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論文

First-principles study on the grain boundary embrittlement of metals by solute segregation, 2; Metal(Fe, Al, Cu)-Hydrogen (H) systems

山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋; 門吉 朋子*; 鈴土 知明; 蕪木 英雄

Metallurgical and Materials Transactions A, 42(2), p.330 - 339, 2011/02

The microscopic mechanism of grain boundary embrittlement in metals by hydrogen trapping (segregation) has been not well understood for many years. From first-principles calculations, we show here that the calculated cohesive energy of bcc Fe $$Sigma$$3(111) and fcc Al(Cu) $$Sigma$$5(012) symmetrical tilt grain boundaries with varying the trapping density of hydrogen can be significantly reduced by hydrogen trapping; it indicates that the reduction of the cohesive energy of the grain boundary may cause the hydrogen-induced grain-boundary embrittlement in Fe, Al, and Cu, although the possibility of hydrogen trapping at grain boundary is very different among those metals. Considering the "mobile" effect of hydrogen during fracture, more hydrogen atoms coming from solid solution state can be trapped on the gradually formed two fracture surfaces in addition to the already trapped "immobile" hydrogen atoms at the grain boundary before fracture.

論文

First-principles study on the decohesion of grain boundary by hydrogen trapping in Aluminum and other metals

山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋; 門吉 朋子*; 鈴土 知明; 蕪木 英雄

Proceedings of 18th International Symposium on Processing and Fabrication of Advanced Materials (PFAM-18), p.65 - 74, 2009/12

一般的に、表面エネルギー低下説は水素脆化メカニズムとしては可能性が低いとされてきた。それは、水素がどのぐらい表面や粒界にトラップされるかがよくわかっていないことが大きな理由の一つである。そこで、われわれは第一原理計算により、鉄,アルミ,銅の粒界とその破面において水素がどのぐらいトラップされるかを調べた。その結果、粒界の凝集エネルギーが水素トラップにより大きく低下することを見いだし、表面エネルギー低下説によって水素脆化が生じる可能性が示唆される。

論文

Molecular dynamics study on the formation of stacking fault tetrahedra and unfaulting of Frank loops in FCC metals

門吉 朋子; 蕪木 英雄; 清水 大志; 君塚 肇*; 實川 資朗; Li, J.*

Acta Materialia, 55(9), p.3073 - 3080, 2007/05

 被引用回数:37 パーセンタイル:12.78(Materials Science, Multidisciplinary)

分子動力学法により、FCC金属中の積層欠陥正四面体が、不等辺六角形転位ループから形成されることを確かめた。また、格子間原子型のフランクループ及び原子空孔型のフランクループが、外部せん断応力や温度によって完全転位ループに遷移する過程を詳細に解析し、完全転位化に温度が重要な役割を果たしていることを明らかにした。

論文

ITBLを用いた並列分子動力学シミュレーション

清水 大志; 門吉 朋子; 蕪木 英雄; 山岸 信寛*; 長谷川 幸弘*; 樋口 健二

計算工学講演会論文集, 8(2), p.801 - 804, 2003/05

長時間計算が必要となるシミュレーションを分割する際の一連のリスタート処理について、ネットワーク上に分散した計算機群から利用可能な計算機を自動的に割り当てて実行する分散並列MDシミュレーション環境を構築した。約40万原子のシミュレーションでは、並列分子動力学ステンシルによるシミュレーションプログラムの可搬性とITBLの並列分散プログラム実行環境を組み合わせることにより、効率の良いシミュレーション計算の実行に非常に有効であることが確認された。

口頭

Molecular dynamics and quasi-two dimensional dislocation dynamics simulations on the hardening mechanism of FCC metals

板倉 充洋; 門吉 朋子*; 蕪木 英雄; 實川 資朗

no journal, , 

分子動力学及び準2次元転位動力学法により、FCC金属の硬化メカニズムの数値シミュレーションを実施した。本研究では、FCC金属中において発生する転位の拡張及びピンニングサイトの密度,分布,強度が材料の応力-ひずみ関係にどのように依存するかを予測するものである。ここでは、特に強い硬化をもたらす硬い粒子と刃状,らせん転位との相互作用を詳しく調べ、材料硬化の基本的メカニズムを明らかにする。

