計算科学手法を用いた空孔型欠陥の定量的評価に基づく水素脆化モデルの検証

鉄鋼材料の遅れ破壊は水素脆化が原因と考えられており、その機構の理解に基づく脆化予測・予防が望まれている。水素脆化機構の１つとして、水素とひずみで生成された空孔や空孔クラスターの空孔型欠陥そのものを要因と考える水素助長ひずみ誘起空孔（HESIV）モデルが、実験事実に基づき提案されている。しかし、その具体的な素過程は明確でなく、実験による定量的評価も困難である。本研究では、HESIV モデルの検証のため、原子レベルの計算科学的手法で評価したパラメータを用い、空孔型欠陥の挙動及びその水素トラップ挙動を考慮した反応拡散方程式で水素昇温脱曲線をシミュレーションし、水素脆化条件下で生成される空孔型欠陥のサイズ分布の評価を試みる。さらに空孔型欠陥のき裂への影響を原子レベルで解析し、脆化を生じさせる空孔型欠陥のサイズの評価を目指す。本年度は、これまで開発した水素昇温脱離スペクトルの計算コードの妥当性を見るため、既に報告されている水素の存在を考慮した空孔生成過程のシミュレーションを、同計算コードによって実施した。計算では、DFTを用いて新たに評価した空孔拡散係数及び空孔クラスターからの空孔解離エネルギーを用いた。結果として、空孔型欠陥の水素トラップ・デトラップの速度定数及び空孔移動が始まるトラップ水素量を適切に選ぶことで、既報のシミュレーション結果とほぼ同様の結果を得られることが分かった。また、機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学によるα鉄における粒内割れシミュレーションにおいて、直線状のき裂とコイン形状のき裂の進展の様子を比較することで、エネルギー的に若干割れにくい{100}面での割れが、より割れやすい{110}面より実験において多く観測される理由が、き裂先端の自然な乱れのためであることが明らかとなった。

鉄鋼材料の遅れ破壊は水素脆化が原因と考えられており、その機構の理解に基づく脆化予測・予防が望まれている。水素脆化機構の１つとして、水素とひずみで生成された空孔や空孔クラスターの空孔型欠陥そのものを要因と考える水素助長ひずみ誘起空孔（HESIV）モデルが、実験事実に基づき提案されている。しかし、その具体的な素過程は明確でなく、実験による定量的評価も困難である。本研究では、HESIV モデルの検証のため、原子レベルの計算科学的手法で評価したパラメータを用い、空孔型欠陥の挙動及びその水素トラップ挙動を考慮した反応拡散方程式で水素昇温脱曲線をシミュレーションし、水素脆化条件下で生成される空孔型欠陥のサイズ分布の評価を試みる。さらに空孔型欠陥のき裂への影響を原子レベルで解析し、脆化を生じさせる空孔型欠陥のサイズの評価を目指す。本年度は、これまで開発した水素昇温脱離スペクトルの計算コードの妥当性を見るため、既に報告されている水素の存在を考慮した空孔生成過程のシミュレーションを、同計算コードによって実施した。計算では、DFTを用いて新たに評価した空孔拡散係数及び空孔クラスターからの空孔解離エネルギーを用いた。結果として、空孔型欠陥の水素トラップ・デトラップの速度定数及び空孔移動が始まるトラップ水素量を適切に選ぶことで、既報のシミュレーション結果とほぼ同様の結果を得られることが分かった。また、機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学によるα鉄における粒内割れシミュレーションにおいて、直線状のき裂とコイン形状のき裂の進展の様子を比較することで、エネルギー的に若干割れにくい{100}面での割れが、より割れやすい{110}面より実験において多く観測される理由が、き裂先端の自然な乱れのためであることが明らかとなった。