(57)【要約】【課題】鋼材の水素脆化特性に及ぼす塑性ひずみ量の影響を定量的に評価することが可能な方法を提供する。【解決手段】塑性ひずみが付与される鋼材の水素脆化特性を評価する方法であって、（ａ）前記塑性ひずみが付与される前の前記鋼材と同一の鋼からなり、所定方向における厚さが、所定方向に垂直な方向において連続的または段階的に変化する試験材に対して、所定方向が圧縮方向となるように、冷間または温間の圧縮加工または圧延を施す工程と、（ｂ）圧縮加工または圧延が施された試験材に対して、水素を導入する工程と、（ｃ）水素が導入された試験材を用いた水素脆化特性の評価結果に基づいて、鋼材の水素脆化特性を評価する工程と、を備える、水素脆化特性評価方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
塑性ひずみが付与される鋼材の水素脆化特性を評価する方法であって、
（ａ）前記塑性ひずみが付与される前の前記鋼材と同一の鋼からなり、所定方向における厚さが、前記所定方向に垂直な方向において連続的または段階的に変化する試験材に対して、前記所定方向が圧縮方向となるように、冷間または温間の圧縮加工または圧延を施す工程と、
（ｂ）前記圧縮加工または圧延が施された前記試験材に対して、水素を導入する工程と、
（ｃ）前記水素が導入された前記試験材を用いた水素脆化特性の評価結果に基づいて、前記鋼材の水素脆化特性を評価する工程と、を備える、
水素脆化特性評価方法。
【請求項２】
上記（ｂ）の工程において、水素導入の前、後または同時に、前記試験材に対して、弾性域での引張応力を付与する、
請求項１に記載の水素脆化特性評価方法。
【請求項３】
上記（ａ）の工程において、前記鋼材に付与される塑性ひずみの最大値の見積もり結果に基づいて、前記試験材に対して、前記試験材の厚さが最大となる部分において、前記塑性ひずみの最大値以上の塑性ひずみを付与する、
請求項１または請求項２に記載の水素脆化特性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素脆化特性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材料では、材料中に水素が導入され引張応力が負荷されると、水素脆化と呼ばれる現象が生じることがある。水素脆化が生じると、材料の破断強度、伸びおよび絞りが低下する。また、材料中の水素濃度が極めて高い場合には、引張応力または残留応力が付与されていない状態であっても、材料内部で水素脆化割れが生じることがある。その一例が、油井・ガス井の湿潤硫化水素環境で使用される炭素鋼・低合金鋼で生じる、水素誘起割れ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｃｒａｃｋｉｎｇ：ＨＩＣ）である。
【０００３】
一般に、材料強度が高くなるほど、鉄鋼材料の水素脆化感受性は増大することが知られている。したがって、材料に対する塑性ひずみ（永久ひずみ）の付与は、転位を生成し材料強度を上昇させるため、水素脆化感受性に対して悪影響を与える可能性が高いと考えられる。
【０００４】
鉄鋼材料には、製管またはプレスといった成形時に加えて、施工時、使用時等の種々の段階において、塑性ひずみが付与される。上述のとおり、塑性ひずみは水素脆化感受性に大きく影響を与えるため、製品の最終的な水素脆化感受性を適正に評価するためには、塑性ひずみ付与後の性能評価が必要である。
【０００５】
例えば、鋼板をパイプ状に成形して継目を溶接することで製造する溶接鋼管においては、製管時に塑性変形が加わることとなる。ここで、最終製品である溶接鋼管を用いて水素脆化感受性を評価することは可能である。しかしながら、この方法では製管した後でないと最終製品の性能が分からないため、工業的にはその前段階である鋼板を用いて適正な評価ができることが望まれる。
【０００６】
また、鋼板をプレス成形する場合、塑性ひずみは局所に集中する。このような材料に外部応力を負荷して水素脆化特性を評価することは容易ではない。材料が大きく変形してしまっていること、歪み分布により強度分布が同時に生じ均一な応力負荷が困難なことが挙げられる。したがって、塑性ひずみの影響を正しく評価できる手法が必要である。
【０００７】
例えば、特許文献１には、高強度鋼板の耐遅れ破壊性の評価方法（水素脆化評価法）が開示されている。特許文献１に記載される方法では、高強度鋼板の試験片に対して、この高強度鋼板の伸び量に対して２０〜８０％の塑性歪みを伴う引張加工を加えた後に、曲げ部の半径が５〜３０ｍｍとなるようなＵ曲げ加工か、曲げ部の角度が３０〜９０度となるようなＶ曲げ加工のいずれかを加え、更に、この曲げ加工を加えた試験片の両辺部分に対して５００〜２０００ＭＰａの圧縮応力を付加した状態で、電解溶液に陰極として浸漬し、陰極及び陽極に定電流を通電して水素チャージを行い、陰極試験片に割れが生じるまでの時間で高強度鋼板の耐遅れ破壊性を評価することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１９８８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載される方法では、塑性歪みを伴う引張加工に加えて、評価時にＵ曲げ加工またはＶ曲げ加工により塑性ひずみを付与するため、塑性ひずみ量と水素脆化特性との関係を定量的に評価することができないという問題がある。また、引張加工では、塑性ひずみが局部に集中するおそれがあり、付与する塑性ひずみ量の制御が困難であるという問題もある。
