(57)【要約】【課題】実際に使用されている状態における鋼材などの金属部材に対する水素の侵入特性が評価できるようにする。【解決手段】ステップＳ１０１で、対象とする金属部材に対して水素を蓄積する（侵入させる）。次に、ステップＳ１０２で、水素を蓄積した金属部材の表面から深さ方向の水素の分布（濃度分布）を測定する。次に、ステップＳ１０３で、上述したように測定された水素の分布より金属部材における表面からの水素の拡散深さを決定する。次に、ステップＳ１０４で、金属部材の表面に形成されている酸化膜の厚さと拡散深さとの比較により金属部材における水素の進入特性を評価する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象とする金属部材に対して水素を蓄積する水素蓄積工程と、
水素を蓄積した前記金属部材の表面から深さ方向の水素の分布を測定する分布測定工程と
を備えることを特徴とする分析方法。
【請求項２】
請求項１記載の分析方法において、
測定された水素の分布より前記金属部材における表面からの水素の拡散深さを決定する深さ決定工程と、
前記金属部材の表面に形成されている酸化膜の厚さと前記拡散深さとの比較により前記金属部材における水素の侵入特性を評価する評価工程と
をさらに備える分析方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の分析方法において、
前記分布測定工程は、グロー放電発光分析法により、水素を蓄積した前記金属部材の表面から深さ方向の水素の分布を測定することを特徴する分析方法。
【請求項４】
請求項１または２記載の分析方法において、
前記分布測定工程は、グロー放電質量分析法により、水素を蓄積した前記金属部材の表面から深さ方向の水素の分布を測定することを特徴する分析方法。
【請求項５】
請求項１または２記載の分析方法において、
前記分布測定工程は、二次イオン質量分析法により、水素を蓄積した前記金属部材の表面から深さ方向の水素の分布を測定することを特徴する分析方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の分析方法において、
前記水素蓄積工程は、電気化学的方法により前記金属部材に対して水素を蓄積することを特徴する分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属から構成された金属部材に対する水素侵入特性を評価する分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、プレストレスコンクリート構造物や自動車などの部材として、高強度の炭素鋼が広く用いられている。このような高強度鋼など応力が加わった状態における金属部材に水素が侵入すると、元来の金属の特性である靭性が低下する水素脆化現象が生じることがある。水素脆化が起きた金属部材では、設計上の所定の強度が損なわれるため、金属部材自体の破壊、さらには金属部材から構成される構造物の破壊につながる恐れがある。この水素脆化現象は、炭素鋼などの鉄鋼の他、チタンおよびアルミニウムなどの金属でも生じ得る。
【０００３】
一方、水素脆化を起こしにくい金属部材には、例えば、鉄を主成分とする金属部材においてはステンレスＳＵＳ３１６Ｌがある。しかしながら、この材料は、一般の炭素鋼に比べて高価であり、生産性などの点からも炭素鋼の代替にはなり得ない。このため、安価な炭素鋼の中でも水素脆化に対する耐性が高い、言い換えると、水素脆化感受性が低い鋼材の種類を選定する必要がある。または、安価な炭素鋼を水素脆化が問題とならない使用条件で用いる必要がある。これを実現するためには、水素脆化感受性を評価することが重要となる。
【０００４】
水素脆化感受性の評価のひとつに、水素侵入量の評価がある。水素侵入量は、例えば、幾種類かの金属部材について，所定の大きさに加工し，加工された各々の金属部材を溶液中に浸漬し、自発的にもしくは電気化学的に金属部材中に水素を侵入させる試験を行い、水素侵入量を測定して評価するものである。この結果、ある水素侵入試験条件で、各々の金属部材における水素侵入量を把握できるので、引張試験などの別の力学的試験を用いて、水素侵入量における各々の金属部材での力学的特性を把握すれば、水素脆化感受性を評価できる。
【０００５】
