Multi-modal 3D image-based simulation of hydrogen embrittlement crack initiation in Al-Zn-Mg alloy

Al-Zn-Mg合金における水素脆化発生挙動のマルチモーダル3Dイメージベース解析

比嘉 良太*; 藤原 比呂*; 戸田 裕之*; 小林 正和*; 海老原 健一   ; 竹内 晃久*

Higa, Ryota*; Fujihara, Hiro*; Toda, Hiroyuki*; Kobayashi, Masakazu*; Ebihara, Kenichi; Takeuchi, Akihisa*

Al-Zn-Mg合金では、水素(H)によって機械的特性が著しく劣化することから、そのような合金の強度を向上させるためには、水素脆化(HE)と呼ばれるこの現象を抑制することが不可欠である。粒界破壊(IGF)は主にHE発生時に観察されるため、HEを抑制するためにはIGFの発生挙動を理解する必要がある。通常、応力、ひずみ、H濃度の不均一な分布は、多結晶材料におけるIGFの発生に影響を与える。本研究では、X線イメージング技術により得られた多結晶体の3次元微細構造データをもとに作成した3次元イメージベースモデルを用いた結晶塑性有限要素法とH拡散解析によるシミュレーションから、実際の破壊領域における応力、ひずみ、H濃度の分布を調べた。そして、シミュレーション結果とX線CTによる引張試験試料のその場観察を組み合わせ、実際のき裂発生挙動における応力、ひずみ、H濃度の分布を調べ、粒界き裂の発生条件を検討した。その結果、結晶塑性に起因する粒界垂直応力が粒界き裂の発生を支配することが明らかになった。一方、応力による内部Hの蓄積はき裂発生にほとんど影響しないことがわかった。

It is indispensable to suppress hydrogen embrittlement (HE) to develop the strength of the Al-Zn-Mg alloy. Because intergranular fracture (IGF) is mainly observed when HE occurs in the alloy, we need to understand the IGF initiation to suppress HE. In the present study, we investigated the stress, strain, and H concentration, which influence the IGF initiation, in actual fractured regions by simulation of a crystal plasticity finite element method and H diffusion analysis in a 3D image-based model, which was created based on 3D polycrystalline microstructure data obtained from X-ray imaging technique. Combining the simulation and in-situ observation of the tensile test sample by X-ray CT, we examined the stress, strain, and H concentration, and discussed the IG crack initiation condition. As a result, it is revealed that stress normal to grain boundary induced by crystal plasticity dominates IG crack initiation while the accumulation of H due to stress has little impact on it.