(57)【要約】【課題】鋼材における水素脆化の状態がより迅速に評価できるようにする。【解決手段】鋼材が腐食しない電気化学条件で、電解質水溶液に浸漬している鋼材に負電位を印加して鋼材の表面に水素を発生させる。例えば、鋼材を浸漬している電解質水溶液中に、参照極および対極を配置し、鋼材を作用極とした３極構成で、鋼材（作用極）および対極間に流れる電流を制御し、鋼材に対して−１２００ｍＶ程度の電位を印加すればよい。以上のように、鋼材に電解質水溶液に接触させて負電位を印加している状態としてから、この状態で鋼材の引張試験を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材を電解質水溶液に浸漬する第１ステップと、
前記鋼材が腐食しない電気化学条件で、電解質水溶液に浸漬している前記鋼材に負電位を印加して前記鋼材の表面に水素を発生させる第２ステップと、
前記鋼材に負電位を印加して前記鋼材の表面に水素を発生させている状態で前記鋼材の引張試験を行う第３ステップと、
前記鋼材表面の亀裂の有無により前記鋼材の水素脆化特性を評価する第４ステップと
を少なくとも備えることを特徴とする鋼材評価方法。
【請求項２】
請求項１記載の鋼材評価方法において、
前記電解質水溶液はアルカリ水溶液であることを特徴とする鋼材評価方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の鋼材評価方法において、
前記電解質水溶液は、チオシアン酸アンモニウムが含まれていることを特徴とする鋼材評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材における水素脆化の状態を評価する鋼材評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼材は、使用環境において水素を含むと延性が失われ，強度が著しく低下する（非特許文献１参照）。この現象は、水素脆化と呼ばれている。この水素脆化は、次に示すことにより起こる。まず、鋼材の粒界や析出物など強いトラップサイトに濃縮された水素が、局所的に金属原子間の結合力を弱め、外力，内部応力の作用によってマイクロクラックが発生する。発生したマイクロクラック周辺では、高い応力集中のために新たなマイクロクラックが発生し、これらが次々に伝播し、連結する。このクラックの成長により、最終的に破壊に至る（非特許文献２参照）。また、マイクロクラックの発生は、水素濃度がある臨界値に達した領域において起こると言われている（非特許文献２参照）。
【０００３】
このような過程により起きる鋼材の水素脆化に関し、この状態を評価する水素脆化特性評価方法がある。この評価方法では、一般に、ＦＩＰ試験が用いられている（非特許文献３参照）。ＦＩＰ試験では、試験対象の鋼材を５０℃とした２０％チオシアン酸アンモニウム水溶液中に配置して鋼材に水素を吸蔵させた状態で定荷重負荷をかけ、規定した時間内での鋼材の破断の有無により、鋼材の特性を評価する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】南雲  道彦、「鋼の力学的挙動に及ぼす水素の影響」、鉄と鋼、Tetsu-to-Hagane、Vol.90、No.10、pp.766-775, 2004。
【非特許文献２】深井  有  他、「水素と金属  次世代への材料学」、株式会社  内田老鶴圃、第２版、２１０−２１１、２１８−２１９頁、２００２年。
【非特許文献３】「２０％チオシアン酸アンモニウム溶液中でのＰＣ鋼材の水素脆化試験方法」、JSCE S 1201、２０１２年。
【非特許文献４】藤本  憲宏、東  康弘、齋藤  博之、澤田  孝、「チオシアン酸アンモニウム水溶液で腐食された鋼材への水素浸入」、材料と環境、vol.60, no.11, pp.476-478, 2011.
【非特許文献５】POURBAIX, ATLAS OF ELECTROCHEMICAL EQUILIBRIA IN AQUEOUS SOULUTION, p312.
