Mobile effect of hydrogen on intergranular decohesion of iron; First-principles calculations

鉄粒界の凝集エネルギー低下における水素のモバイル効果; 第一原理計算

山口 正剛   ; 亀田 純*; 海老原 健一   ; 板倉 充洋  ; 蕪木 英雄

Yamaguchi, Masatake; Kameda, Jun*; Ebihara, Kenichi; Itakura, Mitsuhiro; Kaburaki, Hideo

鉄の体心立方構造3(111)対称傾角粒界に沿って生じる粒界水素脆性の原子論的メカニズムを、第一原理計算により調べた。粒界脆性が生じるときの水素のモバイル(動く)効果とインモバイル(動かない)効果について調べるため、粒界と破壊表面における水素の偏析エネルギーの被覆率依存性を、水素原子間の反発相互作用を取り入れたマクリーン式の一般化を通して調べた。その結果、両者の効果が働くことによって最大で70-80%もの非常に大きな粒界凝集エネルギー低下が生じることがわかり、それは10原子分率という非常に低い水素濃度でも生じることがわかった。これは、インモバイル効果のみによる粒界凝集エネルギー低下が最大でも10-20%であることと対照的である。鉄における水素のモバイル効果は、非常に大きな粒界凝集エネルギー低下をもたらし、粒界水素脆性を支配する重要な要素の一つと考えられる。

Atomistic mechanisms of hydrogen-induced cracking along a bcc Fe symmetrical tilt grain boundary (GB) have been studied by first-principles calculations. The mobile and immobile effects of hydrogen on the GB decohesion are analyzed by calculating the dependence of hydrogen segregation energy on the coverage relevant to the repulsive interaction among segregated hydrogen atoms at the GB and on its fracture surfaces, together with generalizing McLean's formula. It was found that the segregation of combined mobile and immobile hydrogen atoms from the bulk and/or GB on the fracture surfaces causes much stronger reduction (70-80%) in the GB cohesive energy. It can occur even at a very low bulk hydrogen content of about 10 atomic fraction during slow cracking. This is in contrast with only 10-20% decohesion induced by immobile hydrogen at much higher hydrogen content during fast cracking.