トランススケール解析による低合金鋼の水素－空孔－塑性ひずみ関連破壊現象の解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H02025
• 研究機関: 京都先端科学大学
• 研究代表者: 松本 龍介 京都先端科学大学, 工学部, 准教授 (80363414)
• 研究分担者: 武富 紳也 佐賀大学, 理工学部, 准教授 (20608096)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 水素脆化 / 格子欠陥 / 材料強度 / 計算力学 / 変形機構

研究実績の概要

低合金鋼において，水素存在時には破壊の前駆段階で局所的に多量の空孔が生成していることが示されており，それらの時間発展がその後の延性に強く関わっていることがわかっている．R4年度（最終年度）は，これまでの総括を行うとともに，新しい研究の方向性を見出した．以下に得られた主な成果を示す．
〔ミクロスケール解析〕Nudged Elastic Band法を用いて，二次元状の空孔クラスタと空孔型プリズマティック転位ループ間の遷移エネルギーを，垂直応力と空孔クラスタサイズの関数として評価した．また，異なるサイズと形状の空孔クラスタの形成エネルギーを，分子静力学法を用いて評価した．その結果，高濃度空孔が空孔クラスタとして凝集し，それがさらにプリズマティック転位ループに変化することがわかった．
〔メゾスケール解析〕上記のプリズマティック転位ループは圧縮下で形成が促進され，引張下で空孔クラスタに変化する性質があり，引張応力部に高濃度の空孔クラスタが集積する新しいモデルを提案した．
〔マクロスケール解析〕前年度の継続で，反応拡散方式を用いた水素と空孔の存在状態の時間発展の解析を実施した．また，上記の空孔クラスタとプリズマティック転位ループ間の遷移や，それらの拡散を考慮した次の研究の方向性を得た．
〔実験〕水素チャージを行った試験片に対して，時効時間を変化させてナノインデンテーション試験を行い，水素濃度が低下するに従い，硬化，軟化，影響なしと，水素の効果が変化することがわかり，それが解析結果と定性的に一致することを確認した．

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Influence of High Concentration Vacancy-Type Defects on the Mobility of Edge Dislocation in α-Iron: An Atomistic Investigation (2024)
  • 著者名/発表者名: Oyinbo Sunday Temitope、Matsumoto Ryosuke
  • 雑誌名: ISIJ International 巻: 64 ページ: N.A.
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2022-356
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transition between a nano-sized prismatic dislocation loop and vacancy cluster in α-iron: An atomic scale study (2023)
  • 著者名/発表者名: VIJENDRAN Mugilgeethan、MATSUMOTO Ryosuke
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: 225 ページ: 112195～112195
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2023.112195
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hydrogen Effect on the Mobility of Edge Dislocation in <i>α</i>-Iron: A Long-Timescale Molecular Dynamics Simulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Ryosuke、Oyinbo Sunday T.、Vijendran Mugilgeethan、Taketomi Shinya
  • 雑誌名: ISIJ International 巻: 62 ページ: 2402～2409
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2022-311
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 純鉄における転位と水素，空孔および空孔水素複合体の相互作用に関する分子動力学解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松本龍介
  • 学会等名: 日本材料学会「第2回マルチスケールマテリアルモデリングシンポジウム（第7回マルチスケール材料力学シンポジウム）」
  • 招待講演
• [学会発表] Nanometer-scale Hydrogen Embrittlement of a Hydrogen-charged Single Crystal Alpha Iron (2022)
  • 著者名/発表者名: Oyinbo Sunday, 松本龍介
  • 学会等名: 日本材料学会「第2回マルチスケールマテリアルモデリングシンポジウム（第7回マルチスケール材料力学シンポジウム）」
• [学会発表] 純鉄中の刃状転位の水素および空孔性欠陥との相互作用挙動の長時間分子動力学解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松本龍介，Sunday OYINBO
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会「第１８４回秋季講演大会」
• [学会発表] 純鉄中の空孔性欠陥の存在状態と刃状転位の易動度に関する原子モデル解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松本龍介
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会「第１８４回秋季講演大会」（鉄鋼協会研究プロジェクト最終報告会「高強度鋼の水素脆化における潜伏期から破壊までの機構解明」）
• [学会発表] Atomistic Investigation of Hydrogen Influence on the Mobility of Edge Dislocations in Alpha-Iron (2022)
  • 著者名/発表者名: S.T. Oyinbo and R. Matsumoto
  • 学会等名: 15th World Congress on Computational Mechanics (WCCM-XV) and 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM-VIII)
  • 国際学会
• [学会発表] The degree of freedom associated with the one-dimensional thermal glide of a priismatic dislocation loop in alpha-iron: A molecular dynamics study (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Vigendran and R. Matsumoto
  • 学会等名: 6th International Conference on Materials and Reliability (ICMR2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 純鉄の水素脆化における潜伏期と破壊の素過程解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 武富紳也
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会「第１８４回秋季講演大会」（鉄鋼協会研究プロジェクト最終報告会「高強度鋼の水素脆化における潜伏期から破壊までの機構解明」）
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/read0115219
• [備考] 京都先端科学大学 教員紹介
  • URL: https://www.kuas.ac.jp/edu-research/profile/ryosuke-matsumoto