また、ある一種の鋼材についての水素脆化感受性の評価の場合であれば、例外を除き、一般には水素侵入量が多いほど、力学的特性は劣ることから、いくつかの使用環境を仮定したいくつかの実験条件において、水素侵入量が多い結果を与える実験条件に相当する使用環境の方が水素脆化は起き易いということが、力学的試験を行わなくても、推定することができる。この水素侵入量の測定に用いられる分析法としては、例えば、昇温脱離分析法がある（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】南雲  道彦  著、「水素脆性の基礎  水素の振る舞いと脆化機構」、株式会社  内田老鶴圃、第１版、５５−６７頁、２００８年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、現在一般には、金属部材の水素侵入量の評価は、所定の大きさに加工した金属部材の全体を用いた分析によりなされている。この分析では、金属部材に対して侵入した水素の全体の量を把握しており、どの金属部材がどの程度の水素侵入の容易性を有しているかを把握することができる。実際に使用される金属部材の表面には、製造段階もしくは製造後の段階において、内部の金属組織に比較して薄い酸化膜が形成されているが、上述した金属部材の水素侵入量の評価では、加工時に、研磨などの方法によってあらかじめ酸化膜が除去されている。これは、金属部材の水素侵入量の評価は、内部の金属組織を対象として行われるためである。
【０００８】
しかしながら、実際に使用されている状態における金属部材に対する水素の侵入特性を評価する場合、上述した酸化膜の影響を含めて、内部の金属組織への水素侵入の容易性を評価しなければならない。これに対し、昇温脱離分析法などの金属部材の全体を用いた分析では、上述したように酸化膜を除去して測定を行うため、酸化膜中に侵入した水素の量と、酸化膜の下の内部の金属組織に侵入した水素の量とを分離して評価することはできない。このように、従来の分析方法では、実際に使用されている状態における金属部材に対する水素の侵入特性を評価することは困難であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、実際に使用されている状態における鋼材などの金属部材に対する水素の侵入特性が評価できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る分析方法は、対象とする金属部材に対して水素を蓄積する水素蓄積工程と、水素を蓄積した金属部材の表面から深さ方向の水素の分布を測定する分布測定工程とを備える。
【００１１】
上記分析方法において、測定された水素の分布より金属部材における表面からの水素の拡散深さを決定する深さ決定工程と、金属部材の表面に形成されている酸化膜の厚さと拡散深さとの比較により金属部材における水素の侵入特性を評価する評価工程とを備えるようにすればよい。
【００１２】
上記分析方法において、分布測定工程は、グロー放電発光分析法により、水素を蓄積した金属部材の表面から深さ方向の水素の分布を測定すればよい。また、分布測定工程は、グロー放電質量分析法により、水素を蓄積した金属部材の表面から深さ方向の水素の分布を測定してもよい。また、分布測定工程は、二次イオン質量分析法により、水素を蓄積した金属部材の表面から深さ方向の水素の分布を測定してもよい。なお、水素蓄積工程は、電気化学的方法により金属部材に対して水素を蓄積すればよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したことにより、本発明によれば、実際に使用されている状態における鋼材などの金属部材に対する水素の侵入特性が評価できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における分析方法を説明するフローチャートである。
【図２】図２は、電気化学的方法により金属部材に対して水素を侵入させる装置の構成を示す構成図である。
【図３】図３は、ある鋼材Ａに対する水素チャージ工程による水素の深さ方向の濃度分布の測定結果の１例について示す特性図である。
【図４】図４は、ある鋼材Ｂに対する水素チャージ工程による水素の深さ方向の濃度分布の測定結果の１例について示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における分析方法を説明するフローチャートである。この分析方法は、まず、ステップＳ１０１で、対象とする金属部材に対して水素を蓄積する（侵入させる）。例えば、電気化学的方法により金属部材に対して水素を蓄積することができる。また、高圧水素雰囲気に金属部材を載置することで、金属部材に対して水素を侵入させるようにしても良い。
【００１６】
次に、ステップＳ１０２で、水素を蓄積した金属部材の表面から深さ方向の水素の分布（濃度分布）を測定する。グロー放電発光分析法，グロー放電質量分析法，または、二次イオン質量分析法により、水素を蓄積した金属部材の表面から深さ方向の水素の分布を測定することができる。
【００１７】
このように、新たに水素が蓄積された状態で、金属部材の酸化膜および金属組織における深さ方向の水素の分布を測定しているので、酸化膜を通しての金属組織への水素の侵入特性を把握することができ、次に示すことにより、金属部材における水素の侵入特性が評価できるようになる。
