(57)【要約】【課題】使用環境に応じて遅れ破壊が抑制され、より広い用途に用いることのできる高強度鋼の遅れ破壊に強い高強度鋼を提供する。【解決手段】所望の応力条件および水素吸蔵量条件において、ｍ種類の水素存在サイトのサイト数と水素結合エネルギーを与えて、次式（１）および（２）により各サイトの水素占有率を推定し、【数８】2004091873.tif 000016遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、サイト数およびサイトと水素結合エネルギーを制御する。【選択図】　　　図２
2004091873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の応力条件および水素吸蔵量条件において、ｍ種類の水素存在サイトのサイト数と水素結合エネルギーを与えて、次式（１）および（２）により各サイトの水素占有率を推定し、
【数１】
2004091873.tif 000014
遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、サイト数およびサイトと水素結合エネルギーを制御することを特徴とする遅れ破壊に強い高強度鋼の製造方法。
【請求項２】
水素存在サイトとして、遅れ破壊が発生するサイトとしての結晶粒界サイトと主たる１種類の水素トラップサイトを考慮し、結晶粒界サイトＧの水素占有率（ＸＧ，ｅｎｖ．）が、結晶粒界サイト限界水素占有率（ＸＧ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、水素トラップサイトの数および水素結合エネルギーを制御することを特徴とする請求項１記載の遅れ破壊に強い高強度鋼の製造方法。
【請求項３】
水素存在サイトとして、遅れ破壊が発生するサイトとしてのＦｅ格子サイトと主たる１種類の水素トラップサイトを考慮し、Ｆｅ格子サイトＬの水素占有率（ＸＬ，ｅｎｖ．）が、Ｆｅ格子サイト限界水素占有率（ＸＬ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、水素トラップサイトの数および水素結合エネルギーを制御することを特徴とする請求項１記載の遅れ破壊に強い高強度鋼の製造方法。
【請求項４】
水素存在サイトとして、遅れ破壊が発生するサイトとしての結晶粒界サイトおよびＦｅ格子サイトと主たる１種類の水素トラップサイトを考慮し、Ｆｅ格子サイトＬの水素占有率（ＸＬ，ｅｎｖ．）および結晶粒界サイトＧの水素占有率（ＸＧ，ｅｎｖ．）が、それぞれ結晶粒界サイト限界水素占有率（ＸＧ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下およびＦｅ格子サイト限界水素占有率（ＸＬ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、水素トラップサイトの数および水素結合エネルギーを制御することを特徴とする請求項１記載の遅れ破壊に強い高強度鋼の製造方法。
【請求項５】
水素トラップサイトとして転位サイトを考慮し、転位サイトの数を制御することで、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるよう制御することを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の遅れ破壊に強い高強度鋼の製造方法。
【請求項６】
水素トラップサイトとして結晶粒界サイトを考慮し、結晶粒界における結晶粒の粒径および結晶粒界構造を制御することで、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるよう制御することを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の遅れ破壊に強い高強度鋼の製造方法。
【請求項７】
水素トラップサイトとして炭化物、窒化物、炭窒化物あるいは酸化物の析出物のうちの１種または２種以上を考慮し、この析出物の組成、粒径、結晶構造および格子定数を制御することで、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるよう制御することを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の遅れ破壊に強い高強度鋼の製造方法。
【請求項８】
鋼材の使用環境における水素存在サイトの水素占有率を次式（１）および（２）により推定したとき、
【数２】
2004091873.tif 000015
遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、サイト数およびサイトと水素との結合エネルギーが制御されていることを特徴とする遅れ破壊に強い高強度鋼。
【請求項９】
Ｃ：０．０３〜１．０重量％、Ｓｉ：０．００５〜４．０重量％、Ｍｎ：０．００５〜４．０重量％を含む鋼であって、鋼中に水素のトラップサイトとしての転位が導入され、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、転位密度と転位による水素結合エネルギーが制御されていることを特徴とする請求項８記載の遅れ破壊に強い高強度鋼。
【請求項１０】
Ｃ：０．０３〜１．０重量％、Ｓｉ：０．００５〜４．０重量％、Ｍｎ：０．００５〜４．０重量％を含む鋼であって、水素のトラップサイトとしての結晶粒界の結晶粒径および結晶粒界構造を制御することによって、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、結晶粒界サイト密度と結晶粒界による水素結合エネルギーが制御されていることを特徴とする請求項８記載の遅れ破壊に強い高強度鋼。
