Elucidation of Fatigue Phenomena Caused by Environmental Variations through Analyses of Self-Energy Change of Lattice Defects

通过分析晶格缺陷的自能变化来阐明环境变化引起的疲劳现象

基本信息

批准号：
22K18762
负责人：
松本龍介
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Kyoto University of Advanced Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では，力学的作用による疲労現象ではなく，化学的作用による疲労現象という新しい領域を切り拓き，環境変動に曝される部材の高精度な強度信頼性予測に資することを目的とする．具体的な問題としては，水素の吸着・脱離によって繰り返し生じる転位運動や，転位の安定構造の変化と，材料損傷との関係を紐解く．研究代表者（松本）が主に実施する計算力学的なアプローチと，研究分担者（松永）が主に実施する実験力学的なアプローチにより研究を実施している．初年度は，研究の立ち上げと，翌年度以降に必要となる基礎データの収集を行った．計算力学的なアプローチでは，最初に水素トラップによる転位のエネルギー変化を明らかにする．鉄の原子モデル中に微小な転位ループを作成した後に，ボロノイ多面体解析を用いてフリーボリュームの大きいサイトを抽出することで，転位芯まわりの水素侵入サイトの候補を選定した．次に，それらの候補位置に水素を一つずつ導入し，水素トラップエネルギーの分布を評価した．ここでは，転位ループに対する評価を実施しているため，刃状転位かららせん転位に至る混合転位部分も含めて水素トラップエネルギーを明らかにすることができた．転位ループ内では，従来の知見通り，刃状転位部分が非常に多くの水素を吸着すること，また水素のトラップによって系が安定化することが確認できた．また，実験的なアプローチでは，一定のき裂開口変位を付与した試験片を水素濃度が変動する環境に曝すことで，き裂の加速度合いと環境変動との関係を明らかにする．これまでに，焼入れ後，焼戻し温度を変化させることで，３通りの強度レベルの素材（SCM440H）を準備し，規格（ASTM E1681）に準拠したボトルロード試験片を作成した．また，試験治具の製作や，上記試験片への予き裂の導入を行い，水素ガス環境を用いた試験の条件を決定した．

这项研究旨在开放由化学作用引起的疲劳现象的新领域，而不是由机械作用引起的疲劳现象，并为高度准确地预测了暴露于环境变化的组件的强度和可靠性。具体问题包括由于氢吸附和解吸而反复发生的位错运动之间的关系，位错结构的稳定结构的变化以及材料损伤。这项研究是使用计算机械方法进行的，该方法主要由主要研究者（Matsumoto）进行，并主要由研究部（Matsunaga）进行的实验机械方法进行。在第一年，启动了研究，并收集了第二年及以后需要的基本数据。计算动力学方法首先揭示了氢陷阱引起的位错的能量变化。在铁原子模型中创建一个较小的位错环后，我们使用Voronoi多面体分析提取了具有较大游离体积的位点，并选择了选定的候选位点，以围绕脱位核心进行氢入侵。接下来，一次在这些候选位置一次逐一引入氢，以评估氢气陷阱能量的分布。在这里，由于对位错环的评估进行了评估，因此可以阐明氢气陷阱能量，包括从边位错到螺旋位错的混合位错部分。如前所述，已经证实，边缘位错部分在错位部分吸附了大量的氢，并且该系统被氢气捕获稳定。此外，一种实验方法通过将标本与恒定的裂纹开口位移暴露于氢浓度波动的环境中，揭示了裂纹加速度与环境波动之间的关系。到目前为止，通过更改淬火后的回火温度，我们已经准备了三个强度水平的材料（SCM440H），并准备了符合标准（ASTM E1681）的瓶装负载测试。此外，制造了测试夹具，并将倒影引入了测试样品中，并确定了使用氢气环境测试的条件。