Evaluation of local stress and local hydrogen concentration at grain boundary using three-dimensional polycrystalline model

三次元多結晶体モデルを用いた粒界における局所応力・局所水素濃度の評価

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

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

鉄鋼材料の水素脆化を説明するモデルとして、鉄鋼中の粒界に水素が偏析し粒界強度が低下するとした粒界剥離モデルが提唱されているが、このモデルの妥当性を検証するためには、実際の引張試験条件下において、粒界での応力と水素濃度を評価する必要がある。そこで、本研究では三次元多結晶体モデルを用い、その粒界において応力及び水素濃度の評価を行った。なお、多結晶は、乱数を用いたボロノイ分割により生成し、各粒には異なる結晶方向を与えた。また、計算の境界条件としては、引張試験条件の下で、切欠き付き丸棒試料モデルにおいて計算した結果から切り抜いたデータを用いた。得られた粒界応力の評価結果によると、評価した応力は評価した水素量の条件下で第一原理計算により見積もられた破断応力には達せず、結晶の異方性のみによる応力集中では粒界剥離は起こらないと考えられ、他の要因を考察する必要があることが明らかとなった。

The decohesion model in which hydrogen segregating at grain boundaries reduces their strength is considered to explain hydrogen embrittlement of steels. Therefore in order to understand hydrogen embrittlement from this model, stress and hydrogen concentration at grain boundaries need be evaluated under the fracture condition for tensile test specimens. From this consideration, we evaluated the stress and the hydrogen concentration at grain boundaries in the three-dimensional polycrystalline model which was generated by Voronoi tessellation. The different crystallographic orientation was given to each grain. Extracted data from the calculation in the notched round-bar specimen model under the tensile test condition was given to the polycrystalline model as the boundary condition. As a result, it was found that the valuated stress does not reach the fracture stress which was estimated under the condition of the evaluated hydrogen concentration by first principles calculation.