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決し、鋼材の水素脆化特性に及ぼす塑性ひずみ量の影響を定量的に評価することが可能な方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、下記の水素脆化特性評価方法を要旨とする。
【００１２】
（１）塑性ひずみが付与される鋼材の水素脆化特性を評価する方法であって、
（ａ）前記塑性ひずみが付与される前の前記鋼材と同一の鋼からなり、所定方向における厚さが、前記所定方向に垂直な方向において連続的または段階的に変化する試験材に対して、前記所定方向が圧縮方向となるように、冷間または温間の圧縮加工または圧延を施す工程と、
（ｂ）前記圧縮加工または圧延が施された前記試験材に対して、水素を導入する工程と、
（ｃ）前記水素が導入された前記試験材を用いた水素脆化特性の評価結果に基づいて、前記鋼材の水素脆化特性を評価する工程と、を備える、
水素脆化特性評価方法。
【００１３】
（２）上記（ｂ）の工程において、水素導入の前、後または同時に、前記試験材に対して、弾性域での引張応力を付与する、
上記（１）に記載の水素脆化特性評価方法。
【００１４】
（３）上記（ａ）の工程において、前記鋼材に付与される塑性ひずみの最大値の見積もり結果に基づいて、前記試験材に対して、前記試験材の厚さが最大となる部分において、前記塑性ひずみの最大値以上の塑性ひずみを付与する、
上記（１）または（２）に記載の水素脆化特性評価方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、鋼材の水素脆化特性に及ぼす塑性ひずみ量の影響を定量的に評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素脆化特性評価方法に用いられる試験材の形状を説明するための図である。
【図２】実施例で用いられる試験材の形状を示す図である。
【図３】ＨＩＣ試験後の試験材の超音波探傷法によるＣスキャン結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一実施形態に係る水素脆化特性評価方法について、詳細に説明する。
【００１８】
本発明の一実施形態に係る水素脆化特性評価方法は、製造時、施工時または使用時に塑性ひずみが付与される鋼材の水素脆化特性を評価する方法であり、（ａ）塑性ひずみ負荷工程、（ｂ）水素導入工程、および（ｃ）水素脆化特性評価工程を備える。各工程について詳しく説明する。
【００１９】
（ａ）塑性ひずみ負荷工程
塑性ひずみ負荷工程においては、まず塑性ひずみが付与される前の、水素脆化特性の評価対象となる鋼材と同一の鋼からなる試験材を準備する。ここで、同一の鋼とは、工業的に同一の工程により製造された鋼を意味する。すなわち、塑性ひずみが付与される前の鋼材と試験材とは、化学組成および金属組織が略同一である。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る水素脆化特性評価方法に用いられる試験材の形状を説明するための図である。図１（ａ）に示す例では、試験材の厚さが、長さ方向において連続的に変化し、一方側から他方側に向かって漸移減少している。また、図２（ｂ）に示す例のように、厚さが長さ方向において増減を繰り返す形状であってもよい。
【００２１】
また、図１（ａ），（ｂ）に示す例では、厚さは長さ方向において連続的に変化しているが、図１（ｃ），（ｄ）に示す例のように、厚さが長さ方向において段階的に変化してもよい。図１（ｄ）に示す例では、厚さが均一の部分と厚さが漸移減少するテーパ状の部分とが交互に繰り返される形状となっている。
【００２２】
なお、上述の例では、試験材の厚さは長さ方向において変化し、幅方向においては一定であるが、厚さ方向に垂直な方向において変化していればよい。例えば、厚さが長さ方向において一定であり、幅方向において変化していてもよいし、長さ方向および幅方向の両方において変化していてもよい。
【００２３】
そして、上記の試験片に対して、厚さ方向が圧縮方向となるように、冷間または温間の圧縮加工または圧延を施す。ここで、冷間または温間の圧縮加工または圧延とは、５０℃程度までの温度で行う圧縮加工または圧延を指すものとする。５０℃を超える温度では、鋼の回復が生じるおそれがある。その場合、塑性ひずみの水素脆化特性への影響が低減されるため、狙い通りの塑性ひずみを付与しても、その塑性ひずみの水素脆化特性への影響の適切な評価が難しくなるおそれがある。