口頭

Microscopic simulations on the hardening and embrittlement of materials

蕪木 英雄; 門吉 朋子; 板倉 充洋; 山口 正剛; 鈴土 知明; 實川 資朗

no journal, , 

材料の硬化と脆化に関する微視的数値シミュレーション結果についてレビューした。主なトピックスは、第一原理計算による粒界脆化,分子動力学法による照射欠陥として典型的な空孔及び格子間原子の完全転位化の条件,分子動力学及び2次元転位動力学法による硬い粒子の転位ピンニング機構である。

口頭

Molecular dynamics and quasi-two dimensional dislocation dynamics simulations on the Orowan pinning mechanism of a mixed dislocation in FCC metals

板倉 充洋; 門吉 朋子; 蕪木 英雄

no journal, , 

FCC金属での混合転位のオロワン機構による材料硬化を評価するために分子動力学シミュレーションと擬二次元転位動力学シミュレーションを行い、結果を比較,考察した。特にこれまでシミュレーションで扱われることが少なかった転位の分裂について詳しく調べ、これが転位のピン止め強さに関して大きな影響を与えることを見いだした。また分子動力学において、混合転位が螺旋転位に近づくと、クロススリップ機構によるピン止め応力の上昇が見られた。これは二次元的な転位動力学シミュレーションでは再現できない現象であるが、そのほかの領域ではよく一致する結果を得、二次元転位動力学を材料硬化の評価に用いることができることがわかった。

口頭

Modeling of the mechanism of delayed fracture initiation

蕪木 英雄; 山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋; 門吉 朋子; 鈴土 知明

no journal, , 

金属中に水素が含まれると、その機械的性質を著しく変化させる。特に高強度鋼においては遅れ破壊を引き起こす。この水素脆化現象はほぼ100年程前から知られているが、その機構は未だに同定されていない。ここでは金属中の水素密度が高い場合に起きる粒界脆化に着目し、第一原理計算,結合領域モデル,連続体モデル等、ミクロからマクロのシミュレーションを行った結果を述べ、水素の粒界偏析により粒界における原子間結合が弱くなることにより水素脆化が発生することを示した。

口頭

Coupled simulation of grain boundary decohesion and hydrogen segregation

板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛; 門吉 朋子

no journal, , 

水素脆化による粒界割れの機構解明のために、水素の拡散及び粒界面への偏析と、それによる粒界面の引力低下を考慮した亀裂進展モデルを構築した。量子計算で求めたパラメータを使ってシミュレーションを行った結果、水素の偏析によって限界応力が約2/3に低下し、さらに遅れ破壊では応力が1/3にまで低下するという実験結果をよく再現することができた。

口頭

水素による原子レベルの粒界き裂発生に関する計算科学的研究

蕪木 英雄; 山口 正剛; 板倉 充洋; 海老原 健一; 門吉 朋子; 鈴土 知明

no journal, , 

鉄鋼の水素脆化現象の原因を特定するため、第一原理計算等の原子スケールの手法と連続体レベルのマクロ手法を結合した方法により、水素による粒界き裂進展機構を明らかにした結果について報告する。また、水素の熱脱離実験のプロファイルを解析する手法について述べ、ミクロの結果からマクロな実験プロファイルを構築した例を示す。

口頭

Hydrogen embrittlement of a grain boundary in alpha-iron; A Molecular dynamics study

門吉 朋子; 蕪木 英雄; 板倉 充洋; 山口 正剛

no journal, , 

The hydrogen embrittlement of metals in various corrosive environments has been known for over a century, however, its mechanism has not yet been precisely identified. We concentrate on studying the grain boundary embrittlement of alpha-iron in the high hydrogen density region. Molecular dynamics method is mainly employed to study the crack advancement of a simple sigma-3 grain boundary in the presence of hydrogen. A newly developed empirical potential of Fe-H is used. We present the molecular dynamics results of crack advancement in the grain boundary region as a function of hydrogen density under mode I loading condition. The atomistic results are compared with the mesoscopic cohesive zone continuum model based on the first principle results. The results indicate that hydrogen embrittlement of a grain boundary occurs due to the decohesion of a grain boundary in the presence of hydrogen atoms.

