水素脆化モデル構築のための原子及び連続体手法による粒界面上微小き裂近傍の応力分布の考察

Atomistic and continuum comparative studies on the stress distribution around a nano-crack on the grain boundary for modeling hydrogen embrittlement of iron

海老原 健一   ; 蕪木 英雄; 板倉 充洋  

Ebihara, Kenichi; Kaburaki, Hideo; Itakura, Mitsuhiro

水素脆化は鉄鋼材料の強度低下や破壊をもたらす要因の1つであり、その機構の解明が求められている。高強度鋼の遅れ破壊や溶接部の低温割れは、偏析水素による粒界強度低下が主な原因と考えており、その機構は応力腐食割れと同様と考えられる。粒界強度低下に基づく水素脆化モデルでは、水素による粒界強度低下を原子レベルスケールの計算で評価し、その情報を用い巨視的スケールの強度やき裂進展の評価がなされているが、両スケール間におけるスケールのモデル化についてはあまり明確でない。特に、微視き裂先端での応力集中について、き裂周囲を弾性体とするモデルがあるが、その妥当性も明確でない。本研究では、微視き裂を含みその周囲に転位がない系の引張によるき裂周囲の応力を分子動力学(MD)と連続体計算(FEM)の計算手法で評価し、その差異について考察した。その結果、1%以下の低いひずみでは、両手法による応力分布は同様の結果となったが、それ以上になるとき裂先端の応力集中部から両者の差が大きくなった。また、応力集中のモデル化については、き裂周辺を単なる弾性体とするだけではMDの結果を再現できなかった。

Since hydrogen(H) embrittlement is one factor causing degradation and/or fracture of steel, understanding its mechanism is required. The grain-boundary(GB) decohesion due to segregation of H is considered to cause the delayed fracture of high strength steels and the cold cracking in welding. In the model based on GB decohesion, information of strength of GBs estimated in the atomic scale is used for the estimation of strength or crack propagation in the macroscopic scale. However the modeling between the atomic and the macroscopic scales is not clear. In particular, the validity of the model using the elastic continuum around nano-cracks for stress concentration at the crack tip is not clear. Thus, we examined the difference of the stress distribution around the nano-crack which was estimated by molecular dynamics and by a continuum calculation. As a result, the discrepancy became remarkable at high strain. The stress concentration was not simulated by the elastic continuum model.