(57)【要約】【課題】実環境に適用できる状態で水素脆化の防止対策ができるようにする。【解決手段】各々の試験片の一部に、各々の試験溶液を接触させた状態で、試験片の降伏荷重より小さな引っ張り応力を試験片の各々に加え、各々の試験片について試験溶液に接触した箇所の破断の有無を観測し、破断が観測されたｐＨより高いｐＨの環境で、試験片の鋼より構成された鋼材を用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々ｐＨが異なる複数の試験溶液を用意する第１工程と、
対象とする鋼を棒状とした複数の試験片を用意する第２工程と、
各々の前記試験片の一部に、各々の前記試験溶液を接触させた状態で、前記試験片の降伏荷重より小さな引っ張り応力を前記試験片の各々に加え、各々の前記試験片について前記試験溶液に接触した箇所の破断の有無を観測する第３工程と、
前記鋼より構成された鋼材は、破断が観測された試験片に接触させていた試験溶液のｐＨより高いｐＨの環境で使用する第４工程と
を備えることを特徴とする水素脆化防止方法。
【請求項２】
請求項１記載の水素脆化防止方法において、
前記第３工程では、前記試験片を電極として用いて前記試験溶液中に電位を印加してより水素が発生しやすい状態とすることを特徴とする水素脆化防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の水素脆化を防止する水素脆化防止方法に関する。
【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鋼材では、遅れ破壊が問題となることがある。遅れ破壊とは、静的な負荷を受けているある条件下で使用している鋼材などが、ある時間の経過後、外見上ではほぼ塑性変形を伴うことなく、突然脆性的に割れや破断をもたらして破壊する現象である。
【０００３】
この遅れ破壊のメカニズムは十分に解明されていないが、水素が金属に侵入して延性が失われることによる水素脆性によるものが、原因の１つとして考えられている。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という水素脆化現象である。水素脆化が起きた鋼材では、設計上の所定の強度が損なわれるため、鋼材自体の破壊、さらには鋼材から構成される構造物の破壊につながる恐れがある。
【０００４】
上述した問題に対し、例えば、鋼材の水素脆化を防ぐために、高力ボルトでは、材料強度を低くすることで、水素脆化感受性を落とすことが行われている（非特許文献１参照）。また、国際プレストレス委員会が規定するＦＩＰ試験により、水素量と水素脆化による割れの時間を求め、割れに至らない限界の水素量という概念をもって、これ以下に水素量を限定することで水素脆化を防止する検討もなされている（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】白神  哲夫、「高強度鋼の水素脆化」、第１７０回腐食防食技術シンポジウム予稿、１〜９頁、２０１０年。
【非特許文献２】樽井  敏三、「高強度鋼の水素脆化」、コンクリート中鉄筋の割れに関するシンポジウム講演資料、７７〜８９頁、平成２０年。
【非特許文献３】齋藤  博之、藤本  憲宏、澤田  孝、「高強度鋼への水素浸入効率」、電気化学会第７９回大会  講演要旨集、３Ｇ０７、２０５頁、２０１２年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、材料強度を低くする対策では、より高い強度が必要な場合には適用できないという問題がある。また、ＦＩＰ試験を利用する技術では、必ずしも実環境での鉄鋼の水素脆性を与えるものではないとされており、実環境に適用できる手法が望まれている。実環境では、鋼材に周囲の環境や応力が作用することで水素脆化するので、環境や負荷応力を模擬した試験の結果から、水素脆化について検討を加えることが必要である。
【０００７】
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、実環境に適用できる状態で水素脆化の防止対策が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】
【０００８】
本発明に係る水素脆化防止方法は、各々ｐＨが異なる複数の試験溶液を用意する第１工程と、対象とする鋼を棒状とした複数の試験片を用意する第２工程と、各試験溶液の各々に、試験片の一部を接触させた状態で、試験片の降伏荷重より小さな引っ張り応力を試験片の各々に加え、各々の試験片について試験溶液に接触した箇所の破断の有無を観測する第３工程と、上記鋼より構成された鋼材は、破断が観測された試験片に接触させていた試験溶液のｐＨより高いｐＨの環境で使用する第４工程とを備える。
【０００９】
上記水素脆化防止方法において、第３工程では、試験片を電極として用いて試験溶液中に電位を印加してより水素が発生しやすい状態としてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したことにより、本発明によれば、実環境に適用できる状態で水素脆化の防止対策ができるようにする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における水素脆化防止方法を説明するフローチャートである。
