| 研究課題/領域番号 |
21K03756
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分18010:材料力学および機械材料関連
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| 研究機関 | 湘南工科大学 |
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研究代表者 |
大見 敏仁 湘南工科大学, 工学部, 准教授 (90586489)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | 水素脆化 / 数値解析 / 疲労 / 過大荷重 / 水素濃度分布 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
水素脆化は，金属材料に侵入した水素の濃度がある程度以上に達した場所で発生する現象だと考えられている。しかし，水素を直接観察することが困難であるため，水素脆化メカニズムの解明には至っていない。
本研究では，疲労負荷が加わる環境下で通常の荷重以上の負荷が加わった場合に，その後の疲労条件下で水素濃度がどのように上昇するのかを明らかにする研究である。
様々な材料を想定したコンピュータシミュレーションを多数行い，それらの結果から水素濃度が上昇しやすい条件とその理由を考察する。さらに，試験片に水素を添加した状態で疲労試験を行い，コンピュータシミュレーションの検証と精度向上を行う予定である。
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| 研究実績の概要 |
本計画では，水素脆化の発現要因である水素凝集メカニズムに及ぼす過大荷重履歴の影響を解析及び実験により明らかにし，変動応力疲労条件下での水素拡散凝集挙動の制御手法を提案・確立するための研究を行う。
水素脆化は，材料中の水素濃度が局所的に増加することによって誘起される。従って，材料中の水素凝集メカニズムを解明することで，水素脆化が誘起されにくい条件をも知ることができる。本研究では，過大荷重履歴のある疲労条件下での応力集中部における水素凝集メカニズムを数値解析により明らかにし，実験的にも検証・考察を行う。本研究成果は，耐水素脆性が求められる構造物の設計や破壊寿命予測などを可能とする。水素エネルギーインフラの安全性と経済性に寄与する重要な研究課題である。
令和５年度は，実験による水素脆化に及ぼす過大荷重履歴の効果を確認することを目的に研究を行った。具体的には疲労き裂成長速度の特性を評価することが目的であった。実際には，水素の影響のない大気中の疲労試験で過大荷重履歴の効果を検証することに時間を費やした。実際に実験を行うと，ハンチング現象が発生し試験片に瞬間的に降伏応力を超える大きな荷重が負荷され，正常な疲労試験が行えなくなった。ハンチング現象は常に発生するわけではなく，前触れなく突然発生したことも問題の解決に多くの時間が必要となった要因であった。
先ず，ハンチング現象を検出・確認できるように試験方法を見直した。その後，周波数や過大荷重の大きさ，試験機制御パラメータの設定などを網羅的に見直し，ハンチング現象を起こさずに疲労試験を行える条件を見出した。この際，材料が変わった場合にもハンチング現象を起こさずに実験ができるように，実験条件の絞り込み方法をプロトコル化した。その結果，水素雰囲気でも疲労試験を実行する見込みを立てることができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
過大荷重効果を明らかにするための数値解析は当初の予定通りもしくはやや早く進んで終了したが，過大荷重効果の実験的で検証が大幅に遅れた。
疲労試験が遅れた理由は試験機のハンチング現象であったが，すでに解決し安定的に実験を行える環境が整った。
一方で，定量的な比較を目的としている疲労試験で数値解析結果の検証を行う計画であるが，過大荷重による影響がある場合とない場合の区切りが数値解析ほど明確に発現しない可能性があるため，実験結果の整理・考察は慎重に行う必要がある。この様な場合は，試験片の破面観察を通して，破壊機構の差や実験中の変化を観察することで定性的な検証が可能であると考えている。今後、実験データが積み重なることで，数値解析結果の検証が可能であると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
過大荷重効果を明らかにするための数値解析は当初の予定通りもしくはやや早く進んで終了したが，過大荷重効果の実験的で検証が大幅に遅れてた。
疲労試験が遅れた理由は試験機のハンチング現象であったが，すでに解決し安定的に実験を行える環境が整った。
一方で，定量的な比較を目的としている疲労試験で数値解析結果の検証を行う計画であるが，過大荷重による影響がある場合とない場合の区切りが数値解析ほど明確に発現しない可能性があるため，実験結果の整理・考察は慎重に行う必要がある。この様な場合は，試験片の破面観察を通して，破壊機構の差や実験中の変化を観察することで定性的な検証が可能であると考えている。今後、実験データが積み重なることで，数値解析結果の検証が可能であると考えている。
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