| 研究課題/領域番号 |
18J22540
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
高崎 大裕 九州大学, 工学府, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| キーワード | 材料強度 / 先進エネルギー開発 / フレッティング / 高温 / 水素 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，先進エネルギー開発技術に関連する構造材料の強度問題の解決に貢献することを目的としている．
最新の油井開発技術では，従来は考慮の必要がなかった油井管のフレッティング疲労が設計の主要因子となっており，本研究では油井管材料のフレッティング疲労強度評価とメカニズムの解明を行う．これまでにコンパクトな試験片を用いた実験により実機で生じるフレッティング疲労を再現することができた．さらに油井管の機械加工の制度と関係づけて，平成30年度はフレッティング疲労特性に及ぼす接触面の平面度の影響を定量的に評価した．その結果，従来は片当たりと単に接触の悪い状態で理解されていた疲労強度低下について数値的に明らかにした．結果に対する支配的な因子は平面度の違いにより変化するフレッティング摩耗の状態である．さらに，フレッティング摩耗の状態は接触面圧に依存して変化し，フレッティング疲労強度に及ぼす平面度の影響を接触面圧と関係づけて評価できた．
以上に加えて，平成30年度からは先進エネルギー開発に関連する材料強度の問題として，高温水素中の材料強度に関する研究に着手した．固体酸化物型燃料電池やリバーシブル燃料電池等の次世代エネルギー変換デバイスの動作環境は高温水素であり，材料強度評価の必要性が増大している．既設の試験機を用い，予備試験として常温から600℃までの水素環境中でSUS304とTi-6Al-4Vの低ひずみ速度引張試験を実施した．SUS304は100℃以上の高温では水素脆化が生じなかったが，Ti-6Al-4Vでは600℃の水素中で延性の顕著な低下が見られた．短時間の引張試験では高温で水素脆化は生じないことが知られており，本研究のSUS304は従来の知見通りの結果が得られた．Ti-6Al-4Vは高温で水素脆化が生じることが明らかになった．
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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
油井管材料のフレッティング疲労について，機械加工の精度と関連づけて平面度の影響を調べる研究は研究計画に沿って実施され，平成30年度の実験では期待通りの成果を得ることができた．その成果は国際学会（The 5th Asian Symposium on Materials and Processing, ASMP 2018，バンコク）で発表も行った．この国際学会において会場からのコメントとして，従来数値で表わされていなかった現象が定量的に明らかにされている点で重要な研究と認められることや，メカニズムも明確に説明されており，研究の質としても高いという評価が得られた．この成果は平成31年度に学術誌に論文投稿をする予定である．
さらに平成30年度には，油井開発に留まらず広く最新エネルギー開発技術に関する材料強度問題を調査した．その結果，固体酸化物型燃料電池やリバーシブル燃料電池などの最新のエネルギー変換デバイスでは，周辺技術として重要な構造材料の問題が顕在化していることが明らかとなった．そのため，平成30年度からは先進エネルギー開発技術に関連する材料強度の問題として，高温水素中の材料強度に関する研究にも着手した．高温水素中の材料強度評価は水素の強い影響を示すクリープ試験の1，2例のデータ（例えば，横川清志，1987年）があるのみで，極めて不十分である．高温水素中の材料強度に関する研究について，基本的な施設は整えられていたので，油井管のフレッティング疲労に関する研究の進捗には影響がない．また，これにより最新エネルギー開発技術の材料強度問題に関して知見を広めることができ，研究内容の充実が図られる．平成30年度は第一のステップである安全に高温水素中の材料試験を実施する手順を確立した．
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| 今後の研究の推進方策 |
油井管材料のフレッティング疲労について，平面度に関するフレッティング疲労試験について残された観察および測定を行い，成果を学術誌に論文投稿する予定である．また，平成31年度はフレッティング疲労特性に及ぼすコーティングおよび潤滑剤の影響の解明を行う．実際の油井管は表面を銅やリン酸マンガンでコーティングされており，油井管とねじ継手の接触部には潤滑材が塗布されている．これらの因子を加味してフレッティング疲労試験を実施することで，実機のフレッティング疲労特性に対するコーティングと潤滑剤の影響を解明する．実験で制御するパラメータは，コーティングの有無，コーティングの種類（銅，リン酸マンガン），潤滑剤の有無，接触面圧，相対すべり量（接触片のサイズ），応力振幅を予定している．
高温水素中の材料強度ついて，低ひずみ速度引張試験により得られた結果を取りまとめ，2019年10月に国際学会（Advanced Technology in Experimental Mechanics 2019, ATEM’19，新潟）で発表を行い，学術誌に論文投稿する予定である．平成31年度以降の実験についてはメインターゲットを高温水素中のクリープ特性とする．長時間，高温水素に曝される材料においては水素浸食やクリープ破壊を考慮しなければならない．特に高温水素中のクリープについては，1980年代に横川らにより水素によるSUS304や極低炭素鋼のクリープ寿命の顕著な低下が示されたものの，メカニズムは解明されていない．本研究では600℃の水素中でクリープ試験を実施し，高温水素と材料強度の相互作用を明らかにし，高温水素中のクリープ破壊メカニズムを解明する．試験片の破面や材料組織の観察にはSEMやEBSD，EDSを用い，ボイド，析出物，結晶粒，元素の偏析，材料組織の変態などと材料強度劣化の関係を解明する．
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