Annual Research 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鈴土 知明 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 再雇用職員 (60414538) [Withdrawn]
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 – 2024-03-31
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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 / 機械学習ポテンシャル / き裂進展 |
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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おり、その機構の理解に基づく脆化予測・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考える水素助長ひずみ誘起空（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。本研究では、HESIV モデルの検証のため、原子レベルの計算科学的手法で評価したパラメータを用い、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で水素昇温脱曲線をシミュレーションし、水素脆化条件下で生成される空孔型欠陥のサイズ分布の評価を試みる。さらに空孔型欠陥のき裂への影響を原子レベルで解析し、脆化を生じさせる空孔型欠陥のサイズの評価を目指す。
本年度は、研究当初に実験で得られたひずみ誘起空孔の生成に寄与した水素の昇温脱離スペクトルのシミュレーションを、前年度に用いたDFTで評価した空孔拡散係数及び空孔クラスターからの空孔解離エネルギーを用いて実施したところ、やはり適切に再現できなかった。これについては、今のところ原因を同定できず、計算モデルやパラメータ、実験データに対する推定などについて根本的な見直しが必要と考えられる。
機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学によるα鉄におけるき裂進展シミュレーションにおいて、前年度の手法をいくつかの対称傾角粒界でのき裂に適用したところ、有限温度の動的な粒界き裂進展おいて、き裂先端領域に活性化された原子の集団が現れることが分かった。これは、粒界き裂進展に伴う塑性の前駆現象の可能性が考えられる。本結果は、今後、水素や空孔のき裂の発生や進展への影響を、機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションによって高精度に評価できる可能性を示していると考える。
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