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金属への水素透過機構に関する計算科学アプローチ

Computational approach for mechanisms of hydrogen absorption into metal

五十嵐 誉廣 ; 大谷 恭平  ; 上野 文義  

Igarashi, Takahiro; Otani, Kyohei; Ueno, Fumiyoshi

水素脆化は鋼材中に侵入した水素によって鋼材の強度が低下することによって引き起こされる現象である。水素侵入挙動に関してこれまでに多くの研究がなされているが、その詳細なメカニズムは未だ完全に理解されていない。本研究では水溶液中カチオンが鉄への水素侵入経路を阻害する因子であると仮定し、鉄表面に各種金属カチオンが吸着したときの吸着電位について溶液近似第一原理計算手法を用いて解析を行い、金属カチオンの存在が水素吸着に与える影響について議論を行った。解析の結果、各種カチオン吸着電位はNa, Mg, Zn, Alの順に大きいことがわかった。これより、水素侵入抑制能はNa, Mg, Zn, Alの順に大きくなることが示唆された。また状態密度解析の結果、カチオン吸着電位はカチオンとFeとの結合性混成軌道生成の有無と関係していることが示唆された。

Hydrogen embrittlement is one of cause of decrease in the strength of steel due to hydrogen into steel. Although much research has been conducted on the hydrogen embrittlement, the detailed mechanism has not been surely understood yet. In this study, first we assumed that cations in aqueous solution inhibit the hydrogen penetration path to iron, adsorption potential of each metal cation on iron surface were analyzed by first principle calculation with solution approximation. As a result, various cation adsorption potentials were larger in order of Na, Mg, Zn and Al. It was suggested that inhibition ability of hydrogen permeation improves in the order of Na, Mg, Zn and Al. By density of state analysis, it was suggested that the adsorption potential of cation was related to the presence of the combined hybrid orbital generation between cation and Fe.

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