【００１８】
ステップＳ１０３で、上述したように測定された水素の分布より金属部材における表面からの水素の拡散深さを決定する。次に、ステップＳ１０４で、金属部材の表面に形成されている酸化膜の厚さと拡散深さとの比較により金属部材における水素の侵入特性を評価する。ここで、酸化膜の厚さは、水素の分布測定において酸素の分布（濃度分布）も同時に測定することで決定できる。このような深さ方向の水素の分布測定技術では、よく知られているように、水素の分布と同時に、酸素の深さ方向の分布が測定可能である。この酸素の分布測定の結果より、一定の基準を用いて酸化膜の厚さの情報も得られる。なお、酸化膜の厚さについての情報は、他の分析方法によって求めることができる。
【００１９】
上述したように、金属部材における酸化膜および金属組織における水素の分布を測定することで、酸化膜を通した水素の侵入のし易さに対応して金属組織にまで拡散する状態が把握できるようになる。これにより、例えば、ある鋼材では、一部の水素が酸化膜を通して下の金属組織にまで侵入しているものと判断できる。このように酸化膜を通した水素の拡散状態が把握できれば、実際に使用されている状態における水素の侵入特性が把握できるので、例えば、この鋼材は水素がより侵入し易いものと評価できる。
【００２０】
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００２１】
［実施例］
まず、対象とする金属部材に対して水素を侵入させる（蓄積する）ための装置について図２を用いて説明する。図２は、電気化学的方法により金属部材に対して水素を侵入させる装置の構成を示す構成図である。
【００２２】
この装置は、容器２０１に収容したアルカリ性水溶液２０２と、ガルバノポテンショスタット２０３とを備える。ガルバノポテンショスタット２０３には、作用極配線２０４，対極配線２０５，参照極配線２０６が接続している。対極配線２０５には対極２０７が接続し、参照極配線２０６には参照極２０８が接続している。また、作用極配線２０４には、対象となる金属部材の試料片２１１が接続される。これら接続されている試料片２１１，対極２０７，参照極２０８は、アルカリ性水溶液２０２に浸漬されて用いられる。
【００２３】
本実施例では、まず、金属部材として炭素鋼製の鋼棒を対象とし、この鋼棒の表面付近から採取した部材を平板状に成形して試料片２１１としている。また、試料片２１１においては、酸化膜（自然酸化膜）が形成されている表面領域以外は、封止膜（不図示）を形成し、アルカリ性水溶液２０２に接触しないようにしている。また、本実施例では、実際に使用する環境としてコンクリート中の鋼材を想定し、アルカリ性水溶液２０２を用いた。
【００２４】
アルカリ性水溶液２０２は、水酸化ナトリウム０．１Ｍ水溶液（ｐＨ１３相当）とした。なお、このｐＨは、８〜１４の間で、実験者または実験を指示する者が意図する範囲の条件としてよい。また、本実施例では、水素ガスの発生を抑制し、水素の侵入を促進する触媒としてチオシアン酸アンモニウムを１重量パーセントとなるようにアルカリ性水溶液２０２添加している。実験者または実験を指示する者が意図する範囲の条件で、水素の侵入を促進する他の薬品を添加してもよい。
【００２５】
また、本実施例では、水素の侵入を促進するため、作用極である試料片２１１と参照極２０８としての水銀−酸化水銀電極との間の電位を、マイナス１１００ｍＶに保持した。この値は、実験者または実験を指示する者が意図する範囲の条件で、水素の侵入を促進する電位としてもよい。また、水銀-酸化水銀電極以外の参照極を用いてもよい。例えば、参照極２０８として銀塩化銀電極を用い、試料片２１１と参照極２０８との間の電位をマイナス５００ｍＶからマイナス１５００ｍＶ程度の間の一定の電位としてもよい。また、本実施例では、ガルバノポテンショスタット２０３を用いて電位を一定としたが、実験者または実験を指示する者が意図する範囲の条件で、同様のガルバノポテンショスタットを用いて電流を一定としてもよい。
【００２６】
本実施例では、電位を保持した状態での浸漬時間を５０時間とした。なお、この時間は、実験者または実験を指示する者が意図する範囲の条件で定めてもよい。
【００２７】
以上の水素蓄積条件は、異なる鋼材で構成される部材を用いた複数の試料片における水素の侵入特性を比較するのであれば、すべての試料片に対して一律の条件とする。また、ある一種の鋼材で構成される部材を用いた複数の試料片における水素の侵入特性を比較するのであれば、いくつかの使用環境を仮定したいくつかの実験条件を、実験者または実験を指示する者が意図する範囲で設定すればよい。
【００２８】
