Multiscale thermodynamic analysis on fracture toughness loss induced by solute segregation in steel

溶質元素の粒界偏析による鉄鋼の破壊靭性値低下におけるマルチスケール熱力学解析

山口 正剛   ; 亀田 純*

Yamaguchi, Masatake; Kameda, Jun*

合金鋼においては、半金属溶質元素の粒界偏析によって大幅な破壊靭性値()低下が引き起こされる。しかし、そのメカニズムはマルチスケールな観点からは解明されていない。われわれは第一原理計算を用いた熱力学的アプローチにより、破壊表面においてエネルギー的に安定化する偏析元素ほど理想破壊仕事()すなわち粒界と破壊表面におけるエネルギー差を線形に減少させることを示す。さらに、第一原理計算と破壊靱性試験を結合させた解析により、わずか0.1-0.2J/m程度のの低下が、数桁大きいエネルギー低下に相当する低下をもたらすことを発見した。つまりこれらの結果は、鉄鋼の粒界にはあるしきい値となる原子間凝集エネルギーが存在しそのしきい値以下では破滅的な破壊が生じる、ということを示している。われわれの新しいアプローチは、侵食環境において使用される金属の粒界強化元素を探索するのに有効である。

A significant loss of fracture toughness () is induced by intergranular (grain boundary; GB) segregation of metalloid solute in alloy steels. Yet, the mechanism has not been clarified from a multiscale point of view. From a thermodynamic approach aided by first-principles calculations, we show here that segregated solute with higher energetic stability on fracture surfaces causes a larger linear reduction in the ideal work to intergranular fracture (); i.e., the energy difference between a GB and its two fracture surfaces. Remarkably, the combined analysis with first-principles calculations and fracture mechanics experiments found several orders of magnitude more energy loss in for a specific range in the within only a few tenths of J/m. These results illustrate that the GB of steel has the threshold energy of atomic cohesion under which catastrophic failure occurs.