2021 Fiscal Year Annual Research Report

Effect of stress on hydrogen trapping state and elucidation of hydrogen embrittlement

Research Project

Project/Area Number	19H00817
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	秋山英二東北大学, 金属材料研究所, 教授 (70231834)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	小山元道東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (20722705) 北條智彦東北大学, 金属材料研究所, 助教 (50442463) 味戸沙耶東北大学, 金属材料研究所, 助教 (20903834)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2024-03-31
Keywords	水素脆化 / 昇温脱離法 / 遅れ破壊 / 水素トラップ / 応力 / マルテンサイト鋼 / 遅れ破壊 / 引張試験
Outline of Annual Research Achievements	高強度鋼の水素脆化現象を理解する上で、鋼中の水素の存在状態の理解は不可欠である。粒界、転位、空孔などの格子欠陥や炭化物などの水素トラップサイトからの脱離の活性化エネルギーや、各種のトラップサイトへの水素の分配、水素量の測定は水素昇温脱離分析により行うことができる。しかし、通常の昇温脱離分析では、応力負荷状態での分析は不可能であった。本研究では、「応力下水素昇温脱離分析装置」を開発し、応力負荷状態での水素トラップ状態の変化を実験的に明らかにすることが目的である。この装置は、水素チャージした試験片に応力負荷条件で一定の速度で昇温し、放出される水素ガスを質量分析器で測定し、水素昇温脱離曲線を求めるものであり、装置の構成は、引張試験装置部と、試験片の周囲を囲む真空チャンバー、および質量分析計からなる。引張試験装置部には昇温による金属膨張に伴う応力変動を制御する機構を加え、また試験片の昇温には通電加熱を用い、温度測定は放射温度計を用いている。本装置を用いたSUS304鋼の試験では、応力を加えた試験片の水素放出ピークは低温側にシフトした。応力負荷条件下の金属材料の昇温脱離測定としては知る限り世界初であるが、これは応力による水素拡散の促進によるものではなく、応力誘起マルテンサイト変態により、水素の拡散が早いマルテンサイト相が生成したためと考えられた。一方、高強度マルテンサイト鋼に応力を負荷し昇温脱離測定した結果、無負荷の状態に比べて、拡散性水素の放出ピークが高温側にシフトすることを見出した。これは、水素トラップサイトと水素との結合エネルギーが応力負荷の影響によって増加することの証左となる。応力負荷による結合エネルギーの増加は、その水素トラップサイトへの水素の集積を引き起こすと考えられ、これが破壊起点の生成に寄与すると考えられる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 本研究課題では水素トラップ状態に及ぼす応力の影響解明を目的とし、これを実現する応力負荷条件下での昇温脱離分析の装置が大きな鍵である。従来の水素昇温脱離分析装置と異なり、引張試験装置部を組み合わせ、加熱に通電加熱を用い、温度を放射温度計によって測定するなどの特殊な構成となっているため、温度測定の高精度化や昇温機構の校正と改善、安全性のためのインターロックの改善等を適宜行いつつ試験を行う必要がありこの点でやや遅れている。当初は、水素チャージ後の水素の固溶度が高く、また水素の拡散が遅く、水素昇温脱離分析しやすいと期待されるSUS304鋼を最初の対象材料とし、ついでTWIP鋼のようなオーステナイトの高強度鋼、さらに微細な炭化物が水素トラップとなり水素吸収量が多いバナジウム添加マルテンサイト鋼を経て、最終的に一般的なマルテンサイト鋼であるSCM435鋼へと進める予定であった。しかし、装置の開発、改善に時間を要したため、最終目標のSCM435鋼を用いた試験へと移った。昇温脱離分析前の水素の逃散が懸念されたものの、昇温脱離曲線の測定に成功し、その応力負荷によるピークの高温側へのシフトの観察に成功した。一方、応力負荷により水素トラップに集積した水素が除荷時に放出される挙動を水素可視化法で観察する計画については、当初銀デコレーション法を用いる計画であったが、ポリアニリンを用いた水素可視化により微量な水素の検出が可能であることを見出せたため、その使用を今後試みる予定である。また、電気化学的水素透過試験を荷重を与えた鉄の試験片で行い、応力負荷が水素の拡散係数には影響を与えないが水素の固溶度を増加させること、また、応力を負荷したマルテンサイト鋼にチャージされる水素は無負荷と比較して増加することなど周辺の研究を進めることができた。
Strategy for Future Research Activity	これまでの研究で、開発した応力下水素昇温脱離分析装置により、水素チャージし応力を負荷したマルテンサイト鋼では、応力負荷によって水素トラップサイトと水素の結合エネルギーの上昇を示唆する水素脱離ピークの上昇が見られることを明らかにした。今後はまず、応力レベルと水素脱離ピークの温度シフトの関係を明らかにするために、応力水準を変化させて昇温脱離測定を行う。また、昇温速度を変化させた測定が可能であれば、水素の脱離の活性化エネルギーを求め、その負荷応力依存性を求める。 SUS304鋼については、応力負荷によって水素脱離ピークの低温側へのシフトが認められている。オーステナイト鋼の場合には、水素脱離ピークは水素トラップからの脱離律速ではなく、オーステナイト中の水素の拡散律速に支配されると考えられ、X線回折から認められるオーステナイト相の応力誘起マルテンサイト変態によって生成したマルテンサイト相が水素の拡散を促進したものと考察している。ひずみ量を変化させ、それによる水素脱離ピークのシフトと、鋼中のマルテンサイト体積率の関係を明らかにする。また、応力負荷状態でトラップされた水素が除荷時に放出される挙動を、新規に開発したポリアニリンあるいはIr錯体を用いた水素可視化法によって可視化できるかについての検討を進める。加えて、応力を負荷した鉄試験片の電気化学的水素透過試験によって、応力は水素の拡散係数に影響せず、固溶度を増加させる効果があることが認められているが、より高強度のマルテンサイト鋼を用いて、より大きい応力を負荷することによる効果を確認する。また、応力負荷条件での水素チャージにより変化する水素吸収量の変化を定量的に求め、これらから総合的に応力負荷が水素存在状態に与える効果を明らかにする。