ギガサイクル疲労破壊機構に及ぼす水素の影響の解明と疲労強度信頼性向上方法の確立

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14001002
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 村上 敬宜 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (10038010)
• 研究分担者: 高井 健一 上智大学, 理工学部, 助教授 (50317509) ; 松岡 三郎 物質材料研究機構, 材料基盤情報ステーション, 副ステーション長(研究職) (10354250) ; 近藤 良之 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (90325499) ; 大塚 哲平 九州大学, 大学院・総合理工学研究院, 助手 (80315118) ; 松永 久生 九州大学, 大学院・工学研究院, 講師 (80346816)
• キーワード: ギガサイクル疲労破壊 / 水素 / Optically Dark Area (ODA) / √areaパラメータモデル / 介在物 / 極値統計 / トリチウムオートラジオグラフィ / 燃料電池システム

研究概要

本研究課題が採択されてからの2年間,水素利用に関する世界各国の戦略は大きな展開を見せており,安全な水素利用社会実現のために本研究の意義は益々高まっている.このような状況の中で,高強度鋼のギガサイクル疲労破壊に及ぼす水素の影響に加えて,燃料電池システムや水素エンジンへの使用が想定される各種金属材料の疲労強度に及ぼす水素の影響の解明を試みた.成果の概要を以下に示す.
・SCM435焼入焼戻し材に1-10ppmの水素をチャージすると,未チャージ材(0.3-0.5ppm)に比べて疲労寿命は4桁低下し,疲労強度は約半分に低下することを示した.また,水素濃度の増加により疲労破面形態は脆性的になることを明らかにした.
・一連のばね鋼及び改良オースフォームを行った低合金鋼について,超音波疲労試験を使用したギガサイクル疲労試験を実施し,寿命10^<10>回までの疲労特性を明らかにした.
・希硫酸溶液中で陰分極により連続的に水素チャージを行いながら疲労試験を実施する方法を確立した.高強度鋼においては,疲労強度低下に対して水素の影響が顕著であることを示した.
・水素チャージを施した各種ステンレス鋼および水素エンジン燃焼後のバルブの疲労試験を行い,水素が疲労強度低下に及ぼす影響を明らかにした.
・トリチウムオートラジオグラフィによりSCM440,SCM435中の水素の可視化を行った.両鋼中において,水素はMnSおよびアルミナ系介在物に集積しており,その分布状態が介在物の種類および形状などにより異なるという実験的証拠がはじめて明らかになった.
・燃料電池システム用超高圧水素を想定した環境における高強度鋼およびステンレス鋼中の水素吸蔵・放出挙動を検討した.水素拡散係数,水素脱離の活性化エネルギーから,各鋼種の水素トラップサイトを推定するデータが得られた.
・ナノインデンテーション装置を利用した焼戻しマルテンサイト組織のナノ-メゾ-マクロ力学特性解析手法を確立した.

