多種の量子ビーム実験と第一原理計算を活用したアルミ合金の水素脆性抑制機構の解明

利用各种量子束实验和第一性原理计算阐明铝合金的氢脆抑制机制

• 批准号: 22K04758
• 负责人: 西村 克彦
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: University of Toyama
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04758/
• 关键词: アルミニウム合金; 水素脆性; ミュオンスピン緩和法; 第一原理計算; 組織観察; 原子空孔; ナノクラスタ; 水素原子拡散; 中性子小角度散乱法

金属材料の水素脆性は広く知られた現象だが、金属中水素原子の直接観察の困難さにより、拡散や捕獲に関する実験的データは限定されている。水素ガス・液体の安全な運搬・利用を推進するためには、保管・運送に利用する金属材料の水素脆性対策が求められる。一般に6000系アルミ合金は耐水素脆性に優れているが、Cuを除去した純粋なAl-Mg-Si合金は耐水素脆性が相対的に低い。Cuが水素原子の拡散を抑制し、水素脆化を抑制していることが伺える。本研究では、近年実験精度が飛躍的に向上したミュオンスピン緩和法を応用し、6000系アルミ合金中の水素原子の捕獲位置と拡散挙動を解明する。更に、Ｘ線吸収微細構造法および中性子小角散乱法を組み合わせて水素原子拡散を抑制する原子クラスタ構造を解明し、水素脆性を抑制する工業的手法を得て、水素エネルギー社会の安全基盤を構築する。正ミュオンは電荷がe+で、質量が水素の約9分の1であるため、物質中では軽い水素のように振る舞うことが知られている。 この特徴を利用して、Al-Mg、Al-Ti、Al-V、Al-Cu合金のミュオンスピン緩和実験を行い、ミュオンスピン緩和率およびトラップ率の温度依存性を調べ、そこから溶質元素―ミュオンおよび溶質原子―原子空孔－ミュオンの結合エネルギーを評価した。 これらの実験結果は、密度汎関数計算から得られたAl中の溶質原子－水素および溶質原子－原子空孔－水素の結合エネルギーと比較された。結果、観測された緩和率またはトップ率のピーク温度とDFT計算で得た、溶質原子―水素、溶質元素－原子空孔―水素の結合エネルギー値の間に、顕著な直線関係があることがわかった。

金属材料中的氢脆是一种众所周知的现象，但由于难以直接观察金属中的氢原子，有关扩散和捕获的实验数据有限。为了促进氢气和液体氢气的安全运输和使用，需要采取措施防止储存和运输的金属材料发生氢脆。一般来说，6000系列铝合金具有优异的抗氢脆性能，但去除了Cu的纯Al-Mg-Si合金的抗氢脆性能相对较低。可以看出，Cu抑制氢原子的扩散，抑制氢脆。在本研究中，我们应用近年来实验精度显着提高的μ子自旋弛豫方法来阐明6000系列铝合金中氢原子的捕获位置和扩散行为。进一步结合X射线吸收精细结构法和小角中子散射法，阐明抑制氢原子扩散的原子团簇结构，获得抑制氢脆的工业化方法，为氢能奠定安全基础社会。 。正μ子的电荷为e+，质量约为氢的九分之一，因此已知它们在物质中的行为类似于轻氢。 利用这一特性，我们对Al-Mg、Al-Ti、Al-V和Al-Cu合金进行了μ子自旋弛豫实验，研究μ子自旋弛豫率和俘获率与溶质结合能的温度依赖性。评估了原子-原子空位-μ子。 这些实验结果与通过密度泛函计算获得的Al中溶质原子-氢键能和溶质原子-空位-氢键能进行了比较。结果发现，观察到的弛豫速率或顶部速率的峰值温度与DFT计算得到的溶质原子-氢和溶质元素-原子空位-氢的键能值之间存在显着的线性关系塔。

项目成果

ミュオンスピン緩和法と第一原理計算を利用したアルミニウム合金中の水素トラップ機構の解明

使用μ子自旋弛豫方法和第一性原理计算阐明铝合金中的氢捕获机制

• 发表时间: 2023
• 作者: 西村克彦;松田健二;並木孝洋;布村紀男;髭本亘;都留智仁;戸田裕之;清水一行
• 通讯作者: 清水一行

Identification of Hydrogen Trapping in Aluminum Alloys Via Muon Spin Relaxation Method and First-Principles Calculations

通过μ子自旋弛豫方法和第一性原理计算识别铝合金中的氢捕获

• DOI: 10.1007/s11661-023-07024-w
• 发表时间: 2023
• 作者: Tsuru Tomohito;Nishimura Katsuhiko;Matsuda Kenji;Nunomura Noiro;Namiki Takahiro;Lee Seungwon;Higemoto Wataru;Matsuzaki Teiichiro;Yamaguchi Masatake;Ebihara Kenichi;Shimizu Kazuyuki;Toda Hiroyuki
• 通讯作者: Toda Hiroyuki

SOLUTE-HYDROGEN BINDING ENERGIES IN ALUMINUM STUDIED BY MUON SPIN RELAXATION METHOD

用μ子自旋弛豫法研究铝中的溶质氢结合能

• 发表时间: 2023
• 作者: Katsuhiko Nishimura; Kenji Matsuda; Norio Nunomura; Takahiro Namiki; Seungwon Lee; Wataru Higemoto; Tomohito Tsuru; Teiichiro Matsuzaki; Isao Watanabe; Kazuyuki Shimizu;Hiroyuki Toda
• 通讯作者: Hiroyuki Toda