水素トラップ状態に及ぼす応力の影響と水素脆化の解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H00817
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 秋山 英二 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (70231834)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 水素脆化 / 昇温脱離分析 / 水素 / 応力 / 引張試験 / 遅れ破壊 / 水素トラップ

研究実績の概要

高強度鋼の水素脆化において、鋼中の水素の存在状態の理解はそのメカニズムを理解する上で重要である。水素昇温脱離分析により、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、水素量の測定を行うことができる。水素脆化は引張応力が負荷された金属材料中に、環境から水素が侵入することによって引き起こされるが、応力負荷により各種水素トラップサイトと水素の結合状態が変化する可能性が考えられる。これは、応力を負荷した鋼の水素マイクロプリントによって旧オーステナイト粒界への水素の集積がみられた報告からも示唆される。しかしながら、通常の水素昇温脱離分析では、試験片には応力を加えることが出来ない。そこで、本研究では「応力下水素昇温脱離分析装置」の開発を行い、応力が水素トラップ状態に及ぼす影響を昇温脱離分析によって明らかとすることを主目的とする。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。昇温に伴う金属試験片の膨張による応力変動を制御するために定荷重制御機構を付加した。また、試験片の昇温には試験片の平行部が選択的に加熱される通電加熱を採用した。これに伴って、試験片の温度測定に熱電対を接触させられないために、放射温度計による温度測定を取り入れた。本装置を用い、水素をチャージしたSUS304鋼の応力負荷条件での水素昇温脱離分析を行いながら、装置の改良、測定方法の最適化、昇温速度依存性などの検討を行った。現状の測定結果からは、拡散に依存した水素放出ピーク位置は応力負荷により低温度側にシフトし、応力による水素拡散の促進が示唆された。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究課題では水素トラップ状態に及ぼす応力の影響と水素脆化の解明を目的としている。これを実現するには応力負荷条件下での昇温脱離分析が必要不可欠であり、そのための装置の開発が大きな鍵である。基本的な「応力下水素昇温脱離分析装置」は前年度に構築し、本年度はこれを用いた測定を行いながら、装置の改良と測定精度の向上を行った。新規開発装置であるため、トライアルアンドエラーの繰り返しにより、いくつかの改善を加え、測定の信頼性を向上させた。(1)温度測定機構の改善：通電加熱を用い、試験片の温度測定には放射温度計を用いている。放射温度計の測定には、質量分析器のフィラメントからの光やウィンドウを通した外光による外乱が影響したため、測定部付近への遮蔽板の設置及び暗幕の設置により改善を行った。また、放射温度計の温度測定スポットが試験片の幅を超えることによる温度測定の低下を避けるために試験片幅を増加させた。(2)測定温度の高精度化：試験片温度は放射温度計を用いて測定するが、光沢のある金属試験片の場合には放射率が低い。測定温度の信頼性を得るために、放射率の高い黒体を塗布した試験片を用いた温度測定結果と比較し校正を行った。(3)昇温機構の改善：200°C程度まで昇温した後に昇温が停止する問題があったが、温度調節器のPDIを改善して解決した。(4)インターロック機構の導入：試験片破断後に通電加熱部はチャンバーを介した通電をしてしまうことから、安全性のため、通電機構にタイマーによる自動停止機能を加え、また、真空チャンバーを開く際には自動的に通電機構の電源を停止するインターロック機構を付加した。
本研究の中核となる「応力下水素昇温脱離分析装置」は間も無く定常的な稼働が見込まれる。新規開発装置ゆえの困難は想定内ではあるが、予備試験と装置の改善は本年度中頃までを目処としていたため進捗はやや遅れていると判断する。

今後の研究の推進方策

中核となる応力下水素昇温脱離分析装置を開発とその改善により、応力負荷条件での水素昇温脱離分析が可能となった。今後は本装置を用い、いくつかの鋼種の応力負荷条件での昇温脱離分析により、水素結合状態あるいは拡散挙動に及ぼす応力の効果を検討する。これまでの測定結果から、オーステナイトステンレス304鋼においては、応力負荷によりその水素放出ピークが低温側にシフトすることが示唆された。そこで、まず応力負荷以外の装置の測定条件を統一して、応力負荷の有無による効果を明確化する。ピークのシフトが大きい場合には、負荷応力水準を変化させて、負荷応力の程度による水素放出ピークの変化を検討する。さらに、実験的に得られた水素放出曲線を、シミュレーションによって計算的に得られる水素放出曲線と対応させることにより、負荷応力が鋼中の水素拡散に及ぼす影響を定量的に評価する。次に、マルテンサイト鋼を用いて水素昇温脱離スペクトルに及ぼす応力負荷の効果を検討する。オーステナイト鋼の場合には水素拡散の活性化エネルギーが大きいため、水素昇温脱離スペクトルは水素拡散に支配されると考えられるが、一方bccマルテンサイト鋼の場合には水素拡散の活性化エネルギーは小さく、水素放出ピークは水素トラップサイトからの脱離の活性化エネルギーに依存する。室温からの水素昇温脱離分析の場合、転位、粒界、空孔などの格子欠陥の水素トラップからの放出ピークは重畳し概ね一つの拡散性水素のピークとして現れるが、応力負荷により特に旧オーステナイト粒界と水素との結合エネルギーが増加するとピークは高温側にシフトすると予想され、この効果を応力下水素昇温脱離分析により明らかにすることを試みる。合わせて、水素チャージしたマルテンサイト鋼を一定荷重に保持した後の除荷時の銀デコレーション法による水素可視化を行い、応力による水素の粒界での集積を明らかにする。