複合環境下における破壊機構の微視的解明と破壊予知・制御に関する計算化学的研究

研究計画に従って、複合環境下における破壊機構の微視的解明を目的とした研究を行った。「材料」「応力」「環境」の三大因子があいまって発生する応力腐食割れは、原子炉内構造物の主要な損傷原因の一つであることから、原子力発電プラントの信頼性向上のためその対策が特に重要である。そこで、粒界応力腐食割れ(IGSCC)に関して、オーステナイト鋼を模擬したfcc-Feの粒界の電子状態や反応性を計算化学的手法を用いて検討を行った。粒界を含んだfcc鉄[001]面における水分子の吸着に関して量子化学的検討を行ったところ、粒界近傍のFe原子ほど正の電荷を取りやすいことがわかった。これは、粒界近辺のFe原子から優先的に酸化されることを示しており、粒界近傍は酸化反応に対する反応性が高いことが明らかとなった。また、量子分子動力学法を用いてFe内部における酸素イオン拡散挙動の検討を行ったところ、粒界近傍では粒内より酸素イオンの拡散速度が大きいことが確認された。以上の結果より、酸素の内部拡散速度が小さく安定な皮膜を生成しやすい元素ほど耐IGSCC性に優れた元素と考え、耐SCC性の向上に効果的な添加元素の探索を行った。今回の研究では、オーステナイト鋼を対象としているので、Feに対する添加元素の効果を密度汎関数法を用いて検討した。元素の酸化反応に対する効果を、酸素を固溶した際のエネルギー変化によって評価した。また、金属内部を酸素イオンが拡散する際の活性化エネルギーより酸素イオンの拡散性について評価した。その結果、酸化物を生成しやすく、酸素が拡散しにくいという点から、添加元素としてTi、Mn、Sr、Y、Zr、Ce、Hfが耐SCC性の向上に有効であることがわかった。

研究計画に従って、複合環境下における破壊機構の微視的解明を目的とした研究を行った。「材料」「応力」「環境」の三大因子があいまって発生する応力腐食割れは、原子炉内構造物の主要な損傷原因の一つであることから、原子力発電プラントの信頼性向上のためその対策が特に重要である。そこで、粒界応力腐食割れ(IGSCC)に関して、オーステナイト鋼を模擬したfcc-Feの粒界の電子状態や反応性を計算化学的手法を用いて検討を行った。粒界を含んだfcc鉄[001]面における水分子の吸着に関して量子化学的検討を行ったところ、粒界近傍のFe原子ほど正の電荷を取りやすいことがわかった。これは、粒界近辺のFe原子から優先的に酸化されることを示しており、粒界近傍は酸化反応に対する反応性が高いことが明らかとなった。また、量子分子動力学法を用いてFe内部における酸素イオン拡散挙動の検討を行ったところ、粒界近傍では粒内より酸素イオンの拡散速度が大きいことが確認された。以上の結果より、酸素の内部拡散速度が小さく安定な皮膜を生成しやすい元素ほど耐IGSCC性に優れた元素と考え、耐SCC性の向上に効果的な添加元素の探索を行った。今回の研究では、オーステナイト鋼を対象としているので、Feに対する添加元素の効果を密度汎関数法を用いて検討した。元素の酸化反応に対する効果を、酸素を固溶した際のエネルギー変化によって評価した。また、金属内部を酸素イオンが拡散する際の活性化エネルギーより酸素イオンの拡散性について評価した。その結果、酸化物を生成しやすく、酸素が拡散しにくいという点から、添加元素としてTi、Mn、Sr、Y、Zr、Ce、Hfが耐SCC性の向上に有効であることがわかった。