アルミニウムの自発的破壊現象の解明 ～水素でアルミがもろくなる原因の解明と、計算科学による高強度合金への期待～

　国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長：児玉敏雄、以下「原子力機構」という。）原子力基礎工学研究センターの都留智仁研究主幹、システム計算科学センター山口正剛研究主幹、九州大学の戸田裕之主幹教授、富山大学の松田健二教授らは、先端分析計測機器を用いて水素によるアルミニウムの破壊現象の詳細な観察を行いました。また、大型計算機を用いたアルミニウムに水素が侵入した場合の材料内部の挙動のシミュレーションによって、破壊機構の評価を行いました。

　高強度アルミニウムは、航空宇宙分野や、鉄道、スポーツ用品などに広く使われてはいるものの、水素脆化と呼ばれる水素が関係する破壊現象のため、さらなる高性能化が阻まれていました。近年、軽量かつ高強度な炭素繊維複合材料（CFRP）が航空機などの新たな構造部材として使われるようになっていますが、製造・加工・修理のコストと信頼性の観点から金属材料のニーズは高く、軽量で高強度なアルミニウム合金の開発が期待されてきました。

　研究グループは、大型シンクロトロン放射光施設SPring-8を用いたナノスケールの構造解析や、原子分解能電子顕微鏡下での破壊過程の3D観察技術を用いた実験から、微細粒子（MgZn2）が水素脆化の要因になる可能性を見つけました。また、原子力機構の大型計算機「ICE X」（アイス エックス）による材料中の水素挙動の電子状態計算によってその詳細な機構を検討しました。
　これまで、アルミニウム合金の水素脆化は、転位と呼ばれるミクロな欠陥に起因して生じるとされていました。しかし、解析の結果、これまで水素原子が集積されないと考えられてきた材料中の微細粒子にほとんどの水素原子が存在し、さらに水素分子に形態を変化することによって微細粒子への水素は飽和することなく次々と集積することを示しました。水素の集積によって微細粒子とアルミニウムの界面が自発的な剥離を生じ、これによって高強度アルミニウム合金の破壊が促進されることを明らかにしました。

　電子状態計算とナノスケールの実験との連携によって、これまで見ることが困難であった材料中の水素挙動を捉えたことで、産業利用価値の高い高強度合金開発の発展につながることが期待されます。

　本研究成果は、4月6日付（日本時間）で英国の学術誌「Scientific Reports」に掲載される予定です。
　本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)の研究成果展開事業（産学共創基礎基盤研究プログラム）の技術テーマ「革新的構造用金属材料創製を目指したヘテロ構造制御に基づく新指導原理の構築」の研究課題（課題名：「水素分配制御によるアルミニウム合金の力学特性最適化」JPMJSK1412）として実施しました。

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