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Grain boundary decohesion by impurity segregation in a nickel-sulfur system

ニッケル-硫黄系における不純物偏析による粒界脆化機構

山口 正剛   ; 志賀 基之   ; 蕪木 英雄

Yamaguchi, Masatake; Shiga, Motoyuki; Kaburaki, Hideo

硫黄が引き起こすニッケル粒界脆化のメカニズム、すなわち、なぜどのようにして硫黄はニッケルの粒界結合力を弱めるのか、ある臨界硫黄濃度を超えるとそれが発生するのはなぜか、については長い間謎に包まれていた。われわれは第一原理計算から次のような脆化メカニズムを明らかにした。まず、高密度に偏析して互いに隣り合うまでになった硫黄原子間に、硫黄原子の電子雲の重なりから生じる短距離反発力が働き、それによって大きな粒界膨張が生じる。そして、その膨張が粒界の引っ張り強度を1/10にまで劇的に低下させる、というものである。この粒界の強度低下が直接脆化を引き起こしていると考えられる。なぜなら、計算における粒界強度低下の臨界濃度と実験から算出された脆化の臨界濃度が一致したからである。

Sulfur-induced embrittlement of nickel has long been wrapped in mysteries why and how sulfur weakens the grain boundaries of nickel and why a critical intergranular sulfur concentration is required. From first-principles calculations, we found that a large grain boundary expansion is caused by a short-range overlap repulsion among densely segregated and neighboring sulfur atoms. This expansion results in a drastic grain boundary decohesion that reduces the grain boundary tensile strength by one order of magnitude. This decohesion may directly causes the embrittlement since the critical sulfur concentration of this decohesion agrees well with experimental data of the embrittlement.

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分野:Multidisciplinary Sciences

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