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中性子線回折や透過電子顕微鏡を用いたBCC鉄の水素脆性破壊のミクロ機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 19J21267
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分18010:材料力学および機械材料関連
研究機関京都大学

研究代表者

岡田 和歩  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
3,400千円 (直接経費: 3,400千円)
2021年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2019年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワード水素脆性擬へき開破壊 / 水素脆性粒界破壊 / 収束イオンビーム加工 / 透過電子顕微鏡 / 3次元構造 / 転位形態 / 中性子回折実験 / 水素脆性
研究開始時の研究の概要

高強度を示す低炭素マルテンサイト鋼は水素脆性感受性が高いことが知られている.水素脆性とは水素によって材料の機械特性が劣化する現象であり,実用的に大きな問題であるが,未だその本質的機構は解明されておらず,この機構が解明されれば組織制御による水素脆性抑制の重要な指針となる.非常に複雑なマルテンサイト組織は詳細な水素脆性機構を研究するには不向きである.そこで本研究は,マルテンサイト鋼と同じBCC構造であり,複雑な組織を持たないフェライト鋼の塑性変形に水素が及ぼす影響とその原理を明らかにし,マルテンサイト鋼の水素脆性と比較・検討することで,BCC鋼の水素脆性破壊機構の全容を解明するものである.

研究実績の概要

初年度には、BCC 鋼の水素脆性に伴い現れる擬へき開破壊において、{011} すべり面が本質的に重要な役割を果たすことを明らかとした。さらに、フェライト鋼において、水素により (i) らせん転位の刃状転位に対する相対的な易動度が上昇すること、(ii) 絡まり合った転位形態に発達すること、(iii) 破壊が生じる直前のひずみ量においてらせん転位密度が上昇することを見出した。この結果に基づいて、らせん転位のジョグ引きずり運動により導入された空孔が {011} すべり面近傍で連結・成長することによる擬へき開破壊機構を提案した。
2年度目には、フェライト鋼の水素脆性擬へき開破壊において {011} すべり面に働く分解垂直応力が重要な役割を果たすことを見出した。これは、水素脆性擬へき開破壊は、単純に水素によってすべり変形が助長されることで生じるすべり面分離のような現象ではなく、塑性変形によって導入された空孔の連結による破壊機構などを考える必要性を示唆しており、初年度に提案した機構を支持する結果である。
最終年度では、2年度目と同様の解析をマルテンサイト鋼に対して行い、フェライト鋼と同様の結果を得た。したがって、フェライト鋼とマルテンサイト鋼の水素脆性擬へき開破壊は同一のメカニズムにより生じたことが明らかとなった。最終年度では、さらに、旧オーステナイト粒界における偏析炭素濃度を増加させることで水素脆性粒界破壊を抑制し、マルテンサイト鋼の水素脆性特性を向上させることに成功した。
このように、本研究では、水素存在下の塑性変形により形成される微視組織に基づきBCC 鋼の水素脆性擬へき開破壊の統一的なメカニズムを明らかにし、当初の研究目的を達成している。さらに、組織制御により水素脆性破壊機構を抑制することでマルテンサイト鋼の水素脆性特性を向上させることにも成功しており、大きな成果を収めたと言える。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2022 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (15件)

  • [雑誌論文] Relationship between mechanical response and microscopic crack propagation behavior of hydrogen-related intergranular fracture in as-quenched martensitic steel2022

    • 著者名/発表者名
      Shibata Akinobu、Gutierrez-Urrutia Ivan、Okada Kazuho、Miyamoto Goro、Madi Yazid、Besson Jacques、Tsuzaki Kaneaki
    • 雑誌名

      Materials Science and Engineering: A

      巻: 831 ページ: 142288-142288

    • DOI

      10.1016/j.msea.2021.142288

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of hydrogen on evolution of deformation microstructure in low-carbon steel with ferrite microstructure2022

    • 著者名/発表者名
      Okada Kazuho、Shibata Akinobu、Gong Wu、Tsuji Nobuhiro
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 225 ページ: 117549-117549

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2021.117549

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Characteristics of hydrogen-related fatigue fracture in 2Mn-0.1C martensitic steel2021

    • 著者名/発表者名
      Matsumiya Hisashi、Shibata Akinobu、Okada Kazuho、Tsuji Nobuhiro
    • 雑誌名

