金属におけるHeによる伸び増加の異常現象の解明

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K06423
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 徐 ぎゅう 京都大学, 原子炉実験所, 准教授 (90273531)
• 研究分担者: 張 倹 京都大学, 原子炉実験所, 技術職員 (30379010)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 鉄 / 水素 / ヘリウム / 脆化 / 力学特性

研究実績の概要

鉄鋼材料の水素脆化の現象が140年前に発見されたが、脆化のメカニズムはまだ明らかになっていない。鉄鋼材料の水素脆化を防ぐために、様々な方法が開発された。今年度に鉄中に水素による引張特性の劣化に及ぼすヘリウムの影響を調べた。
転位を導入した鉄に、原子の弾き出しが起きない低エネルギーのヘリウムと水素を注入した。引張試験機により鉄試料の延性を調べ、水素を注入した試料の延性は悪くなったのに対して、ヘリウムを注入すると、鉄の延性が良くなった。引張試験後の試料の微細組織を調べた結果、ヘリウムを注入することによって、引張変形中に形成する微細な亀裂の成長が抑制されることが分かった。この結果は、ヘリウム原子が亀裂の成長に必要な原子空孔の拡散を遅らせたことを示唆している。結果として、試料の延性が良くなった。また、鉄に原子の弾き出しが起こる高エネルギーヘリウムを鉄に照射したところ、鉄の表面に水素をトラップする原子空孔が形成し、水素拡散が抑制され、水素脆化が改善する。これからの低炭素社会においては、水素がクリーンエネルギーとしてますます注目されている。従って、水素をいかに安全かつ安く貯蔵または輸送することは非常に重要なことである。本研究で得られた知見を用いて水素を安全に使える材料の開発に貢献する。この成果を国際雑誌(Scientific Reports 7 (2017) 16927)に発表した。
その他、鉄と同じ構造を持つ鉄合金とタングステン合金における高エネルギー粒子照射による損傷組織の発達過程、または欠陥と水素やヘリウムとの相互作用も調べた。鉄に比べ、タングステンの方が原子空孔と水素やヘリウムの結合は強いが、添加元素を入れると、水素やヘリウムの蓄積が抑制される。これらの結果から鉄のみならず、他の材料においても微量な添加元素を入れると、水素による材料の力学特性の劣化を低減することを示唆している。

研究成果

• [国際共同研究] 合肥工業大学/中国科学院高エネルギー物理研究所/復旦大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 合肥工業大学/中国科学院高エネルギー物理研究所/復旦大学
• [雑誌論文] Repair Behavior of He-Irradiated W-Y2O3 Composites after Different Temperature-Isochronal Annealing Experiments (2018)
  • 著者名/発表者名: G. Yao, X.Y. Tan, L.M. Luo, X. Zan, J.Q. Liu, Q. Xu, X.Y. Zhu, Y.C. Wu
  • 雑誌名: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B 巻: 415 ページ: 82-88
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.11.013
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Deuterium Trapping at Vacancy Clusters in Electron/Neutron-Irradiated Tungsten Studied by Positron Annihilation Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Toyama, K. Ami, K. Inoue, Y. Nagai, K. Sato, Q. Xu, Y. Hatano
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 499 ページ: 464-470
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.11.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microstructure and Damage Behavior of W-Cr Alloy under He Irradiation (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Huang, L.M. Luo, X. Zan, Q. Xu, D.G. Liu, X.Y. Zhu, J.G. Cheng, Y.C. Wu
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 501 ページ: 181-188
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.01.019
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Microstructure and Helium Irradiation Performance of W-ZrC/Sc2O3 Composites Prepared Spark Plasma Sintering (2018)
  • 著者名/発表者名: H.Y. Chen, L.M. Luo, X. Zan, Q. Xu, X.Y. Zhu, J.Q. Liu, J.G. Cheng, Y.C. Wu
  • 雑誌名: International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 巻: 72 ページ: 373-379
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.01.011
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Influence of Nb Content on the Microstructure and Deuterium Retention of W-Nb Alloys (2018)
  • 著者名/発表者名: L.M. Luo, J.B. Chen, J.S. Lin, X. Zan, X.Y. Zhu, Q. Xu, Y.C. Wu
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 129 ページ: 120-129
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2018.02.085
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Charaterization of Helium-Vacancy Complexes in He-Ions Implanted Fe9Cr by using Positron Annihilation Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Zhu, S.X. Jin, P. Zhang, L.G. Song, X.Y. Lian, P. Fan, Q.L. Zhang, D.Q. Yuan, H.B. Wu, R.S. Yu, X.Z. Cao, Q. Xu, B.Y. Wang
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 505 ページ: 69-72
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.03.048
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Novel Methods for Prevention of Hydrogen Embrittlement in Iron (2017)
  • 著者名/発表者名: Q. Xu, J. Zhang
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 16927
  • DOI: http://doi.org/10.1038/s41598-017-17263-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] D2 Retention and Microstructural Evolution during He Irradiation in Candidate Plasma Facing Material W-La2O3 Alloy (2017)
  • 著者名/発表者名: Q. Xu, X.Y. Ding, L.M. Luo, M. Miyamoto, M. Tokitani, J. Zhang, Y.C. Wu
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 496 ページ: 227-233
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.09.033
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Microstructural Evolution and Changes in Mechanical Property of Irradiated Fe-0.6Cu Alloy under Uniaxial Tension Stress in Reactor (2017)
  • 著者名/発表者名: Q. Xu, T. Yokotani, J. Zhang
  • 雑誌名: Radiation Effects & Defects in Solids 巻: 172 ページ: 305-312
  • DOI: https://doi.org/10.1080/10420150.2017.1313842
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microstructure and Deuterium Retention after Ion Irradiation of W-Lu2O3 Composites (2017)
  • 著者名/発表者名: J.S. Lin, L.M. Luo, Q. Xu, X. Zan, X.Y. Zhu, Y.C. Wu
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 490 ページ: 272-278
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.04.042
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Influence of Dislocation and Hydrogen on Thermal Helium Desoption Behavior in Fe9Cr Alloys (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Zhu, S.X. Jin, Y.H. Gong, E.Y. Lu, L.G. Song, Q. Xu, L.P. Guo, X.Z. Cao, B.Y. Wang
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 495 ページ: 244-248
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.08.027
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative Evaluation of Hydrogen Atoms Trapped at Single Vacancies in Tungsten using Positron Annihilation lifetime Measurements: Experiments and Theoretical Calculations (2017)
  • 著者名/発表者名: K .Sato, A. Hirosako, K. Ishibashi, Y. Miura, Q. Xu, M. Onoue, Y. Fukutoku, T. Onitsuka, M. Hatakeyama, S. Sunada, T. Yoshiie
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 496 ページ: 9-17
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.09.002
  • 査読あり
• [学会発表] B2型金属間化合物中の欠陥における水素捕獲 (2018)
  • 著者名/発表者名: 角倉優雅、鷹野陽弘、岩瀬彰宏、Q. Xu、大澤一人、堀史説
  • 学会等名: 金属学会
• [備考] 鉄の水素脆化防止の新しい手法を提案
  • URL: http://www.rri.kyoto-u.ac.jp/archives/9903