| 研究課題/領域番号 |
23K13541
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分26010:金属材料物性関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
岡田 和歩 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, 研究員 (30964910)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
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| キーワード | 水素脆性破壊 / マルテンサイト鋼 / 画像相関法 / 粒界破壊 / 局所応力集中 / 中性子回折 / 透過電子顕微鏡 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
鉄鋼材料は強度が上昇するほど耐水素脆化特性が低下する．このトレードオフ関係は，高強度鋼の実用化において大きな障害となっている．しかし，『強度上昇に伴う耐水素脆化特性低下の起源は何か？』というシンプルかつ重要な「問い」に対して明確な答えは未だない．そこで本研究は，代表的な高強度鋼であるマルテンサイト鋼の水素脆性粒界破壊を対象とし，破壊サイトである旧γ粒界近傍の“局所変形挙動”と”材料強度や水素”の相関を調べることで，上述の「問い」の答えに迫る．
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| 研究実績の概要 |
鉄鋼材料は強度が上昇するほど耐水素脆化特性が低下する．このトレードオフ関係は，高強度鋼の実用化において大きな障害となっている．しかし，『強度上昇に伴う耐水素脆化特性低下の起源は何か？』というシンプルかつ重要な「問い」に対して明確な答えは未だない．そこで本研究は，代表的な高強度鋼であるマルテンサイト鋼の水素脆性粒界破壊を対象とし，“局所変形挙動”の観点からこの「問い」の答えに迫る．
合金の炭素組成と熱処理条件を変えることで，1.15～1.65GPaの種々の引張強度を有する焼入れままマルテンサイト鋼（4種）を作成した．これらの材料に対し，陰極電解水素チャージにより水素を導入した後，単軸引張試験を行い，破断強度から水素脆化特性を評価した．いずれのマルテンサイト鋼においても水素量の増加とともに破断強度が低下するが，水素による破断強度の低下には下限があり，下限値は組織によって異なることがわかった．
上記のマルテンサイト鋼の水素チャージ材はいずれも，旧γ粒界という特定の結晶粒界を起点として破壊していた．そこで，引張試験中その場SEM観察と画像相関法を組み合わせることで，微視組織と対応した局所応力集中挙動を調べた．旧γ粒界近傍では，旧γ粒界から離れた領域に対して，平均して10～20％程度，局所的には2～3倍高い局所応力が働いていることがわかった．さらに，水素による破断応力の低下が顕著なマルテンサイト鋼ほど，旧γ粒界への局所応力集中が大きいことが明らかとなった．したがって，旧γ粒界への局所応力集中と強度上昇に伴う耐水素脆化特性低下には密接な関係があると考えられる．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
2023年度に終了させる予定であった力学特性評価・破面観察は，計画通り終了した．また，当初計画では2024年度に終了させる予定であった画像相関法による局所応力・局所ひずみ測定についても，本年度（2023年度）中に既にその大部分を完了している．その結果，『強度上昇に伴う耐水素脆化特性低下の起源』に迫る成果が得られた．さらに，J-PARC(BL19 TAKUMI) にて中性子回折実験を行い，回折データの取得を終えている．以上の理由から，本研究は当初の計画以上に進展していると考える．
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度は，旧γ粒界への局所応力集中と強度上昇に伴う耐水素脆化特性低下には密接な関係があることが明らかとなった．今後は，なぜ，異なる引張強度を有するマルテンサイト鋼では局所応力集中挙動が異なるのかを，旧γ粒界におけるバリアント選択の観点から考察していく．
また，局所応力集中に関する上記の結果は，実験手法の制約上，未チャージ材（水素なし）に関するものである．今後は，J-PARC(BL19 TAKUMI) にて，水素チャージ材の引張試験中その場中性子回折実験により得られたデータを解析することで，水素がマルテンサイト鋼の弾性・塑性変形挙動に及ぼす影響を詳細に明らかにしていく．
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