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

使用计算科学方法基于空位型缺陷的定量评估氢脆模型的验证

• 批准号: 19K05069
• 负责人: 海老原 健一
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Japan Atomic Energy Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19K05069/
• 关键词: 水素脆化; 水素助長ひずみ誘起空孔モデル; 分子動力学; 反応拡散方程式; 昇温脱離スペクトル; 空孔クラスター; 機械学習ポテンシャル; き裂進展; 転位; 水素助長格子脆化モデル

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。

钢材的延迟断裂被认为是由氢脆引起的，希望基于对该机制的理解来预测和防止脆化。基于实验事实，提出了氢增强应变诱导空位（HESIV）模型，该模型将氢和应变产生的空位或空位簇中的空位型缺陷视为氢脆机制之一。但具体的基本过程尚不明确，难以通过实验进行定量评价。在本研究中，为了验证 HESIV 模型，我们使用反应扩散方程模拟氢温度曲线，该方程考虑了空位型缺陷的行为及其氢捕获行为，并使用原子级计算科学方法评估的参数我们将尝试评估氢脆条件下产生的空位型缺陷的尺寸分布。此外，我们的目标是在原子水平上分析空位型缺陷对裂纹的影响，并评估导致脆化的空位型缺陷的尺寸。今年，为了检验先前开发的氢程序升温解吸光谱计算代码的有效性，我们对考虑了氢存在的空位生成过程进行了模拟，这已经被报道过。在计算中，我们使用了通过 DFT 新评估的空位团簇的空位扩散系数和空位解离能。结果发现，通过适当选择空位型缺陷的氢捕获和去捕获的速率常数以及空位迁移开始时捕获的氢的量，可以获得与先前报道的模拟结果几乎相似的结果。此外，在利用机器学习势利用分子动力学模拟α-铁的穿晶裂纹时，我们发现通过比较线性裂纹和硬币形裂纹的生长情况，我们发现它在α-铁中裂纹的可能性稍小。很明显，在实验中观察到{110}面上的裂纹比更容易产生裂纹的{110}面上的裂纹的原因是由于裂纹尖端的自然无序性。 。

项目成果

Cleavage and dislocation emissions in BCC iron; A Molecular dynamics study

BCC 铁中的解理和位错排放；

• 发表时间: 2020
• 作者: 鈴土知明;海老原健一;都留智仁
• 通讯作者: 都留智仁

純鉄中の水素－空孔性欠陥－転位間相互作用に関する原子モデル解析

纯铁中氢-空位缺陷-位错相互作用的原子模型分析

• 发表时间: 2021
• 作者: R. Matsumoto;C. Sano;S. Taketomi;and K. Ebihara;松本龍介
• 通讯作者: 松本龍介

長時間／大規模MDによる鉄中の転位―水素―空孔の相互作用解析

通过长期/大规模 MD 分析铁中的位错-氢-空位相互作用

• 发表时间: 2021
• 作者: R. Matsumoto;C. Sano;S. Taketomi;and K. Ebihara;松本龍介;松本龍介
• 通讯作者: 松本龍介

Hydrogen-Vacancy Complexes in bcc-Fe: Diffusion, Clusterization, Dissociation, and Influence on Dislocation

bcc-Fe 中的氢空位复合物：扩散、团聚、解离以及对位错的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: R. Matsumoto;C. Sano;S. Taketomi;and K. Ebihara
• 通讯作者: and K. Ebihara

BCC鉄き裂先端における転位 射出のシミュレーション解析

BCC铁裂纹尖端位错注入仿真分析

• 发表时间: 2023
• 作者: 鈴土 知明;海老原 健一;都留 智仁;森 英喜
• 通讯作者: 森 英喜