【非特許文献６】伊藤  博史  他、「水素脆化感受性の異なる焼戻しマルテンサイト鋼の水素ひずみ誘起格子欠陥比較」、CAMP-ISIJ、Vol.23、1295、２０１０年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＦＩＰ試験法では、試験時間を標準で２００時間としているため、評価に時間がかかるという問題がある。
【０００６】
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、鋼材における水素脆化の状態がより迅速に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】
【０００７】
本発明に係る鋼材評価方法は、鋼材を電解質水溶液に浸漬する第１ステップと、鋼材が腐食しない電気化学条件で、電解質水溶液に浸漬している鋼材に負電位を印加して鋼材の表面に水素を発生させる第２ステップと、鋼材の引張試験を行う第３ステップと、鋼材表面の亀裂の有無により鋼材の水素脆化特性を評価する第４ステップとを少なくとも備える。
【０００８】
上記鋼材評価方法において、電解質水溶液はアルカリ水溶液であればよい。また、電解質水溶液は、チオシアン酸アンモニウムが含まれているとよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したことにより、本発明によれば、鋼材における水素脆化の状態がより迅速に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】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における鋼材評価方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、鉄−水系の電位−ｐＨ図である。
【図３】図３は、本発明の鋼材評価方法を実施するために用いる実験装置の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、実験により試料１に発生した亀裂の状態を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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鋼材評価方法を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１０１で、評価対象の鋼材を電解質水溶液に浸漬する。なお、鋼材全体が、電解質水溶液中に浸されている必要はない。鋼材の一部分が、電解質水溶液に接触していればよい。電解質水溶液は、例えば、０．１Ｍの水酸化ナトリウム水溶液であればよい。また、電解質水溶液は、例えば、１％チオシアン酸アンモニウムを添加した０．１Ｍの水酸化ナトリウム水溶液とするとよい。
【００１２】
次に、ステップＳ１０２で、鋼材が腐食しない電気化学条件で、電解質水溶液に浸漬している鋼材に負電位を印加して鋼材の表面に水素を発生させる。例えば、鋼材を浸漬している電解質水溶液中に、参照極および対極を配置し、鋼材を作用極とした３極構成で、鋼材（作用極）および対極間に流れる電流を制御し、鋼材に対して−１２００ｍＶ程度の電位を印加すればよい。
【００１３】
以上のように、鋼材を電解質水溶液に接触させて負電位を印加している状態としてから、ステップＳ１０３で、上記状態を維持して鋼材の引張試験を行う。例えば、引っ張り速度０．２７ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行えばよい。この後、ステップＳ１０４で、電解質水溶液に接触している（していた）鋼材表面の亀裂（マイクロクラック）の有無により鋼材の水素脆化特性を評価する。例えば、鋼材にくびれ（ネッキング）が始まると同時に引張試験を停止し、電解質水溶液に接触していた鋼材表面における亀裂の有無を観察する。
【００１４】
ここで、例えば、水素発生時に鋼材表面が腐食する状態では、亀裂の有無が正確に確認できない。このため、鋼材が腐食しない電気化学条件で、電解質水溶液に浸漬している鋼材に負電位を印加して鋼材の表面に水素を発生させる。電気化学反応を用いた方法で、鋼材表面において電極電位をカソード分極することにより水素を発生させれば、表面に腐食生成物が形成されず、表面が黒くなることはない（非特許文献４参照）。例えば、図２に示す鉄−水系の電位−ｐＨ図において、「Ｆｅ」の領域となる電気化学条件で、電解質水溶液に浸漬している鋼材に負電位を印加すればよい（非特許文献５参照）。例えば、アルカリ水溶液中で鋼材に負電位を印加すればよい。このように、鋼材が腐食しない状態で鋼材表面に水素を発生させることで、鋼材表面における亀裂の有無が正確に確認できる。
【００１５】
亀裂が観察された場合、鋼材の表面近傍において亀裂（マイクロクラック）が発生する水素濃度に達しており、耐水素脆化特性が低い鋼材であると判断することができる。一方、亀裂が観察されなかった場合は、耐水素脆化特性の高い鋼材であると判断することができる。この評価方法では、鋼材表面近傍の水素濃度が高い状態にあればよく、鋼材の中心部（奥）まで水素が入り込んでいる必要がない。このため、鋼材表面に水素を発生させた後、長い時間を経過させることなく、引張試験を行い、亀裂の発生有無の確認が行えるので、より短時間に鋼材の水素脆化特性を評価することができる。また、対象とする鋼材の寸法（主に直径）が、どの様な大きさであっても評価結果に影響を与えることがない。
【００１６】
また、水素を含んだ鋼材は、動的な荷重をかけることにより水素脆化の進展が起こるとされており、動的な荷重の動きが遅いほど水素脆化の進展が進行するとされている（非特許文献６参照）。言い換えると、引張試験における引っ張り速度を速くしすぎると、水素脆化が進行する前に鋼材が破断し、水素脆化の正しい評価ができない可能性がある。従って、引張試験における引っ張り速度は、実験などにより動的な加重の速度と水素脆化の進展との関係を把握した上で、適宜に決定する。発明者らの検討によれば、破断までの時間が１〜２時間程度として引張試験によれば、この試験の時間の中で、水素と鋼材との相互作用が十分に発現され、水素脆化が発生している状態であることが確認されている。
