Evaluation of stress and hydrogen concentration at grain boundary of steels 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応力及び水素濃度の評価

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 cohesive energy is considered to explain hydrogen embrittlement. In order to verify the decohesion model, it is necessary to evaluate stress and hydrogen concentration at grain boundaries under experimental conditions. Thus, we calculated the stress and the hydrogen concentration at grain boundaries in the 3-dimensional polycrystalline model generated by the random Voronoi tessellation. The crystallographic anisotropy was given to each grain as a characteristic. As the boundary conditions, data extracted from the results calculated in the notched round-bar specimen model under the tensile test condition was given to the polycrystalline model. As a result, it was found that the evaluated stress does not reach the fracture stress estimated by first-principles calculations. Therefore, it was considered that the initiation of grain boundary fracture needs some factors except the crystallographic anisotropy.