報告書番号

Q09030

タイトル（和文）

耐熱鋼中母相/析出炭化物界面における損傷メカニズムの理論解析：αFe/V4C3異相界面

タイトル（英文）

Theoretical analysis for damage mechanism at hetero phase interface in heat resistance steel : Fe/V4C3 interface

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

既報にて蒸気タービンロータ材であるCr-Mo-V鍛鋼を対象とし、クリープボイドが粒界上の母相/析出物界面に発生していた事に着目してボイド発生モデルを提案した。しかし、母相/析出物界面にボイドが発生する物理的なメカニズムについては明らかとなっていない。今後の損傷予測手法の高精度化のためには、微視組織と損傷挙動の相関をつなぐ知見の蓄積が必要である。そこで本研究ではボイドが観察されたFe/V4C3界面における損傷メカニズムについて、特に粒内と粒界での析出形態の違いが及ぼす影響に着目し、理論計算を用いて実験的に到達困難なスケールでの損傷メカニズムを明らかにすることを目的とした。その結果得られた知見は以下の通りである。
・Fe/V4C3界面の相対的方位関係は、Baker-Nutting（B-N）型であることを幾何学的に明らかにし、最安定構造を第一原理計算により探索した。その結果、界面垂直方向にFe-C結合を形成し、かつV4C3結晶側の終端面がC原子の空孔サイトを含む面となる構造が粒内でのFe/V4C3界面モデル構造となることが示唆された。加えてB-N型方位関係からずらしたモデル構造を作成し、構造緩和により粒界上のFe/V4C3界面を模擬した準安定構造を得た。
・第一原理計算により粒内及び粒界上Fe/V4C3界面における応力－ひずみカーブを求めた結果、化学結合が強い粒内Fe/V4C3界面の方が機械的強度も高いことが明らかになった。
粒内及び粒界上Fe/V4C3界面における空孔形成エネルギーを評価した結果、粒界上Fe/V4C3界面よりも粒内Fe/V4C3界面と結晶粒界において空孔が比較的容易に生成することが示唆された。
・以上の解析結果を踏まえると、粒界近傍での母相とV4C3との相対的方位関係に依存して、(a)Fe/V4C3界面剥離部分への粒界拡散による空孔集積、または(b)粒界上Fe/V4C3界面及び粒界で生じた空孔同士が相互拡散により凝集するというメカニズムでボイドが発生するものと考えられる。これらのメカニズムは既提案のボイド発生モデルに包含される。

概要 （英文）

Present authors have been observed void next to Cr23C6 and V4C3 on grain boundary (g.b.) in CrMoV forged steel which has been used as steam turbine rotor material. However, it is still unclear why void nucleate at hetero interface on g.b. because of the experimental limitation. In order to predict creep damage evolution with high precision, physical based mechanism about the relationship between microstructure and damage behavior. Therefore in this study, Fe/V4C3 hetero interface was selected as model interface and damage behavior was investigated in connection with interfacial structure using first principles calculation. By the CRLP (Coincidence Reciprocal Lattice Point) method, orientation relationship between Fe and V4C3 is Baker-Nutting type : {001}Fe//{001}V4C3, <110>Fe//<001>V4C3, and atomic structure of Fe/V4C3 ordered interface in grain interior (g.i.) was investigated. As a result, V2C-termination and Fe-C on top structure was found to be most stable structure. On the other hand, disordered interface was constructed so as to deviate from B-N type orientation relationship in order to consider Fe/V4C3 disordered interface on g.b.. It was found that interfacial mechanical strength was determined from the strength of chemical bonding formed in interface by first principles tensile test and chemical bonding analysis. This indicates that interfacial decohesion can easily occur by stress concentration induced by dislocation pile up at disordered interface on g.b. with low strength. On the other hand, vacancy can be easily formed at ordered interface in g.i.. Consequently, starting point of void nucleation was suggested as interfacial decohesion or vacancy formation at g.b. and Fe/V4C3 ordered interface, dependent on the orientation relationship between Fe and V4C3 near g.b..

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