口頭

First-principles study on the decohesion of grain boundaries in metals by hydrogen trapping

山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋; 鈴土 知明; 蕪木 英雄; 門吉 朋子*

no journal, , 

第一原理計算を用いて、鉄,アルミ,銅の結晶粒界における水素のトラッピングエネルギーと凝集エネルギーの低下を計算した。鉄やアルミの粒界においては、水素がたくさんトラップされること、銅ではあまりトラップされないことがわかった。また、粒界の凝集エネルギー低下も鉄とアルミで大きく、銅では小さいことなどがわかった。

口頭

粒界凝集エネルギーの第一原理計算,2; 鉄の水素脆性

山口 正剛; 海老原 健一; 板倉 充洋; 鈴土 知明; 蕪木 英雄; 門吉 朋子*

no journal, , 

第一原理計算を用いて、鉄の結晶粒界における水素のトラッピングエネルギーと、それによる粒界凝集エネルギーの低下を計算した。鉄の粒界においては、水素がたくさんトラップされること、それによって粒界凝集エネルギーが30$$sim$$70%低下することがわかった。水素脆化のミクロなメカニズムは未だにわかっておらず、さまざまな説が提案されている。その中の一つである表面エネルギー低下説は、現在では可能性の低いものとして取り扱われているが、本研究はその表面エネルギー低下説を支持する結果を与えている。

口頭

A Molecular dynamics study on hydrogen embrittlement of a grain boundary in alpha-iron

門吉 朋子; 蕪木 英雄; 板倉 充洋; 山口 正剛

no journal, , 

The hydrogen embrittlement has been known for over a century when metals are under corrosive, welding, and irradiation conditions, however, its mechanism has not yet been precisely identified. It is empirically established that steels are susceptible to hydrogen embrittlement as the tensile strength exceeds approximately 1 GPa. In particular, it is shown in recent experiment of high strength steels that a clear crossover in fracture mode from quasi-cleavage to intergranular fracture is observed as a function of charged hydrogen bulk concentration. Here, we concentrate on studying the grain boundary embrittlement of $$alpha$$-iron in the high hydrogen concentration region. Molecular dynamics method is mainly employed to study decohesion properties of a $$Sigma$$3 grain boundary in the presence of hydrogen. A newly developed empirical potential of Fe-H is used based on the empirical Fe potential.

口頭

Molecular dynamics simulation on the grain boundary embrittlement of iron crystal

蕪木 英雄; 門吉 朋子; 板倉 充洋; 山口 正剛

no journal, , 

Many single crystal metals and intermetallics intrinsically exhibit brittle-to-ductile transition (BDT). These materials are generally brittle at low temperatures and become ductile as the temperature rises. However, the atomistic picture of the transition and embrittlement process is not precisely known. We have carried out molecular dynamics fracture simulations to show microscopic behavior of atomistic bonding and dislocations over the BDT region, with a particular emphasis on the strain rate. We have employed a system of approximately half a million iron atoms with a microcrack in the center region connecting a grain boundary or a cleavage plane. We have found from the molecular dynamics results using the system of one grain boundary with a microcrack that a clear BDT occurs in the higher temperature region of approximately 1000K.

口頭

Brittle to ductile transition in the fracture process of an $$alpha$$-iron single crystal containing a grain boundary; Molecular dynamics simulation

蕪木 英雄; 門吉 朋子; 板倉 充洋; 山口 正剛

no journal, , 

多くの単結晶は、温度,ひずみ速度の変化により脆性-延性遷移を示す。すなわち、これらの物質は低温や高いひずみ速度下で脆性を示し、温度の上昇やひずみ速度の低下により延性を示すようになる。この遷移現象の微視的機構は明らかになっておらず、物質中の粒界,転位,微小き裂の存在が大きく影響することが実験結果から予測されている。ここでは分子動力学法により、鉄の破壊現象における脆性-延性遷移の微視的機構を明らかにするため、温度,ひずみ速度を従来の計算より幅広く変化させた結果を示す。その結果、原子論的手法による計算では遷移温度が高温側へ移動していることが明らかになった。

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