高強度アルミニウム合金の水素誘起自発的破壊現象の解明; 実験と計算科学からのアプローチ

Hydrogen-accelerated spontaneous microcracking in high-strength aluminium alloys; Experimental and computational approaches

都留 智仁   ; 山口 正剛   ; 板倉 充洋  ; 海老原 健一   ; 清水 一行*; Bendo, A.*; 松田 健二*; 戸田 裕之*

Tsuru, Tomohito; Yamaguchi, Masatake; Itakura, Mitsuhiro; Ebihara, Kenichi; Shimizu, Kazuyuki*; Bendo, A.*; Matsuda, Kenji*; Toda, Hiroyuki*

7000系アルミニウム合金では熱処理によってMgZn析出物が導入され、それらは強度の向上に貢献する一方、水素脆化への寄与は明らかになっていない。アルミニウム合金の擬へき開破壊の形態は、塑性変形によって助長されるのではないという特徴などから、他の材料で観察される機構とは明らかに異なっている。このことから、アルミニウム合金で観察される擬へき開破壊モードは、これまでに知られている水素挙動や破壊形態では説明できないことが示唆される。本研究では、アルミニウム合金に特有の擬へき開破壊に関連した水素脆化挙動について、実験による三次元観察技術と原子シミュレーションによって検討を行った。シンクロトロンX線イメージング,エネルギー分散型X線分析(EDS),走査型電子顕微鏡(SEM)により、水素チャージ後のアルミニウム合金中の-MgZn析出物に関する破壊形態を調査した。さらに、第一原理計算と各種実験技術を統合した熱力学モデルによって、水素分配と擬へき開破壊の関係を検討した。

Highly concentrated precipitates generated by age hardening generally play a dominant role in shaping the mechanical properties of aluminium alloys. In such precipitates, it is commonly believed that the coherent interface between the matrix and precipitate does not contribute to crack initiation and embrittlement. We report an unexpected spontaneous fracture process associated with hydrogen embrittlement. The origin of this quasi-cleavage fracture involves hydrogen partitioning, which we comprehensively investigate through experiment, theory and first-principles calculations. Despite completely coherent interface, we show that the aluminium-precipitate interface is more preferable trap site than void, dislocation and grain boundary. The cohesivity of the interface deteriorates significantly with increasing occupancy, while hydrogen atoms are stably trapped up to an extremely high occupancy over the possible trap site.