成果報告書詳細
管理番号20110000000534
タイトル平成22年度成果報告書 水素先端科学基礎研究事業 水素先端科学基礎研究
公開日2011/7/28
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人京都大学
プロジェクト番号P06026
部署名新エネルギー部
和文要約本研究の最終目的は,このような分子動力学解析に用いることができる分子動力学シミュレータを開発し,それに適切な原子間ポテンシャルを用いることにより,鉄中に水素が存在する場合に鉄の材料強度に及ぼす影響(水素脆化)とそのメカニズムを明らかにすることである.平成22年度に得られた成果は下記の通りである.
(1)フェーズフィールド法を用いて,オーステナイト系ステンレス鋼SUS304中の鈍化き裂先端近傍でのマルテンサイト変態と水素拡散の解析を行った.その結果,マルテンサイト相の存在によって,マルテンサイト相内部の水素濃度が高くなることがわかった.
(2)第一原理計算を用いてAl/Si界面,Al/Mg2Si界面の界面剥離エネルギー,溶解熱,水素トラップエネルギー,水素占有率,見かけの界面剥離エネルギーを求めた.Al/Si界面はトラップエネルギーが大きいため水素占有率が高く,界面剥離エネルギーは水素の影響で大きく低下するが,Al/Mg2Si界面はトラップエネルギーが小さいため水素占有率が小さく,界面剥離エネルギーは水素の影響をほとんど受けないことがわかった.
(3)第一原理計算を用いて,水素ガス環境下におけるbcc鉄の<110>対称傾角粒界近傍の水素濃度を求め,粒界凝集エネルギーに及ぼす水素の影響を評価した.高圧水素ガス環境(T = 300 K,p = 70 MPa)では,粒界凝集エネルギーの減少率は約25 %であることがわかった.
(4)H21年度とH22年度の結果を整理して,bcc鉄と純アルミニウムについて各種欠陥と水素の相互作用に関するデータベースを作成した.
(5)原子シミュレーションによって得られた単独転位の運動速度-応力関係と,転位射出応力拡大係数を用いて転位動力学解析を実施し,き裂まわりの転位群の挙動を明らかにした.その結果,水素濃度が低い場合には,広範囲で軟化が支配的であるが,負荷応力拡大係数速度が大きくなるとき裂先端では局所的に硬化が生じる.また,水素濃度が高い場合には,硬化のみが生じることが示された.
(6)第一原理計算に基づき,高圧水素ガス環境におけるAl中への水素固溶量を実験値を用いずに数値計算のみから算出することに成功した.得られた結果は実験結果と定量的に一致することが示され,本手法の有意性および汎用性が示された.
(7)パイルアップ転位先端からのき裂生成シミュレーションを行い,粒界はく離によるき裂進展が確認された.次に,パイルアップ転位先端の応力場がき裂と等価のr-1/2の特異性をもつことを確認し,応力拡大係数の算出を行なった.き裂生成時の応力拡大係数より求められるエネルギー解放率を,粒界がもつ表面エネルギーから得られるエネルギー解放率と比較すると,非常に近い値が得られた.したがって,パイルアップ転位による界面からのき裂生成の条件は,一般的なき裂の進展条件と同様であると考えられる.
英文要約Title:Fundamental Research on Advanced Hydrogen Science Report of Fiscal year 2010
The final objectives of the present research project are to develop a molecular dynamics simulator, and to clarify the effect of hydrogen on the mechanical strength of iron and its mechanism by using the molecular dynamics simulator. The targets in the fifth year of this research project (fiscal year 2010) are as follows:
(1) We performed the martensitic transformation and hydrogen diffusion analysis around a crack tip within austenitic stainless steel (SUS304) using the phase field method. It is found that the hydrogen concentration within the martensite phase becomes high compared with that of austenite phase.
(2) We evaluated the properties of Al/Si interface and Al/Mg2Si interfaces; i.e. cohesive energy, heat of solution, hydrogen-trap energy, and hydrogen occupancy. Then, the cohesive energies of the interface in the presence of hydrogen were evaluated. Since the hydrogen trap energy at the Al/Si interface is strong, therefore the hydrogen occupancy becomes high and results in the great reduction of the cohesive energy in the presence of hydrogen. In contrast, Al/Mg2Si interface shows the lower hydrogen occupancy, and hydrogen does not affect the cohesive energy of the interface.
(3) The hydrogen concentration and grain boundary cohesive energy around the <110> symmetrical tilt grain boundaries (GBs) in bcc Fe under hydrogen gaseous condition was estimated by using the density functional theory. The reduction of the GB cohesive energy is 25 % under high pressure hydrogen gaseous conditions(T = 300 K,p = 70 MPa).
(4) We mde a database for the interaction between various defects in bcc Fe and pure Al and hydrogen based on the results obtained from the rearches performed in 2009 and 2010 fisical years.
(5) We performed dislocation mechanics calculation using the relationship between dislocation velocity and applied stress obtained by atomistic simulations, and we obtained the dislocations distribution around a crack. The results show that the softening is dominant at lower hydrogen concentration with lower applied stress intensity factor rate, and local hardening near a crack tip occurs with higher applied stress intensity factor rate. Moreover, only hardening occurs at higher hydrogen concentration conditions.
(6) We succeded in estimating the hydrogen concentration within Al lattice under a high-pressure hydrogen gaseous condition based on the density functional theory without using experimental data. Calculated results show the good agreement with the experimental data, and the advantage of this methodology is also confirmed.
(7) We conducted a crack initiation simulation at the grain boundary with stress concentrations of pile-up dislocations using large-scale molecular dynamics. We confirmed the stress singularity at the grain boundary with piled-up dislocations shows the same singularity of a crack, and the stress intensity factor was also evaluated. Moreover, the energy release rate was obtained using this stress intensity factor. On the other hand, the energy release rate was also obtained using the surface energy of the grain boundary. These energy release rates are in good agreement with each other, thus the crack initiation at the grain boundary due to the dislocation pile-up is considered to same as that of a general crack growth problem.
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