【００２４】
本発明者らが、鋼材に付与される塑性ひずみ量と水素脆化特性との関係を調査した結果、塑性ひずみの付与方法に依存せずに、塑性ひずみ量と水素脆化割れの感受性との間に正の相関関係が認められることが分かった。すなわち、圧縮加工であっても引張加工であっても、それにより生じる塑性ひずみ量の水素脆化特性に及ぼす影響が同等であることを見出した。
【００２５】
上述のように、試験材に対して引張加工を施す場合には、塑性ひずみが局部に集中するおそれがあり、特に大きな塑性ひずみを付与したい場合には、付与する塑性ひずみ量の制御が困難である。そのため、本発明においては、塑性ひずみを付与するため、圧縮加工または圧延を行う。塑性ひずみ量は、断面圧下率などにより容易に調整することが可能である。
【００２６】
さらに、厚さが長さ方向において変化する試験材に対して、圧縮加工または圧延を施し、均一の厚さにすることにより、元の厚さが大きい領域では大きなひずみ量が、元の厚さが小さい領域では小さなひずみ量が付与されることになる。すなわち、１つの試験材に対して場所ごとに異なる様々な塑性ひずみを付与することが可能である。
【００２７】
試験材の大きさについては特に制限はなく、小型のものから大型のものまで自由に適用することが可能である。また、様々な塑性ひずみが付与された試験材を複数に分割し、後述する工程に供してもよい。
【００２８】
試験材に付与する塑性ひずみ量についても、適宜調整すればよい。例えば、評価対象となる鋼材に付与される塑性ひずみの最大値を見積もり、その見積り結果に基づいて、試験材に付与する塑性ひずみ量を決定することができる。塑性ひずみが付与された後の鋼材の水素脆化特性を厳しく評価する観点からは、見積もられた塑性ひずみの最大値以上の塑性ひずみを、試験材の厚さが最大となる部分、すなわち最も大きな塑性ひずみが付与される部分に付与することが好ましい。
【００２９】
（ｂ）水素導入工程
水素導入工程においては、上記（ａ）の工程で圧縮加工または圧延を施し、塑性ひずみを付与した試験材に対して、水素を導入する。
【００３０】
水素を導入する方法については特に制限はなく、公知の方法を適宜採用すればよい。例えば、電解液中で電解チャージを行う方法、高圧水素ガス雰囲気下で保持する方法、腐食液中に浸漬する方法等が挙げられる。
【００３１】
電解チャージを行う方法では、試験材および白金等の対極を電解液に浸漬し、試験材と対極との間に電位差を生じさせて、試験材に水素発生電位より卑の電位となる電圧を印加することで、試験材中に電気化学的に水素を導入することが可能である。
【００３２】
電解液としては、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）水溶液または塩酸（ＨＣｌ）水溶液等の酸性溶液、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）水溶液等の中性溶液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液等のアルカリ性溶液を用いることができる。
【００３３】
また、高圧水素ガス雰囲気下で保持する方法では、例えば、水素分圧が０．１ＭＰａ以上、好ましくは１ＭＰａ以上である水素含有雰囲気中に試験材を保持することで、水素を導入することが可能である。
【００３４】
さらに、腐食液中に浸漬する方法では、酸溶液中に単純浸漬し、腐食反応で発生した水素を材料中に導入してもよいし、ＮＡＣＥ  ＴＭ０２８４−２０１６に規定される酸性溶液中に硫化水素ガスを飽和させた環境に試験材を浸漬し、腐食反応によって試験材表面で水素を発生させることで、試験材中に水素を導入してもよい。
【００３５】
水素導入工程においては、水素導入の前後または同時に、試験材に対して、弾性域での引張応力を付与してもよい。引張応力を付与することにより、水素の導入量を増加させることが可能である。付与する引張応力を弾性域のものとするのは、新たな塑性ひずみが付与されるのを避けるためである。
【００３６】
（ｃ）水素脆化特性評価工程
水素脆化特性評価工程においては、まず上記（ｂ）の工程で水素が導入された試験材を用いて、当該試験材の水素脆化特性の評価を行う。水素脆化特性の評価方法については特に制限はなく、試験材に含まれる水素濃度を測定する方法、割れの発生状態を評価する方法、水素透過試験を行う方法などが挙げられる。
【００３７】
試験材中の水素濃度の測定方法については特に制限はなく、例えば、ガスクロマトグラフ式昇温脱離水素分析装置（ＴＤＡ）を用いて、試験材を１００℃／ｈの昇温速度で４００℃まで加熱した後、放出された水素量を測定することにより求めることができる。
【００３８】
