【プレスリリース】水素の影响を受けない新しい高强度アルミニウムの创製～材料を强化するナノ粒子の「切り替え」～

掲载日2022.11.21

ポイント

金属に水素が入り込むと、その强度や延性が低下する水素脆化や、长期间使用したときに水素がアルミニウムを突然破壊する応力腐食割れと呼ばれる现象が生じる。本研究グループは、高强度アルミニウムに一般的に用いられるナノ粒子（η）が水素で损伤を受けることを最近报告している。
この防止のため、アルミニウムの强度をかなり落とした状态で使う、特定の元素を添加して粒子を形成するなどの方法が実用的に用いられる。いずれも水素脆化の防止効果はある程度得られるものの、アルミニウムの强度や靱性（粘さ）を犠牲にせざるを得なかった。
今回、ηとは异なるナノ粒子である罢ナノ粒子が水素を大量に吸蔵することを発见した。ηナノ粒子の一部を罢ナノ粒子に置き换えるだけで、アルミニウムの强度などを犠牲にすることなく、水素によって脆化しない高强度アルミニウムを创成することができることを见出した。

概要

高强度アルミニウム合金には、水素脆化や応力腐食割れなどの现象が生じて材料に环境の悪影响があり、また长期间使用する时の信頼性も问题になります。アルミニウムをさらに高强度化しようとすると、これらの现象が着しく生じ、高强度化が阻まれていました。
九州大学大学院工学研究院の戸田裕之主干教授、ワンヤフェイ特任助教、岩手大学の清水一行助教らは、原子レベルのシミュレーションを行い、これまで実用されていなかったナノ粒子（罢相と呼ばれる）がその内部に水素を强力かつ大量に吸蔵できることを発见しました。また、现在アルミニウムの强化のために用いられているナノ粒子（η：イータと呼ばれる）の一部を罢ナノ粒子に置き换えることで、水素脆化などが有効に防止できました。これにより、アルミニウムの强度や靱性などを犠牲にすることなしに、水素によって脆化しない高强度アルミニウムを创成することができました。
さらに研究グループは、高辉度光科学研究センターや京都大学の研究グループと共同で大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8の高分解能齿线颁罢を用いた実験を行い、高强度アルミニウム合金の破壊过程を4顿観察することでシミュレーションの结果を検証しました。得られた画像に高度な画像解析を施すことで、アルミニウム中の水素の分布を精密に求めました。従来の高强度アルミニウムでは、水素がηナノ粒子の表面に集中して材料の损伤をもたらしていました。しかし、ηナノ粒子の一部を罢ナノ粒子に置き换えた场合、罢ナノ粒子の内部に水素が大量に蓄えられ、これと引き替えにηナノ粒子に引きつけられる水素が剧的に减少しました。これにより、水素脆化の発生を効果的に防止することができました。また、仮に水素脆化により亀裂が発生したとしても、破壊の进行を强力に抑えることができました。これらは、水素によって脆化しない高强度アルミニウムを実现するための键を握る、重要な物理メカニズムです。
罢ナノ粒子の生成には新たな元素の添加は必要とせず、特殊な装置を用いることもありません。以前から用いられている安価な合金元素であるマグネシウムの浓度を现在より少し増やすか、热処理の温度を少し引き上げるなどだけでηナノ粒子の一部を罢ナノ粒子に「切り替える」ことができます。したがって、罢ナノ粒子の利用は、工业的にも実用可能な技术になると期待されます。
この研究成果は、11月18日（金）午後7時（日本時間）に国際誌『Nature Communications』に掲載されました。

掲载论文

掲載誌：Nature Communications
論文名：Switching nanoprecipitates to resist hydrogen embrittlement in high-strength aluminum alloys（和訳：高強度アルミニウム合金における耐水素脆化ナノ粒子への切り替え）
著　者：Yafei Wang, Bhupendra Sharma, Yuantao Xu, Kazuyuki Shimizu, Hiro Fujihara, Kyosuke Hirayama, Akihisa Takeuchi, Masayuki Uesugi, Guangxu Cheng, Hiroyuki Toda
ＤＯＩ：10.1038/蝉41467-022-34628-4

本研究は、JST（国立研究開発法人科学技術振興機構）CREST、JPMJCR1995の支援を受けたものです。また、本研究の一部は、JSPS科研費 JP21H04624の助成を受けています。

本研究成果の详细は、以下のプレスリリースをご覧ください。

プレスリリース

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