2021 Fiscal Year Annual Research Report
Mechanism of delayed fracture in fail-safe steel with an ultrafine elongated grain structure
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19H02468
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
木村 勇次 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主席研究員 (80253483)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 構造・機能材料 / 材料加工・処理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、「部材の一部が破壊・破損しても所定の荷重以下であれば部材そのものは完全に破断しない」というフェールセーフ機能を有する鋼（フェールセーフ（FS）鋼）の遅れ破壊挙動の解明を目的とする。具体的には超微細繊維状結晶粒組織の制御によって引張強度を1800～2000MPaに調整したFS鋼材から作製したボルトおよび環状切欠試験片の締結体の大気暴露実験をつくば市の物質・材料研究機構内の暴露場と日本ウェザリングテストセンター宮古島試験場で実施して、遅れ破壊挙動を金属組織、水素侵入挙動に関連付けて明らかにする。
今年度は、0.4%C-2%Si-1%Cr-1%Mo鋼材を用いて量産試作した1800 MPa級FS材および調質材のボルト型環状切欠試験片の締結試験体を用いて、つくば市の物質・材料研究機構内の暴露場で大気暴露実験を開始した。締結条件は、ラボでの水素脆化促進試験および腐食促進試験により求めた材料の許容水素量と水素侵入量の関係から決定した。調質材では、暴露開始から約1か月で試験体が高い頻度で遅れ破壊することが確認された。また、回収したFS鋼材でも厳しめの締結力では切欠き底近傍での割れが確認された。このように、ラボでのデータベースに基づいて切欠き試験体の締結力を設定することで、つくば市の比較的マイルドな大気腐食環境下でも超高強度鋼材の遅れ破壊発生が確認できた。さらに2020年3月から日本ウェザリングテストセンター宮古島試験場で開始した2000 MPa級FSボルトについては、2021年6月にボルト1本の遅れ破壊が確認された。本鋼材の有効な水素トラップサイトとして想定されるMo析出物については0.4%C-2%Cr-1%Mo-2%Ni鋼材の走査型透過電子顕微鏡（STEM）観察により分散状態を解明し、成果の一部を論文発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
引張強さが1800 MPaレベルの超高強度0.4%C-2%Si-1%Cr-1%Mo鋼材では、つくば市の物質・材料機構内のマイルドな大気腐食環境下でも1か月程度の短期間でボルト型環状切欠試験片締結試験体で遅れ破壊の発生が確認できたのは予想以上の成果であった。機構内で定期的な試験体の観察と回収が可能となることから精度高く侵入水素量と遅れ破壊の関係のデータを収集できる。一方、計画していたボルト型環状切欠試験片を用いた締結試験体の浸漬実験については、上記大気暴露実験との整合性を考慮して仕様を見直したため、その進捗は予定よりやや遅れている。昨年度より日本ウェザリングテストセンター宮古島試験場で開始した2000 MPa級フェールセーフボルトの大気暴露実験は継続できている。したがって、本研究計画は概ね進行していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ボルト型環状切欠試験片を用いた締結試験体について、物質・材料研究機構内での大気暴露実験を継続するとともに、ラボでの浸漬実験を併用することで、負荷応力、水素侵入量と遅れ破壊挙動の関係を調査する。具体的には遅れ破壊した試験体の破面観察や定期的に回収した試験体の水素量や脆化度を評価する。得られた結果をもとにボルト型環状切欠試験片を用いた締結試験体の実験条件の最適化を行い、遅れ破壊挙動を解明してゆく。
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