Hydrogen behavior in primary precipitate of F82H steel; Atomistic calculation based on the density functional theory

F82H鋼における主要析出物中の水素の挙動; 密度汎関数理論に基づいた原子シミュレーション

渡辺 淑之; 岩切 宏友*; 村吉 範彦*; 加藤 太治*; 谷川 博康

Watanabe, Yoshiyuki; Iwakiri, Hirotomo*; Murayoshi, Norihiko*; Kato, Daiji*; Tanigawa, Hiroyasu

材料中の水素は、格子欠陥(転位,欠陥集合体,析出物,粒界など)と強く相互作用して材料の特性・形状変化を促進させることが懸念されているが、そのメカニズムについてはいまだ十分に明らかになっていない。本発表の内容は、F82H鋼の主要析出物であるクロム炭化物(CrC)を対象とし、同炭化物中の水素の存在状態を電子論的に評価した内容をまとめたものである。解析より、同炭化物中の水素原子の安定構造はCrに囲まれた三方両錐体中心位置であり、各原子の電荷に起因した構造であることを明らかにした。また、算出された水素の形成エネルギーは-0.48eV(発熱型反応)であった。ここで、純鉄中の水素原子の形成エネルギーが+0.25eV(吸熱型反応)であることから、F82H鋼中において水素原子は、Feベースの母相よりもCrCベースの析出物に捕獲されている方がよりエネルギー的に有利である可能性が示唆された。これらの知見は、照射下材料の水素効果を予測するための要素技術開発に重要となる。

In this paper, formation energy of isolated hydrogen atom in CrC has been theoretically investigated with atomistic calculation based on the density functional theory. The lowest calculated formation energy of a hydrogen atom is -0.48 eV with a trigonal bipyramidal configuration surrounded by five regular Cr lattice atoms. A comparison of the formation energy of hydrogen atom in bcc-iron may indicate that hydrogen atoms in F82H steel are more energetically favorable in CrC-based precipitate rather than Fe-based matrix, leading to an increase of the tritium retention in the precipitate.