【図２】図２は、試験片２０１を試験溶液２０３に接触させる構成例を示す断面図である。
【図３】図３は、２種類の鋼から作製した２つの試験片Ａ，試験片Ｂを、所定のｐＨの水溶液に接触させた状態で引っ張り応力を加える実験で、破断が発生するまでの状態を示す特性図である。
【図４】図４は、２種類の鋼から作製した２つの試験片Ａ，試験片Ｂを、所定のｐＨの水溶液に接触させた状態で引っ張り応力を加える実験で、破断が発生するまでの状態を示す特性図である。
【図５】図５は、２種類の鋼から作製した２つの試験片Ａ，試験片Ｂを、所定のｐＨの水溶液に接触させた状態で引っ張り応力を加える実験で、破断が発生するまでの状態を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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水素脆化防止方法を説明するフローチャートである。まず、第１工程Ｓ１０１で、各々ｐＨが異なる複数の試験溶液を用意する。例えば、ｐＨ８〜ｐＨ１０の範囲で、各々ｐＨが異なる５種類の試験溶液Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを用意すればよい。次に、第２工程で、対象とする鋼を棒状とした複数の試験片を用意する。上述したように、５種類の試験溶液Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを用意した場合、同じ鋼から構成した同じ形状とした棒状の５本の試験片Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを用意すればよい。なお、各試験溶液には、上記鋼より構成される鋼材が用いられる実環境に存在するものと考えられる含有物質を溶解させておいてもよい。
【００１３】
次に、工程Ｓ１０３で、各々の試験片の一部に、各々の試験溶液を接触させた状態で、試験片の降伏荷重より小さな引っ張り応力を試験片の各々に加え、各々の試験片について試験溶液に接触した箇所の破断の有無を観測する。試験片Ａの一部には試験溶液Ａを接触させ、試験片Ｂの一部には試験溶液Ｂを接触させ、試験片Ｃの一部には試験溶液Ｃを接触させ、試験片Ｄの一部には試験溶液Ｄを接触させ、試験片Ｅの一部には試験溶液Ｅを接触させればよい。試験片Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは全て同じ鋼から構成した同一形状の鋼材であるが、試験溶液Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、各々ｐＨが異なる。また、加える引っ張り応力は、全ての試験片Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに共通とする。
【００１４】
ここで、図２に示すように、試験片２０１の一部の周囲を密閉する状態に容器２０２で覆い、容器２０２の内部を試験溶液２０３で満たせばよい。これにより、試験片２０１の一部が、試験溶液２０３に接触した状態が得られる。
【００１５】
また、試験片に加える引っ張り応力は、試験片の降伏加重の８０％程度とすればよい。例えば、試験片は、市販されている鉄筋であればよく、この鉄筋の製造会社より公表されている降伏荷重の８０％の引っ張り応力を、各試験片に加えればよい。試験片に加える引っ張り応力が、降伏荷重より大きい条件では、水素脆化の有無にかかわらずに試験片が破断する。一方、試験片に加える引っ張り応力が小さすぎると、試験片に破断が発生するまでに非常に長い時間が必要になる。このため、上述した条件とすることがよい。
【００１６】
上述したように各試験片に引っ張り応力を加えると、接触させている試験溶液のｐＨにより、破断が発生する試験片と破断が発生しない試験片とが発生する。ここで、破断が観察された試験片に接触させていた試験溶液のｐＨは、この試験片が水素脆化を発生しやすい環境におけるｐＨと考えることができる。従って、第４工程Ｓ１０４で、試験片を構成する鋼より構成された鋼材は、破断が観測された試験片に接触させていた試験溶液のｐＨよりより高いｐＨの環境で使用する。
【００１７】
このように、試験片を用いて実施した実験の結果得られた破断する（破断が観測された）ｐＨより高いｐＨの環境で、試験片の鋼より構成された鋼材を用いれば、この鋼材の水素脆化が防止できるものと考えられる。このように、本発明によれば、実環境に適用できる状態で水素脆化の防止対策ができるようになる。
【００１８】
なお、より高いｐＨの試験溶液に接触させていた試験片では、試験片表面における水素発生が抑制され、水素脆化が発生しにくい条件と考えられる。一方、より低いｐＨの試験溶液に接触させていた試験片では、試験片表面では水素が発生しやすい状態となり、水素脆化が発生しやすい条件と考えられる。
