Hydrogen embrittlement in Al-Zn-Mg alloys; Semispontaneous decohesion of precipitates

Al-Zn-Mg合金の水素脆化; 析出物の半自発的剥離

清水 一行*; 戸田 裕之*; 平山 恭介*; 藤原 比呂*; 都留 智仁   ; 山口 正剛   ; 佐々木 泰祐*; 上椙 真之*; 竹内 晃久*

Shimizu, Kazuyuki*; Toda, Hiroyuki*; Hirayama, Kyosuke*; Fujihara, Hiro*; Tsuru, Tomohito; Yamaguchi, Masatake; Sasaki, Taisuke*; Uesugi, Masayuki*; Takeuchi, Akihisa*

我々の先行研究では、MgZn析出物の整合界面における複数の水素トラップが自発的な界面剥離を引き起こし、Al-Zn-Mg合金に水素誘起擬へき開割れを引き起こすことを明らかにした。本研究では、析出物の整合/半整合界面にトラップされた水素が時効を通じてMgZnの整合界面を調整し、マクロ的な水素脆化に影響を与えるメカニズムを識別するために定量的かつ体系的な調査を行った。析出物界面での水素捕捉に基づくこの水素脆化現象を調査するために、第一原理計算により半整合MgZn界面の水素捕捉エネルギーを決定した。空孔、粒界、整合および半整合MgZn界面を含むすべての水素捕捉サイトの水素分配は、過時効合金では90%を超える水素が半整合界面に隔離されていることを明らかにした。MgZn界面の固有の特性により、半整合界面に隔離された水素は界面凝集エネルギーを減少させ、Al-Zn-Mg合金で界面の半自発的剥離と擬へき開破壊を引き起こした。これらの結果は、粒界破壊は粒界に捕捉された水素によって直接誘発されるのではなく、粒界に沿った析出物界面の剥離によって引き起こされることを示唆している。

Our preceding investigation revealed that multiple hydrogen traps at coherent interfaces of MgZn precipitates initiated spontaneous interface decohesion, causing hydrogen-induced quasicleavage cracking in Al-Zn-Mg alloys. Herein, we performed a quantitative and systematic investigation to discern the mechanisms by which hydrogen trapped at coherent/semi-coherent interfaces of precipitates could influence macroscopic hydrogen embrittlement by modulating the coherent interface of MgZn through aging. To explore this hydrogen embrittlement phenomenon based on hydrogen trapping at the precipitate interface, we determined the hydrogen trapping energy of the semi-coherent MgZn interface via first-principles calculations (0.56 eV/atom). Hydrogen partitioning of all hydrogen trapping sites, including vacancies, grain boundaries, and coherent and semi-coherent MgZn interfaces, revealed that in overaged alloys, over 90% of the hydrogen was sequestered at semi-coherent interfaces. Owing to the inherent characteristics of the MgZn interface, the hydrogen sequestered at the semi-coherent interface decreased the interfacial cohesive energy, causing semispontaneous decohesion of the interface and quasicleavage fracture in the Al-Zn-Mg alloys. These results implied that intergranular fracture was not directly induced by hydrogen trapped at grain boundaries but rather by the decohesion of precipitate interfaces along grain boundaries.