【００１７】
［実施例１］
以下、実験の結果をもとにより詳細に説明する。本実験では、図３に示す実験装置を用いる。この装置は、アクリル樹脂などから構成された容器３０１と、同様にアクリル樹脂から構成された蓋３０２と、容器３０１に収容された電解質溶液３０３とを備える。電解質溶液３０３は、１％チオシアン酸アンモニウムを添加した０．１Ｍの水酸化ナトリウム水溶液である。また、この装置は、電解質溶液３０３中に配置された参照極３０４，対極３０５を備える。参照極３０４は、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極であり、対極３０５は、Ｐｔ電極である。また、対象となる鋼材３０６は、容器３０１の底部から蓋３０２を貫通して電解質溶液３０３に接触する状態とされている。
【００１８】
鋼材３０６は、直径９ｍｍ、長さ４５０ｍｍの棒状とされており、容器３０１の底部の貫通部では、シリコーンゴムによる栓３０７により電解質溶液３０３が漏れないようにシールされている。また、参照極３０４は、蓋３０２を貫通して先端部が電解質溶液３０３に接触する状態としており、蓋３０２に栓３０８で固定されている。実験対象の鋼材として、一般的な高強度鋼（Ｆｅ−０．２５％Ｓｉ）による試料１と、Ｓｉを意図的に添加した高強度鋼（Ｆｅ−１．８８％Ｓｉ）による試料２とを用いた。なお、Ｓｉを意図的に添加していない一般的な高強度鋼においても、ある程度Ｓｉが含まれている。
【００１９】
この状態で、ポテンショスタット（不図示）などを用い、鋼材３０６を作用極とし、参照極３０４および対極３０５を用いた３極構成で、鋼材３０６に、参照極３０４に対して負の電位（−１２００ｍＶ）を印加する。この電位印加により、電解質溶液３０３に触れている鋼材３０６の表面には、水素が発生する。また、上記条件は、電解質溶液３０３に触れている鋼材３０６の表面が、腐食しない電気化学条件である。
【００２０】
ＦＩＰ試験法で用いられる鋼材の水素吸蔵では、チオシアン酸アンモニウムに自然浸漬する方法が用いられるが、この場合、鋼材表面が腐食して腐食生成物が形成され、試験対象の鋼材表面は黒くなる。これに対し、上述した電気化学反応を用いた水素吸蔵によれば、鋼材表面において電極電位をカソード分極することにより水素を発生させるため、表面に腐食生成物は形成されず、表面が黒くなることはない．
【００２１】
以上のようにして鋼材３０６の表面に水素を発生させてから５分経過した後、鋼材３０６に対し、引っ張り速度０．２７ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行う。なお、図３には、引張試験装置は示していない。引張試験においては、２つの試料固定部（チャック）間距離を３００ｍｍとしている。
【００２２】
上述したように、水素を発生させた状態で引張試験を開始してから、くびれの発生が確認された１時間１０分後、引張試験を停止し、上記装置より鋼材３０６を取り出し、電解質溶液３０３に接触していた領域の鋼材３０６表面を観察した。各試料の表面を光学顕微鏡で落射照明により観察したところ、試料１において亀裂が観察された。この状態を図４の写真に示す。図４に示すように、大小の亀裂が確認された。大きい方の亀裂の幅は、１００μｍ程度である。一方、試料２では、亀裂は観察されなかった。
【００２３】
また、亀裂が確認された試料１の鋼材を１カ月間室温で放置し、鋼材中に含まれる水素を脱気した後に引張試験により鋼材を破断させ、破断面における上記実験で確認されている亀裂部分を走査型電子顕微鏡で観察したところ、水素脆化特有の粒界破面が観察された。実験で確認されている亀裂は、水素吸蔵状態での引張試験で発生したものである。水素脱気後の引張試験は、水素吸蔵状態ではない引張試験であり、この状態の試験で発生した亀裂には水素脆化の影響が発生しないと考えられるため、水素吸蔵状態での引張試験における亀裂発生の要因は水素脆化であると判断できる。
【００２４】
なお、上述した実験結果では、水素脆化の状態が評価できており、引張試験で用いた引っ張り速度０．２７ｍｍ／ｍｉｎは、鋼材において水素脆化が進展するために十分に遅い条件であると言える。
【００２５】
以上に説明したように、本発明によれば、鋼材が腐食しない電気化学条件で、電解質水溶液に浸漬している鋼材に負電位を印加して鋼材の表面に水素を発生させることで水素吸蔵状態とし、引張試験により発生する亀裂の有無により水素脆化を評価するようにしたので、より迅速な水素脆化の評価ができるようになる。
【００２６】
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、上述では、鋼材にくびれが確認される状態で、引張試験を終了するようにしたが、これに限るものではない。例えば、くびれの発生から破断に至るまではある程度の時間を要するので、くびれが発生した時点で直ちに引張試験を終了する必要はなく、くびれが発生してから数分後に引張試験を終了するようにしてもよい。
【００２７】
また、鋼材の電解質溶液中の部分を目視などで確認可能な状態で引張試験を行い、亀裂が発生した時点で引張試験を終了するようにしてもよい。この場合、引張試験を開始してから亀裂が発生するまでの時間により、水素脆化特性を評価してもよい。また、複数種類の鋼材について、上記同様の試験を行い、亀裂が発生するまでの時間の平均を求め、この時間を引張試験時間として用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２８】
３０１…容器、３０２…蓋、３０３…電解質溶液、３０４…参照極、３０５…対極、３０６…鋼材、３０７…栓、３０８…栓。
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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