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2022 年度 実施状況報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 19K05069
研究機関国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

研究代表者

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)

研究分担者 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)
松本 龍介  京都先端科学大学, 工学部, 准教授 (80363414)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2024-03-31
キーワード水素脆化 / 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
研究実績の概要

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孔(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、これまで開発した水素昇温脱離スペクトルの計算コードの妥当性を見るため、既に報告されている水素の存在を考慮した空孔生成過程のシミュレーションを、同計算コードによって実施した。計算では、DFTを用いて新たに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た。結果として、空孔型欠陥の水素トラップ・デトラップの速度定数及び空孔移動が始まるトラップ水素量を適切に選ぶことで、既報のシミュレーション結果とほぼ同様の結果を得られることが分かった。
また、機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学によるα鉄における粒内割れシミュレーションにおいて、直線状のき裂とコイン形状のき裂の進展の様子を比較することで、エネルギー的に若干割れにくい{100}面での割れが、より割れやすい{110}面より実験において多く観測される理由が、き裂先端の自然な乱れのためであることが明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

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再現に同様のコードを適用したが、想定どおりの良い結果を得ることができなかったため、計算モデルに立ち返り、妥当性について検証することとしたことから、当初の計画より遅れていると考える。

今後の研究の推進方策

R5年度に予定している、水素脱離スペクトルの再現においては、新たにDFTで計算したパラメータを用いた計算を実施し、き裂進展の分子動力学シミュレーションにおいては、温度による影響を調査する。さらに国内外で開催予定の学会において、研究成果の発表を行う。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルス感染症の影響により、R4年度に予定していた学会や国際会議への参加を取り止めたり、オンライン参加に変更したため、学会等の参加に係る費用について、当初計画よりも支出が少なく次年度使用額が生じた。次年度使用額は、論文出版、データ保存用ハードディスク及び研究用備品の購入に係る費用並びにR5年度に開催予定の国内外学会への参加に係る費用として使用する。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Transition between a nano-sized prismatic dislocation loop and vacancy cluster in α-iron: An atomic scale study2023

    • 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
  • [雑誌論文] Cleavages along {110} in bcc iron emit dislocations from the curved crack fronts2022

    • 著者名/発表者名
      Suzudo Tomoaki、Ebihara Ken-ichi、Tsuru Tomohito、Mori Hideki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 ページ: 19701

    • DOI

      10.1038/s41598-022-24357-5

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] BCC鉄き裂先端における転位 射出のシミュレーション解析2023

    • 著者名/発表者名
      鈴土 知明, 海老原 健一, 都留 智仁, 森 英喜
    • 学会等名
      日本金属学会2023年春期(第172回)講演大会
  • [学会発表] Simulation of hydrogen thermal desorption spectra for iron with strain-Induced vacancy-type defects included2022

    • 著者名/発表者名
      K. Ebihara, Y. Sugiyama, R. Matsumoto, K. Takai, T. Suzudo
    • 学会等名
      4th International Conference on Metals Hydrogen (Steely Hydrogen 2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Atomistic Investigation of Hydrogen Influence on the Mobility of Edge Dislocations in Alpha-Iron2022

    • 著者名/発表者名
      S.T. Oyinbo, R. Matsumoto
    • 学会等名
      15 th World Congress on Computational Mechanics (WCCM-XV) and 8 th 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 α -iron: A molecular dynamics study2022

    • 著者名/発表者名
      M. Vigendran, R. Matsumoto
    • 学会等名
      International Conference on Materials and Reliability (ICMR2022)
    • 国際学会

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公開日: 2023-12-25  

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