研究成果

• [文献書誌] 植田徹, 村上敬宜: "高強度鋼の超長寿命疲労破壊における水素の影響とODAの破面形態"日本機械学会論文集(A編). 69・681. 92 (2003)
• [文献書誌] Y.MURAKAMI, K.TAKAHASHI, R.KUSUMOTO: "Threshold and Growth Mechanism of Fatigue Cracks under Mode II and III Loadings"Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. Vol.26. 523 (2003)
• [文献書誌] 長田淳治, 村上敬宜: "超長寿命疲労破壊におけるODA(Optically Dark Area)の形成に及ぼす諸因子"材料. 52・8. 966 (2003)
• [文献書誌] 周世栄, 鈴木謙二, 福島良博, 村上敬宜: "圧延用ロールの疲労強度に及ぼす鋳造欠陥の影響とその極値統計評価法"日本機械学会論文集(A編). 69・684. 1177 (2003)
• [文献書誌] Hisao MATSUNAGA, Yukitaka MURAKAMI, Nasanobu KUBOTA, Joon-Hyun LEE: "Fatigue Strength of Ti-6Al-4V Alloys Containing Small Artificial Defects"Materials Science Research International. 9・4. 263 (2003)
• [文献書誌] 近藤良之: "ギガサイクル領域のフレッティング疲労限度とき裂の停留について"日本機械学会論文集(A編). 70・696(Accepted). (2004)
• [文献書誌] 阿部孝行, 古谷佳之, 松岡三郎: "高強度鋼のギガサイクル疲労における介在物寸法と種類の重要性"鉄と鋼. 89・6. 711 (2003)
• [文献書誌] T.ABE, Y.FURUYA, S.MATSUOKA: "Gigacycle fatigue properties of 1800 MPa-class spring steels"Fatigue Fract.Engng.Mater.Struct.. In press. (2004)
• [文献書誌] Y.FURUYA, T.ABE, S.MATSUOKA: "10^<10>-cycle fatigue properties of 1800 MPa-class JIS-SUP7 spring steel"Fatigue Fract.Engng.Mater.Struct.. 26. 641 (2003)
• [文献書誌] 古谷佳之, 松岡三郎: "Si-Mn鋼のギガサイクル疲労特性に及ぼす改良オースフォームの影響"鉄と鋼. 89・10. 1082 (2003)
• [文献書誌] Y.FURUYA, S.MATSUOKA, T.ABE: "A novel inclusion inspection method employing 20 kHz fatigue testing"METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A. 34A. 2517 (2003)
• [文献書誌] Y.FURUYA, S.MATSUOKA: "Gigacycle fatigue properties of a modified-ausformed Si-Mn steel and effects of microstructure"METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A. In press. (2004)
• [文献書誌] 竹内悦男, 古谷佳之, 長島伸夫, 宮原健介, 松岡三郎: "Ti-6Al-4V合金のギガサイクル疲労特性おける速度効果"日本機械学会論文集(A編). 印刷中. (2004)
• [文献書誌] 宮原健介, 松岡三郎: "ナノインデンテーションを利用したAlloy600溶接部のナノ・メゾ・マクロ解析"Journal of material testing research association of Japan. 48・3. 159 (2003)
• [文献書誌] H.Hirukawa, S.Matsuoka, Y.Furuya: "Nanoscopic strength analysis of tempered-martensitic steels using atomic force microscopy and nanoindentation"MATERIALS LETTERS. In press. (2004)
• [文献書誌] M.Hayakawa, S.Matsuoka Y.Furuya: "Nanoscopic measurement of local plastic deformation for a tempered martensitc steel by atomic force microscopy"MATERIALS LETTERS. 57. 3037 (2003)
• [文献書誌] 早川正夫, 松岡三郎, 古谷佳之: "原子間力顕微鏡による中炭素鋼焼戻しマルテンサイト組織の降伏点近傍おける不均一塑性変形の解析"日本金属学会誌. 67・7. 354 (2003)
• [文献書誌] Y.Ono, T.Yuri, H.Sumiyoshi, S.Matsuoka, T.Ogata: "Effect of Grain size on High-cycle Fatigue Properties in Alpha-type Titanium Alloy at Cryogenic Temperatures"Cryogenics. 43・8. 483 (2003)
• [文献書誌] 小野嘉則, 由利哲美, 住吉英志, 松岡三郎, 緒形俊夫: "Ti-5%Al-2.5%Sn ELI合金の高サイクル疲労特性と内部亀裂発生"日本金属学会誌. 67・8. 391 (2003)
• [文献書誌] Y.Ono, T.Yuri, H.Sumiyoshi, S.Matsuoka, T.Ogata: "High-Cycle Fatigue Properties at Cryogenic Temperatures in Forged- and Rolled-Ti-5%Al-2.5%Sn ELI Alloys"Science and Technology of Advanced Materials. 4・4. 301 (2003)
• [文献書誌] Y.Ono, T.Yuri, H.Sumiyoshi, S.Matsuoka, T.Ogata: "Subsurface Fracture in High-Cycle Fatigue at Cryogenic Temperatures in Ti-5%Al-2.5%Sn Extra Low Interstitial Alloy"Materials Transasctions. 44・9. 1702 (2003)
• [文献書誌] Y.Ono, T.Yuri, H.Sumiyoshi, E.Takeuchi, S.Matsuoka, T.Ogata: "High-Cycle Fatigue Properties at Cryogenic Temperatures in INCONEL 718 Nickel-based Superalloy"Materials Transasctions. 45・2. 1 (2004)
• [文献書誌] 沢井 達明, 松岡三郎, 津崎兼彰: "超微細粒低炭素鋼の疲労特性"鉄と鋼. 89・6. 726 (2003)
• [文献書誌] Volume Editors : R.O.Ritchie, Y.Murakami: "Comprehensive Structural Integrity -Fracture of Materials from Nano to Macro- VOLUME 4 : Cyclic Loading and Fatigue"ELSEVIER. 528 (2003)