Hydrogen-accelerated cleavage in high strength aluminium alloys

高強度アルミニウム合金における水素誘起破壊

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

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

鉄やチタンと異なりアルミニウムは熱処理で他の相を持たないため、高強度アルミニウム合金の生成に析出物による時効強化が唯一の方法として用いられてきた。そのため、高濃度に分布した析出物は機械特性や水素脆化に重要な役割を果たす。これまで、7000番のアルミニウム合金における析出物とマトリクス界面は整合であるため、水素によるデコヒージョンの要因になると考えられていなかった。本研究では、実験と理論、および第一原理計算を連携することで、欠陥にトラップされる水素分配を理論的に予測することに成功した。さらに、アルミニウム合金で観察される擬へき開破壊のメカニズムについて、析出物界面にトラップされた水素は占有率が上昇しても安定にトラップし続け、自発的に破壊することがその要因であることを明らかにした。

Age-hardening has been one and only process to achieve high strength aluminum alloys since unlike iron and titanium, pure aluminum does not have other solid phases during heat treatment. Highly-concentrated precipitations play therefore dominant role in mechanical properties and hydrogen embrittlement of aluminum alloys. It has been considered that the coherent interface between matrix and precipitation does not contribute to the crack initiation and embrittlement due to its coherency. Here, we discovered the origin of unprecedented quasi-cleavage fracture mode. Hydrogen partitioning at various defect sites is investigated comprehensively combined with experiment, theory and first-principles calculations. We demonstrate that despite low excess free volume, the aluminum-precipitation interface is more preferable trap site than void and grain boundary. The cohesivity of the interface deteriorates significantly with increasing occupancy while hydrogen atoms are trapped stably up to extremely high occupancy equivalent to spontaneous cleavage.