Intergranular decohesion induced by mobile hydrogen in iron with and without segregated carbon; First-principles calculations

炭素偏析を伴う鉄粒界におけるモバイル水素による粒界凝集エネルギー低下; 第一原理計算

山口 正剛   ; 亀田 純*

Yamaguchi, Masatake; Kameda, Jun*

第一原理計算により溶質元素の粒界偏析による鉄の粒界脆化について調べた結果を報告する。鉄の結晶粒界に、リン、スズ、アンチモンなどの脆化元素が偏析すると粒界の凝集エネルギーが低下するが、実際、第一原理計算から、粒界偏析量が増えるとともに粒界凝集エネルギーが減少していくことがわかった。この結果は、中強度Ni-Cr鋼において見られているミクロな破壊靭性の低下をよく説明し、これらの脆化は、き裂進展の前後では動かない元素、すなわちインモバイル元素による粒界脆化であることが分かる。その一方、水素の場合には、破壊が生じる室温においても、き裂進展中に動くことによる脆化効果の促進があると考えられる。このモバイル効果については、粒界と破壊面における水素のケミカルポテンシャルが一定という条件からその効果を見積り、鉄粒界においては、水素のモバイル効果が大きくなり、実験的に見られる激しい粒界水素脆性をよく説明できる結果を得た。

Atomistic mechanisms of grain boundary (GB) decohesion of iron by solute (P, Sn, Sb, H) segregation are investigated from first-principles calculations. The calculated GB cohesive energy, which is the energy difference between two fracture surfaces and GB, is shown to decrease with increasing the segregation coverage of P, Sn, Sb, H. Furthermore, Hydrogen-induced GB decohesion is shown to be enhanced by the mobility of hydrogen during crack propagation.