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

2023 年度 実績報告書

• 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) [辞退] ; 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（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、研究当初に実験で得られた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のシミュレーションを、前年度に用いたDFTで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て実施したところ、やはり適切に再現できなかった。これについては、今のところ原因を同定できず、計算モデルやパラメータ、実験データに対する推定などについて根本的な見直しが必要と考えられる。
機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学によるα鉄におけるき裂進展シミュレーションにおいて、前年度の手法をいくつかの対称傾角粒界でのき裂に適用したところ、有限温度の動的な粒界き裂進展おいて、き裂先端領域に活性化された原子の集団が現れることが分かった。これは、粒界き裂進展に伴う塑性の前駆現象の可能性が考えられる。本結果は、今後、水素や空孔のき裂の発生や進展への影響を、機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションによって高精度に評価できる可能性を示していると考える。

研究成果

• [雑誌論文] Emergence of crack tip plasticity in semi-brittle α-Fe (2024)
  • 著者名/発表者名: Suzudo T.、Ebihara K.、Tsuru T.、Mori H.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 135 ページ: 075102-1～7
  • DOI: 10.1063/5.0178940
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Large-Scale Atomistic Simulations of Cleavage in BCC Fe using Machine-Learning Potential (2024)
  • 著者名/発表者名: SUZUDO Tomoaki、EBIHARA Kein-ichi、TSURU Tomohito、MORI Hideki
  • 雑誌名: Journal of the Society of Materials Science, Japan 巻: 73 ページ: 129～135
  • DOI: 10.2472/jsms.73.129
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nucleation of Nano-sized Prismatic Dislocation Loop from Spherical Vacancy Clusters in α-iron: An Atomic-scale Study (2024)
  • 著者名/発表者名: Vijendran Mugilgeethan、Matsumoto Ryosuke
  • 雑誌名: ISIJ International 巻: 64 ページ: 765～771
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2023-338
  • 査読あり
• [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: 756～764
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2022-356
  • 査読あり
• [雑誌論文] Twinning initiation from edge dislocations pinned by hydrogen atoms in bcc iron: A molecular dynamics study (2024)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Ryosuke
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 249 ページ: 116152～116152
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2024.116152
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical interpretation of thermal desorption spectra of hydrogen from high-carbon ferrite-austenite dual-phase steel (2023)
  • 著者名/発表者名: Ebihara Ken-ichi、Sekine Daiki、Sakiyama Yuji、Takahashi Jun、Takai Kenichi、Omura Tomohiko
  • 雑誌名: International Journal of Hydrogen Energy 巻: 48 ページ: 30949～30962
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.04.205
  • 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
• [雑誌論文] New understanding of one-dimensional thermal glide of a nano-sized prismatic dislocation loop in bcc iron: an atomic scale study (2023)
  • 著者名/発表者名: Vijendran Mugilgeethan、Matsumoto Ryosuke、Taketomi Shinya
  • 雑誌名: Materials Today Communications 巻: 37 ページ: 107387～107387
  • DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.107387
  • 査読あり
• [学会発表] 高炭素α－γ二相鋼の水素昇温脱離スペクトルの数値的考察 (2024)
  • 著者名/発表者名: 海老原 健一、関根 大貴、崎山 裕嗣、高橋 淳、大村 朋彦
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会 2024 年春季大会 (第 187 回)
• [学会発表] 純鉄の水素脆化破壊に至る潜伏期における格子欠陥形成と破壊形態の関係 (2024)
  • 著者名/発表者名: 杉山優理・高井健一
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会 2024 年春季大会 (第 187 回)
• [学会発表] HYDROGEN EFFECT ON EDGE DISLOCATION IN BCC IRON AT HIGHER CONCENTRATIONS: STRONG PINNING AND RESULTING TWINNING (2024)
  • 著者名/発表者名: Ryousuke Matsumoto、Shinya Taketomi
  • 学会等名: European Conference on Fracture 2024 (ICF2024)
• [学会発表] A novel approach to elucidate the synergistic interplay between vacancy and hydrogen and their role in weakening the grain boundaries of alpha-iron (2024)
  • 著者名/発表者名: Mugilgeethan VIJENDRAN , Ryosuke MATSUMOTO
  • 学会等名: 日本材料学会（第9回マルチスケール材料力学シンポジウム）
• [学会発表] BCC鉄におけるき裂先端塑性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 年秋期 (第 173 回) 講演大会
• [学会発表] 空孔クラスタからプリズマティック転位ループへの遷移挙動の原子モデル解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松本 龍介、Mugilgeethan Vijendran
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会 材料の組織と特性部会シンポジウム 「水素脆化が課題となる鋼材の実用化に向けた課題把握・水素脆化評価の取り組み」