図３は、ある鋼材Ａに対する水素チャージ工程による水素の深さ方向の濃度分布の測定結果の１例について示す特性図である。深さ方向元素分析法は、グロー放電発光分析法である。酸素の深さ方向の濃度分布も併せて示してある。図３において、実線が水素の深さ方向の濃度分布を占めし、点線が酸素の深さ方向の濃度分布を示している。
【００２９】
グロー放電発光分析法により与えられる横軸はスパッタ時間であるが、同等の鋼材の標準試料を用いる方法によって、横軸をスパッタ時間から相当する深さに換算できる。また、グロー放電発光分析法により与えられる縦軸は、元素ごとの固有の波長の発光強度であるが、水素などの対象元素が既知量含まれた標準試料を用いる方法によって、縦軸を発光強度から相当する濃度に換算できる。また、グロー放電質量分析法や二次イオン質量分析法で与えられる縦軸は、元素ごとの固有の質量のイオン強度であるが、水素などの対象元素が既知量含まれた標準試料を用いる方法によって、縦軸をイオン強度から相当する濃度に換算できる。
【００３０】
試料片２１１の表面に形成されている酸化膜の厚さについての情報は、他の分析方法によって求めてもよいが、本実施例では、測定された図３の酸素の深さ方向の濃度分布において、濃度０．０１重量パーセントを基準として、この基準以上の濃度を示す表面からの深さを、便宜上、金属部材の侵入特性に影響を与える酸化膜の実質的な厚さと定める。図３の点線の変化から分かるように、実施例においては、鋼材Ａによる試料片の酸化膜の実質的な厚さはおおむね４μｍである。同様に、図３の水素の深さ方向の濃度分布において、濃度０．０００１重量パーセントを基準として、この基準以上の濃度を示す表面からの深さを、便宜上、水素の拡散深さと定める。図３の実線の変化より、水素の拡散深さはおおむね５．５μｍである。
【００３１】
鋼材によって、または、試料片として採取した鋼材の部位によって、酸化膜の厚さは異なるため、酸化膜の実質的な厚さは試料片によって異なる。よって、酸化膜の実質的な厚さと水素の拡散深さとの間の相対的関係を用いて、酸化膜を通しての金属組織への水素の侵入特性を評価する。本実施例では、水素の拡散深さが、酸化膜の実質的な厚さを超えても、酸化膜の実質的な厚さの２倍までにとどまれば、すなわち、水素の拡散深さの酸化膜の実質的な厚さに対する比率が２以下であれば、酸化膜の影響により、金属組織への水素の侵入は小さいと評価する。図３に示す結果では、水素の拡散深さの酸化膜の実質的な厚さに対する比率が２以下であるので、金属組織への水素の侵入は小さいと評価する。この比率は、実験者または実験を指示する者が意図する範囲の条件で設定してもよい。
【００３２】
図４は、ある鋼材Ｂに対する水素チャージ工程による水素の深さ方向の濃度分布の測定結果の１例について示す特性図である。深さ方向元素分析法は、グロー放電発光分析法である。酸素の深さ方向の濃度分布も併せて示してある。図４において、実線が水素の深さ方向の濃度分布を示し、点線が酸素の深さ方向の濃度分布を示している。
【００３３】
図３を用いて説明で用いた取り決めに従えば、図４に示す結果は、鋼材Ｂによる試料片の酸化膜の実質的な厚さはおおむね２μｍであることを示している。同様に、図４に示す結果は、水素の拡散深さは１０μｍ以上であることを示している。図４の結果では、水素の拡散深さの酸化膜の実質的な厚さに対する比率は５以上であり、２以下ではないので、金属組織への水素の侵入は大きいと評価する。
【００３４】
このように、本発明により、酸化膜を通した水素の拡散状態が把握できる。このため、鋼材Ａと鋼材Ｂとについて、実際に使用されている状態における水素の侵入特性を把握し、比較できる。この例では、鋼材Ｂは鋼材Ａよりも、水素がより侵入し易いものと評価できる。
【００３５】
以上に説明したように、本発明によれば、対象とする金属部材に対して水素を蓄積した後、水素を蓄積した金属部材の表面から深さ方向の水素の分布を測定するようにした。また、測定された水素の分布より金属部材における表面からの水素の拡散深さを決定し、酸化膜の厚さと拡散深さとの比較により金属部材における水素の侵入特性を評価するようにした。この結果、実際に使用されている状態における鋼材などの金属部材に対する水素の侵入特性が評価できるようになる。
【００３６】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施例では、金属部材として鋼材を対象としたが、これに限るものではなく、チタンおよびアルミニウムなどによる金属部材であっても同様である。
【符号の説明】
【００３７】
２０１…容器、２０２…アルカリ性水溶液、２０３…ガルバノポテンショスタット、２０４…作用極配線、２０５…対極配線、２０６…参照極配線、２０７…対極、２０８…参照極、２１１…試料片。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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