高力アルミニウム合金の局所的な水素脆化発生条件の解明

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本研究では，局所的な水素の濃化により発生すると考えられる水素脆化の発生基準を水素濃度の観点から明らかにすることを目的としている。水素脆化挙動と局所的な水素濃度分布との関係を評価するため，結晶塑性有限要素解析（CPFEM）と水素拡散シミュレーションを組み合わせたマルチモーダル解析を実施した。その際，試験に用いた試料から作製した3次元（3D）イメージベース多結晶モデルを用いた。加えて，同一試料の破壊挙動をX線トモグラフィーによりその場観察し，水素脆性亀裂の発生点と進展経路を特定した。イメージベースシミュレーションの結果を破壊挙動と直接比較することで，水素脆化挙動に対する水素濃化挙動の影響を評価した。3Dイメージベースモデルを用い，負荷中の亀裂先端での応力分布および水素の濃化挙動を解析したところ，負荷を10分保持した際，亀裂先端で無負荷時に比べ最大5倍程度水素が濃化することが明らかとなった。3D水素濃度分布および変形によるトラップサイト密度の変化を考慮し，各トラップサイトへの水素分配挙動を3D解析したところ，亀裂先端付近で水素が濃化することで，擬へき開破壊の起点と考えられるMgZn2析出物／アルミニウム界面に分配される水素濃度が最大2倍濃化することを明らかにした。擬へき開亀裂は，MgZn2析出物界面の水素占有率が0.6以上と高く，界面凝集エネルギーが初期に比べ60％以上低下した領域を進展した。そして，水素により界面凝集エネルギーが低下した状態で，その界面に対し垂直な応力が作用することでMgZn2析出物界面が剥離し，これらが連結することで擬へき開亀裂が発生するものと考察した。以上のことから，水素濃化領域でのMgZn2析出物界面への水素分配が，水素脆化の発生の主要因であることが明らかとなった。