応力勾配下での水素拡散に関する基礎的研究

水素をエネルギー源として利用するには,金属材料の強度信頼性確保が課題である.水素による金属材料強度の劣化(いわゆる水素脆化)は,1金属中への水素侵入,2破壊起点(き裂,格子欠陥)への水素の拡散・凝集,3水素による材料強度低下の3つのプロセスが考えられる.水素脆化を予測し未然に防ぐ為には,破壊起点への水素の拡散・凝集を高精度に予測する手法構築が重要である.金属中の水素拡散は濃度勾配と応力(静水圧)勾配を駆動力とした拡散方程式で表される.水素拡散シミュレータ等では濃度勾配項と応力勾配項に乗じる重み係数を無視した線形結合による一次近似拡散方程式を基礎式としており,高精度な拡散方程式の構築による解析結果の定量性向上が期待されている.本研究では,応力勾配の影響を適切に評価した拡散方程式の構築を目指した基礎的研究を行った.本年度は,まず大規模並列分子動力学シミュレータ(LAMMPS)を用いてα鉄完全結晶中の水素拡散係数を導出し,得られた結果が文献値と良く一致することを確認した.さらに,解析モデルに応力(静水圧)勾配を設けた解析モデルを作成し,見かけの水素拡散係数を算出した.本解析結果から,見かけの拡散係数は完全結晶中と一致しないことが示唆された.見かけの拡散係数に影響を及ぼす要因として(1)等方的格子ひずみ(2)水素原子に作用する外力の二つの要因を考え,それぞれの影響を評価した結果,(2)の影響はほとんどないことがわかった.

水素をエネルギー源として利用するには,金属材料の強度信頼性確保が課題である.水素による金属材料強度の劣化(いわゆる水素脆化)は,1金属中への水素侵入,2破壊起点(き裂,格子欠陥)への水素の拡散・凝集,3水素による材料強度低下の3つのプロセスが考えられる.水素脆化を予測し未然に防ぐ為には,破壊起点への水素の拡散・凝集を高精度に予測する手法構築が重要である.金属中の水素拡散は濃度勾配と応力(静水圧)勾配を駆動力とした拡散方程式で表される.水素拡散シミュレータ等では濃度勾配項と応力勾配項に乗じる重み係数を無視した線形結合による一次近似拡散方程式を基礎式としており,高精度な拡散方程式の構築による解析結果の定量性向上が期待されている.本研究では,応力勾配の影響を適切に評価した拡散方程式の構築を目指した基礎的研究を行った.本年度は,まず大規模並列分子動力学シミュレータ(LAMMPS)を用いてα鉄完全結晶中の水素拡散係数を導出し,得られた結果が文献値と良く一致することを確認した.さらに,解析モデルに応力(静水圧)勾配を設けた解析モデルを作成し,見かけの水素拡散係数を算出した.本解析結果から,見かけの拡散係数は完全結晶中と一致しないことが示唆された.見かけの拡散係数に影響を及ぼす要因として(1)等方的格子ひずみ(2)水素原子に作用する外力の二つの要因を考え,それぞれの影響を評価した結果,(2)の影響はほとんどないことがわかった.