First-principles study on the decohesion of grain boundary by hydrogen trapping in Aluminum and other metals

アルミニウムやその他の金属における水素トラップによる粒界脆化の第一原理計算による研究

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

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

一般的に、表面エネルギー低下説は水素脆化メカニズムとしては可能性が低いとされてきた。それは、水素がどのぐらい表面や粒界にトラップされるかがよくわかっていないことが大きな理由の一つである。そこで、われわれは第一原理計算により、鉄,アルミ,銅の粒界とその破面において水素がどのぐらいトラップされるかを調べた。その結果、粒界の凝集エネルギーが水素トラップにより大きく低下することを見いだし、表面エネルギー低下説によって水素脆化が生じる可能性が示唆される。

Generally speaking, the reduction of surface energy by hydrogen trapping is not considered as a key factor in the mechanism of hydrogen embrittlement of metals. This is because it is not known how much hydrogen atoms can be trapped at grain boundaries of metals and how much the cohesive energy (work of fracture) of the grain boundary can be reduced by the hydrogen trapping. From first-principles, we calculated the cohesive energy of bcc Fe 3(111) and fcc Al(Cu) 5(012) symmetrical tilt grain boundaries with varying the trapping density of hydrogen. We found that the cohesive energy of Fe, Al and Cu grain boundaries can be significantly reduced by the hydrogen trapping; it indicates that the reduction of surface energy can cause the hydrogen embrittlement in all Fe, Al, and Cu grain boundaries.