      International Journal of Hydrogen Energy

      巻: 46 号: 75 ページ: 37509-37517

    • DOI

      10.1016/j.ijhydene.2021.09.011

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystallographic analysis of fatigue fracture initiation in 8Ni-0.1C martensitic steel2021

    • 著者名/発表者名
      Okada Kazuho、Shibata Akinobu、Takeda Yasunari、Tsuji Nobuhiro
    • 雑誌名

      International Journal of Fatigue

      巻: 143 ページ: 105921-105921

    • DOI

      10.1016/j.ijfatigue.2020.105921

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 低炭素マルテンサイト鋼における水素誘起疲労破壊と微視組織の関係2022

    • 著者名/発表者名
      ○松宮久,岡田和歩,前河佳晃,柴田曉伸,辻 伸泰
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2022年春期講演大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] BCC 鋼の水素脆性擬へき開破壊におけるserrated markingsの起源2021

    • 著者名/発表者名
      ○岡田和歩,柴田曉伸,辻伸泰
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2021年秋季 (第182回) 講演大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] マルテンサイト鋼およびフェライト鋼における水素脆性擬へき開破壊の微視的特徴2021

    • 著者名/発表者名
      岡田和歩,○柴田曉伸,辻伸泰
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2021年秋季 (第182回) 講演大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 旧オーステナイト粒界への炭素偏析による3Mn-0.2C マルテンサイト鋼の水素脆化特性向上2021

    • 著者名/発表者名
      岡田和歩, 柴田曉伸, 辻伸泰
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2021春季講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] マルテンサイト鋼の水素脆性粒界クラック2021

    • 著者名/発表者名
      柴田曉伸, Ivan GUTIERREZ URRUTIA, 岡田和歩,宮本吾郎,Yazid MADI,Jacques BESSON,津崎兼彰
    • 学会等名
      日本金属学会 2021 年春期(第168 回)講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] マルテンサイト鋼における水素誘起疲労クラック伝播挙動2021

    • 著者名/発表者名
      松宮 久, 辻 伸泰, 柴田 曉伸, 岡田 和歩
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2021春季講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] フェライト鋼の水素脆性擬へき開破壊における serrated markingsの起源2020

    • 著者名/発表者名
      岡田和歩, 柴田曉伸, 辻伸泰
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2020秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] マルテンサイト鋼の水素脆性2020

    • 著者名/発表者名
      柴田曉伸,岡田和歩,辻伸泰
    • 学会等名
      鉄鋼協会 鉄鋼のマルテンサイト/ベイナイト組織―その基礎と応用―(第7回フォーラム)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] マルテンサイト鋼とフェライト・パーライト鋼の疲労破壊挙動に及ぼす水素の影響2020

    • 著者名/発表者名
      松宮 久, 辻 伸泰, 柴田 曉伸, 岡田 和歩
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2020秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] フェライト鋼の水素脆性時に生じる擬へき開破壊と変形微視組織の関係2020

    • 著者名/発表者名
      岡田和歩, 柴田曉伸, ゴンウー, 辻伸泰
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2020春期講演大会,
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 水素脆性における破壊素過程とマクロ破壊特性の相関2019

    • 著者名/発表者名
      柴田曉伸,岡田 和歩,Yazid MADI,Jacques BESSON,辻 伸泰
    • 学会等名
      日本金属学会2019秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] マルテンサイト鋼およびフェライト鋼における水素脆性破壊の組織学的・結晶学的解析2019

    • 著者名/発表者名
      柴田曉伸,岡田 和歩,バイ ユ,辻 伸泰
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2019秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] マルテンサイト鋼の水素脆性破壊と微視組織の関係2019

    • 著者名/発表者名
      柴田曉伸,岡田 和歩,桃谷 裕二,バイ ユ,辻 伸泰
    • 学会等名
      日本金属学会2019秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Microscopic mechanism of hydrogen-related fracture in 2Mn-0.1C steel with ferrite microstructure2019

    • 著者名/発表者名
      K. Okada, A. Shibata, W. Gong and N. Tsuji
    • 学会等名
      Materials Research Meeting (MRM) 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Hydrogen-related plastic deformation and fracture behaviors in 2Mn-0.1C steel with ferrite microstructure2019

    • 著者名/発表者名
      K. Okada, A. Shibata, W. Gong and N. Tsuji
    • 学会等名
      Materials Science & Engineering 2019 (MS&T2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-05-29   更新日: 2024-03-26  

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