粒界凝集エネルギーの第一原理計算,2; 鉄の水素脆性

First-principles calculations of grain boundary cohesive energy, 2; Hydrogen embrittlement of iron

山口 正剛   ; 海老原 健一   ; 板倉 充洋  ; 鈴土 知明   ; 蕪木 英雄; 門吉 朋子*

Yamaguchi, Masatake; Ebihara, Kenichi; Itakura, Mitsuhiro; Suzudo, Tomoaki; Kaburaki, Hideo; Kadoyoshi, Tomoko*

第一原理計算を用いて、鉄の結晶粒界における水素のトラッピングエネルギーと、それによる粒界凝集エネルギーの低下を計算した。鉄の粒界においては、水素がたくさんトラップされること、それによって粒界凝集エネルギーが3070%低下することがわかった。水素脆化のミクロなメカニズムは未だにわかっておらず、さまざまな説が提案されている。その中の一つである表面エネルギー低下説は、現在では可能性の低いものとして取り扱われているが、本研究はその表面エネルギー低下説を支持する結果を与えている。

It is not known in detail how much hydrogen atoms can be trapped in grain boundaries of metals and how much the cohesive energy (work of fracture) of grain boundary is decreased by the hydrogen trapping. From first-principles, we calculated the trapping energy of hydrogen atoms in bcc Fe Sigma 3 (111) symmetrical tilt grain boundaries and on the fracture surfaces with varying the trapping density of hydrogen. We find that hydrogen atoms can be trapped up to a high concentration in the grain boundaries and on the fracture surfaces for Fe. We also find that the trapping energy on the surface is significantly larger than that in the grain boundary. The cohesive energy of the grain boundary is decreased by hydrogen trapping by about 30% at most. Moreover, the cohesive energy can be decreased by about 70% at most if hydrogen in solid solution state moves quickly and then adsorbs onto the newly generated fracture surfaces.