Assessment of hydrogen embrittlement behavior in Al-Zn-Mg alloy through multi-modal 3D image-based simulation

マルチモーダル3次元画像ベースシミュレーションによるAl-Zn-Mg合金の水素脆化挙動の評価

藤原 比呂*; 戸田 裕之*; 海老原 健一   ; 小林 正和*; 眞山 剛*; 平山 恭介*; 清水 一行*; 竹内 晃久*; 上椙 真之*

Fujihara, Hiro*; Toda, Hiroyuki*; Ebihara, Kenichi; Kobayashi, Masakazu*; Mayama, Tsuyoshi*; Hirayama, Kyosuke*; Shimizu, Kazuyuki*; Takeuchi, Akihisa*; Uesugi, Masayuki*

高強度化したアルミ合金において水素脆化は、理解し解決すべき問題である。アルミ合金において、水素が析出物界面に蓄積し脆化の原因となっていると考えられている。しかし、き裂付近の水素分布と応力場の局所的な相互作用について、空間的な複雑さを考慮した定量的な知見は明らかでない。本研究では、結晶塑性有限要素法と水素拡散解析を組み合わせたマルチモーダル3次元画像ベースシミュレーションを用い、実際のき裂近傍の応力分布と、それが水素分布に及ぼす影響およびき裂発生確率に及ぼす影響を捉えることを試みた。その結果、粒界き裂は、その先端近傍の水素蓄積により、MgZn析出物の半整合界面の凝集エネルギーが低下した領域で擬へき開き裂に遷移することが分かった。この結果は、本シミュレーション手法がナノスケールの剥離とマクロスケールの脆性破壊の橋渡しに成功したことを示すものと考える。

Hydrogen(H) embrittlement in high-strength aluminum(Al) alloys is a crucial problem. H accumulation at the interface of precipitates in Al alloy is considered to cause embrittlement. However, there is no quantitative knowledge regarding the interaction between H distribution and stress field near cracks. In this study, using a multi-modal three-dimensional image-based simulation combining the crystal plasticity finite element method and H diffusion analysis, we tried to capture the stress distribution near the crack, its influence on the H distribution, and the probability of crack initiation in the experimental condition. As a result, it was found that grain boundary cracks transition to quasi-cleavage cracks in the region where the cohesive energy of the semi-coherent interface of MgZn precipitates decreases due to H accumulation near the tip. We believe the present simulation method successfully bridges nanoscale delamination and macroscale brittle fracture.