なお、水素濃度の測定は、上述の方法によって試験材に水素を導入した後に行ってもよいし、水素導入の前後の両方で行ってその差を評価してもよい。水素脆化特性を評価するための重要なパラメータの１つである試験材中の水素濃度を測定することにより、試験材の水素脆化特性を評価することが可能となる。
【００３９】
また、割れの発生状態を評価する方法についても特に制限はなく、水素導入後の試験材について、目視で評価するか、光学顕微鏡もしくは電子顕微鏡等を用いて表面観察を行うか、または超音波探傷法を用いて内部の割れの測定を行い、水素導入によって割れが生じたか否か、またはどの程度の割れが発生したかの調査を行うことができる。
【００４０】
さらに、試験材に対して応力を負荷した後に、割れの発生状態を評価してもよい。試験材に負荷する応力の種類については特に制限されず、引張応力、圧縮応力、曲げ応力、ねじり応力のいずれであってもよい。そして、例えば、破断が生じた際の応力を測定することによって、試験材の水素脆化特性を直接的に評価することが可能である。試験材に対する応力の負荷は、上述の方法によって試験材に水素を導入した後に行ってもよいし、水素を導入しながら行ってもよい。塑性ひずみの影響を調査することが目的であるため、試験片全体に負荷される応力については弾性応力以下とすることが望ましいが、切欠き底またはき裂先端等の応力集中が生じる局所においては、弾性応力を超え塑性ひずみが生じてもよい。
【００４１】
また、水素透過試験とは、板状の試験片を採取し、その一方から水素を導入し、他方から試験片中を透過した水素を検出する手法である。水素導入方法について特に制限はなく、上述した電解液中で電解チャージを行う方法、高圧水素ガス雰囲気下で保持する方法、腐食液中に浸漬する方法等を採用することができる。一方、水素検出側についても、透過してきた水素を電気化学的に測定してもよいし、ガスクロマトグラフ等を用いてガスとして評価してもよい。用いる手法によっては、試験片上にＮｉまたはＰｄのメッキを施すこともある。水素透過試験では、材料中への水素の侵入速度および拡散速度を評価することができる。
【００４２】
上述の方法により試験材を用いた水素脆化特性の評価が終了した後、当該評価結果に基づいて、評価対象となる鋼材の水素脆化特性の評価を行う。鋼材の水素脆化特性の評価方法については特に制限はない。例えば、鋼材に付与されると見積もられた塑性ひずみの最大値を含む、種々の塑性ひずみを試験材に付与した場合には、試験材における上記の最大値が付与された部分の水素脆化特性が、塑性ひずみが付与された後の鋼材の水素脆化特性であると評価することができる。
【００４３】
また、試験材に対して種々の塑性ひずみを付与した後に水素脆化特性を評価し、結果が良好であった領域と不良であった領域とを判別することで、閾値となる塑性ひずみ量を決定し、鋼材に付与される塑性ひずみ量が上記の閾値以下であれば水素脆化特性に優れると評価し、上記の閾値を超える場合には水素脆化特性に劣ると評価することができる。
【００４４】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４５】
０．０５％のＣおよび１．５％のＭｎを含む炭素鋼からなり、図２に示す形状を有する鋼板を試験材とした。試験材の寸法は、幅２０ｍｍ、長さ１００ｍｍであり、厚さは一方側において１６．２ｍｍ、他方側において１８ｍｍである。また、鋼板の引張強さは、約６００ＭＰａであった。
【００４６】
そして、上記試験材に対して冷間圧延を施して、厚さを１６．２ｍｍとした。すなわち、試験材の一方側には塑性ひずみは付与されておらず、他方側には１０％の塑性ひずみが付与されている。
【００４７】
そして、塑性ひずみが付与された試験材を用いて、ＮＡＣＥ  ＴＭ０２８４−２０１６の規定から浸漬時間のみを変更したＨＩＣ試験を実施した。具体的には、５％ＮａＣｌおよび０．５％ＣＨ３ＣＯＯＨを含有し、窒素ガスを用いて酸素を除去した後、１気圧のＨ２Ｓを飽和させた水溶液を試験液として準備した。
【００４８】
そして、上記の試験液に各試験材を２５℃で１６８時間浸漬することで、水素の導入を行った。その後、試験材を試験液から取り出し、内部に発生したＨＩＣを超音波探傷法（Ｃスキャン）により測定を行った。図３は、ＨＩＣ試験後の試験材の超音波探傷法によるＣスキャン結果を示す図である。
【００４９】
図３に示すように、塑性ひずみ量が４．５％を超える領域において、ＨＩＣが内部に発生することが分かった。そして、本実施例で評価対象となった鋼材は、付与される塑性ひずみが４．５％以下の場合には水素脆化特性に優れ、４．５％を超える塑性ひずみが付与される場合には、水素脆化特性が劣化するおそれがあると評価された。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、鋼材の水素脆化特性に及ぼす塑性ひずみ量の影響を定量的に評価することが可能となる。
【図１】
2020041838.tif 000002
【図２】
2020041838.tif 000003
【図３】
2020041838.tif 000004