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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

A Numerical study on the validity of the local equilibrium hypothesis in modeling hydrogen thermal desorption spectra

海老原 健一; 蕪木 英雄; 鈴土 知明; 高井 健一*

ISIJ International, 49(12), p.1907 - 1913, 2009/12

 被引用回数:20 パーセンタイル:26.62(Metallurgy & Metallurgical Engineering)

水素熱放出スペクトルを解析する異なる数値モデルについて、モデルにおける局所平衡仮説の採用に注目し、系統的なベンチマーク研究を行った。この結果、局所平衡仮説を取り入れたモデルは、実験で得られる純鉄の薄い試料片の水素熱放出スペクトルの振る舞いを予測することができず、拡張した質量保存方程式の直接数値解法が、唯一予測可能な方法であることが明らかとなった。

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

水素脆化の表面エネルギー低下説; 第一原理計算による研究

山口 正剛; 海老原 健一; 鈴土 知明; 板倉 充洋; 蕪木 英雄

日本機械学会第21回計算力学講演会論文集(CD-ROM), p.35 - 36, 2008/11

鉄の$$Sigma$$3(111)粒界に対する第一原理計算を行い、粒界強度の指標である粒界凝集エネルギーが水素の粒界偏析によってどの程度低下するのかを調べた。その結果、水素は表面エネルギーを低下させる効果が大きいため高濃度に偏析すれば粒界凝集エネルギーを最大で30$$sim$$70%低下させることがわかった。この結果から、水素によって粒界脆性破壊が生じる場合に限れば、現在では可能性が低いとされている「き裂表面エネルギー低下説」が逆に有望であると考えられる。

論文

純鉄及び共析鋼の昇温脱離分析による水素放出プロファイルのモデリング

海老原 健一; 鈴土 知明; 蕪木 英雄; 高井 健一*; 竹林 重人*

鉄と鋼, 94(11), p.62 - 71, 2008/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:63.94(Metallurgy & Metallurgical Engineering)

昇温脱離分析(TDA)によって得られた純鉄と共析鋼の水素放出プロファイルをシミュレーションする数値モデルを開発した。なお、このモデルでは拡散項を除いたMcNabbとFosterの方程式とOrianiの局所平衡仮説を用いている。また、数値モデルでは、純鉄と共析鋼に対する実験結果から推定した水素の捕獲サイト濃度を用い、水素放出プロファイルをうまく再現することがわかった。また捕獲サイト濃度と水素拡散の効果についてモデルを検証した。

口頭

結晶粒界に対する水素放出ピークの分離シミュレーション

海老原 健一; 山口 正剛; 鈴土 知明; 蕪木 英雄; 高井 健一*

no journal, , 

昇温脱離分析で得られる水素放出プロファイルのピークから、鉄鋼内において水素を捕獲する欠陥の種類や量を見積もることができる。われわれは、数値モデルを開発し、純鉄及び共析鋼の水素放出プロファイルを再現した。水素脆化による粒界割れ機構を調べるため、本講演では、第一原理計算で得られた粒界と水素の結合エネルギーを組み込んだ開発モデルを用いた、転位に起因する放出ピークから粒界に起因するピークを分離するシミュレーションについて発表する。

口頭

粒界凝集エネルギーの第一原理計算; 水素の脆化効果

山口 正剛; 海老原 健一; 鈴土 知明; 板倉 充洋; 蕪木 英雄

no journal, , 

鉄鋼材料の水素脆化メカニズムは長年の研究にもかかわらず未だによくわかっていない。われわれは、bcc Fe$$Sigma$$3(111)粒界の粒界凝集エネルギーが水素の偏析によってどのように変化するかを第一原理計算により調べた。その結果、水素の偏析によって粒界凝集エネルギーが顕著に低下することを見いだし、現在は可能性の低い説とされている「表面エネルギー低下説」が逆に有望であることを示した。

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

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

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.

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