【００１９】
また、上述した測定において、試験片を電極として用いて試験溶液中に電位を印加し、電位を印加しない場合より水素が発生しやすい状態とし、反応を加速した状態で破断の試験を行うようにしてもよい。実環境においても、電位が印加される状態は発生し得るものであり、実環境で生じる反応の例としては、アルカリ性溶液での水からの水素生成として、水と電子から吸着水素と水酸化物イオンが発生する系が知られている（非特許文献３参照）。この反応系で生成系の電子が過剰となるように、試験片の電位を保持して試験溶液より水素を発生させれば、劣化（脆化）を加速させることが可能である。
【００２０】
次に、本発明の効果について検証する。まず、２種類の鋼から作製した２つの第１試験片，第２試験片を用意する。第１試験片と第２試験片とは、異なる鋼から構成されたものとなる。これら第１試験片，第２試験片に対し、図２を用いた説明と同様にすることで、各々に対して所定のｐＨとした溶液を接触させ、試験片の降伏荷重より小さな引っ張り応力を各々に加える。この状態で、第１試験片，第２試験片が破断するまでの時間と、第１試験片，第２試験片における水素濃度（水素量）を測定する。なお、環境と材料（試験片）との界面の水素濃度が、上記水素濃度を越えないようにする。
【００２１】
具体的には、溶液は、例えば１Ｍ水酸化カルシウム水溶液とし、引っ張り応力は、各々の試験片の最大引張荷重（降伏加重）の８０％とする。溶液などの環境の温度についても適宜設計すればよいが、１例として室温（２０〜２５℃程度）を用いることができる。生成系の電子が過剰となる電位となるように条件を保持するには、例えば、自然浸漬電位からの過電圧を−１．５Ｖ、試験片に印加すればよい。電位制御は、既存の三電極法を用いればよい。
【００２２】
また、試験片か破断するまでの間に、定期的に試験片における水素濃度の測定を行う。また、引っ張り応力の印加開始から、試験片が破断までの時間を計測する。試験片の水素濃度の測定は、昇温脱離分析などにより実施すればよい。なお、水素量の測定では、試験溶液中の試験片近傍の水素イオン濃度を測定し、この測定値を持って水素量としてもよい。鋼中の水素量と、この近傍の水素イオン濃度とは平衡状態にあり、上記水素イオン濃度が、実質的に試験片中の水素量とすることができる。
【００２３】
上述した加速試験による測定結果について、図３に示す。図３は、２種類の鋼から作製した２つの第１試験片，第２試験片に対して、上述した試験を実施した結果を示している。図３において、（ａ）は、第１試験片の結果を示し、（ｂ）は、第２試験片の結果を示している。また、試験溶液中の試験片近傍の水素イオン濃度を測定してこれを試験片中の水素量であると近似している。
【００２４】
図３の（ａ）に示すように、第１試験片は、時間ｔ１で破断し、図３の（ｂ）に示すように、第２試験片は、時間ｔ１より長い時間ｔ２で破断している。また、第１試験片は、第２試験片に比較して水素量がより多い状態で破断している。従って、第１試験片と第２試験片とは、環境との界面における水素濃度（ｐＨ）により破断するまでに要する時間が異なることが分かる。
【００２５】
このような第１試験片，第２試験片に対し、環境との界面における水素濃度（環境のｐＨ）を、図４に示すように高い値（低いｐＨ）とすると、第１試験片および第２試験片の両者とも、いずれは破断するものとなる。ただしこの場合、破断までに要する時間は、第１試験片より第２試験片の方が長い。
【００２６】
一方、環境との界面における水素濃度（環境のｐＨ）を、第１試験片に対して本発明を適用して求めた環境を検討すると、図５に示すように、環境は、第１試験片が破断した時点における水素量より小さい状態（高いｐＨ）となる。このような環境では、第２試験片は破断するが、第１試験片は、破断するに至らないことが分かる。このように、図３に示す結果では、第２試験片の方が水素脆性についてはより高い耐性を備えるものと考えられるが、本発明により、用いる環境を適宜に設定すれば、第１試験片は、水素脆化による破断を防止できるようになる。
【００２７】
以上の結果より、鋼材と環境との界面（鋼材表面）における水素濃度が、鋼材が破断するよりも低い値となっていれば、言い換えると、鋼材が配置される環境のｐＨが、鋼材が破断するよりも高い状態となっていれば、鋼材を水素脆化により破断させることなく、実環境で使用できることが分かる。
【００２８】
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、試験片に対して部分的に試験溶液を接触させるようにしたが、これに限るものではなく、試験溶液中に試験片全体を浸漬した状態で、引っ張り応力を試験片に加えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２９】
２０１…試験片、２０２…容器、２０３…試験溶液。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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