【請求項１１】
Ｔｉ：０．００２〜１．２重量％、Ｎｂ：０．００５〜２．０重量％、Ｖ：０．００２〜１．２重量％、Ｍｏ：０．００５〜２．０重量％の中から選ばれる１種または２種以上が添加されていることを特徴とする請求項９または１０記載の遅れ破壊に強い高強度鋼。
【請求項１２】
Ｃ：０．０３〜１．０重量％、Ｓｉ：０．００５〜４．０重量％、Ｍｎ：０．００５〜４．０重量％に加え、Ｔｉ：０．００２〜１．２重量％、Ｎｂ：０．００５〜２．０重量％、Ｖ：０．００２〜１．２重量％、Ｍｏ：０．００５〜２．０重量％の中から選ばれる１種または２種以上を含む鋼であって、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏの１種または２種以上を含有する炭化物、窒化物、炭窒化物の１種または２種以上が水素トラップサイトであって、その組成、粒径、結晶構造および格子定数が調整されることによってマトリクスとの界面構造および歪場の状態が制御され、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、その水素トラップサイト密度と水素結合エネルギーが制御されていることを特徴とする請求項８記載の遅れ破壊に強い高強度鋼。
【請求項１３】
炭化物、窒化物または炭窒化物が、結晶構造においてＦｅとの間に１以上の整合界面を有し、長径または直径が２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１２記載の遅れ破壊に強い高強度鋼。
【請求項１４】
Ｃ：０．０３〜１．０重量％、Ｓｉ：０．００５〜４．０重量％、Ｍｎ：０．００５〜４．０重量％に加えて、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭを含む鋼であって、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭのうちの１種または２種以上の酸化物を水素トラップとし、その組成、粒径、結晶構造および格子定数を調整することによってマトリクスとの界面構造および歪場の状態が制御され、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、そのトラップサイト密度と結合エネルギーが制御されていることを特徴とする請求項８記載の遅れ破壊に強い高強度鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、遅れ破壊に強い高強度鋼とその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、使用環境に応じて遅れ破壊が抑制され、より広い用途に用いることのできる高強度鋼の遅れ破壊に強い高強度鋼とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
自動車等の部材や、橋梁、建物等の構造部材などとして、高強度鋼が使用されている。しかしながら、引張り強さが１５００ＭＰａを超えるような高強度鋼を構造部材として使用する場合には遅れ破壊が問題となり、使用範囲が限られているのが現状である。この遅れ破壊は、鋼材の使用環境から鋼材内部に侵入した水素が鋼材中に拡散し、応力集中部に集まって鋼材を脆化させることにより、応力負荷状態にある鋼材を長時間経過後に突然破壊に至らしめる現象である。
【０００３】
そして、従来より、耐遅れ破壊特性を改善するための種々の検討がなされているものの、遅れ破壊の発生機構については充分には解明されておらず、またその効果的な改善方法も見つかっていない。たとえば、高強度鋼の遅れ破壊特性を向上させることについて、特開２０００−２６９３４号公報には、ｐＨ４．０以下の酸性溶液に浸漬した場合にトラップエネルギーが２５〜５０ｋＪの水素を０．１ｗｔ．ｐｐｍ以上放出するようにしたり、水素トラップサイトとなる析出物を含有するようにした遅れ破壊特性の優れた鋼材等が開示されている。しかしながら、ここには、単に遅れ破壊特性が改善された鋼材が示されているに過ぎず、様々な使用環境に応じて遅れ破壊を抑制するための明確な指針は示されていない。そのため、たとえば特開２０００−２６９３４号公報に開示された鋼材であっても、特別な環境下においては遅れ破壊を完全に抑制することはできないという問題があった。
【０００４】
また、遅れ破壊特性を評価する代表的な方法として、試験片に水素をチャージして応力を負荷し、水素割れ感受性を調べる方法が知られている。確かに、遅れ破壊は、直接的には鋼材のある部分に集まった水素が関与しているはずであるが、この方法では試験片全体の平均水素量でしか評価することができず、遅れ破壊特性を評価する十分な方法は実際には確立されていないと言わざるを得ない。
【０００５】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、鋼材全体の平均水素量から遅れ破壊が起こる場所の水素量を推定することで、実使用環境において遅れ破壊が起こらないようにした遅れ破壊に強い高強度鋼と、その製造方法を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、以下の通りの発明を提供する。
【０００７】
すなわち、まず第１には、この出願の発明は、所望の応力条件および水素吸蔵量条件において、ｍ種類の水素存在サイトのサイト数と水素結合エネルギーを与えて、次式（１）および（２）により各サイトの水素占有率を推定し、
【０００８】
【数３】
2004091873.tif 000003
【０００９】
遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、サイト数およびサイトと水素との結合エネルギーを制御することを特徴とする遅れ破壊に強い高強度鋼の製造方法を提供する。
【００１０】
そしてこの出願の発明は、上記発明の遅れ破壊に強い高強度鋼の設計方法において、第２には、水素存在サイトとして、遅れ破壊が発生するサイトとしての結晶粒界サイトと、主たる１種類の水素トラップサイトを考慮し、結晶粒界サイトＧの水素占有率（ＸＧ，ｅｎｖ．）が、結晶粒界サイト限界水素占有率（ＸＧ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、水素トラップサイトの数および水素結合エネルギーを制御することを特徴とする製造方法を、第３には、水素存在サイトとして、遅れ破壊が発生するサイトとしてのＦｅ格子サイトと、主たる１種類の水素トラップサイトを考慮し、Ｆｅ格子サイトＬの水素占有率（ＸＬ，ｅｎｖ．）が、Ｆｅ格子サイト限界水素占有率（ＸＬ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、水素トラップサイトの数および水素結合エネルギーを制御することを特徴とする製造方法を、第４には、水素存在サイトとして、遅れ破壊が発生するサイトとしての結晶粒界サイトおよびＦｅ格子サイトと、主たる１種類の水素トラップサイトを考慮し、Ｆｅ格子サイトＬの水素占有率（ＸＬ，ｅｎｖ．）および結晶粒界サイトＧの水素占有率（ＸＧ，ｅｎｖ．）が、それぞれ結晶粒界サイト限界水素占有率（ＸＧ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下およびＦｅ格子サイト限界水素占有率（ＸＬ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、水素トラップサイトの数および水素結合エネルギーを制御することを特徴とする製造方法を、第５には、水素トラップサイトとして転位サイトを考慮し、転位サイトの数を制御することで、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるよう制御することを特徴とする製造方法を、第６には、水素トラップサイトとして結晶粒界サイトを考慮し、結晶粒界における結晶粒の粒径および結晶粒界構造を制御することで、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるよう制御することを特徴とする製造方法を、第７には、水素トラップサイトとして炭化物、窒化物、炭窒化物あるいは酸化物の析出物のうちの１種または２種以上を考慮し、この析出物の組成、粒径、結晶構造および格子定数を制御することで、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるよう制御することを特徴とする製造方法を提供する。
【００１１】
また、この出願の発明は、第８には、鋼材の使用環境における水素存在サイトの水素占有率を次式（１）および（２）により推定したとき、
【００１２】
【数４】
2004091873.tif 000004
【００１３】
遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、サイト数およびサイトと水素との結合エネルギーが制御されていることを特徴とする遅れ破壊に強い高強度鋼を提供する。
【００１４】
さらにこの出願の発明は、上記発明の遅れ破壊に強い高強度鋼について、第９には、Ｃ：０．０３〜１．０重量％、Ｓｉ：０．００５〜４．０重量％、Ｍｎ：０．００５〜４．０重量％を含む鋼であって、鋼中に水素のトラップサイトとしての転位が導入され、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、転位密度と転位による水素結合エネルギーが制御されていることを特徴とする高強度鋼を、第１０には、Ｃ：０．０３〜１．０重量％、Ｓｉ：０．００５〜４．０重量％、Ｍｎ：０．００５〜４．０重量％を含む鋼であって、水素のトラップサイトとしての結晶粒界の結晶粒径および結晶粒界構造を制御することによって、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、結晶粒界サイト密度と結晶粒界による水素結合エネルギーが制御されていることを特徴とする高強度鋼を、第１１には、さらにＴｉ：０．００２〜１．２重量％、Ｎｂ：０．００５〜２．０重量％、Ｖ：０．００２〜１．２重量％、Ｍｏ：０．００５〜２．０重量％の中から選ばれる１種または２種以上が添加されていることを特徴とする高強度鋼を、第１２には、Ｃ：０．０３〜１．０重量％、Ｓｉ：０．００５〜４．０重量％、Ｍｎ：０．００５〜４．０重量％に加え、Ｔｉ：０．００２〜１．２重量％、Ｎｂ：０．００５〜２．０重量％、Ｖ：０．００２〜１．２重量％、Ｍｏ：０．００５〜２．０重量％の中から選ばれる１種または２種以上を含む鋼であって、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏの１種または２種以上を含有する炭化物、窒化物、炭窒化物の１種または２種以上が水素トラップサイトであって、その組成、粒径、結晶構造および格子定数が調整されることによってマトリクスとの界面構造および歪場の状態が制御され、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、その水素トラップサイト密度と水素結合エネルギーが制御されていることを特徴とする高強度鋼を、第１３には、その炭化物、窒化物または炭窒化物が、結晶構造においてＦｅとの間に１以上の整合界面を有し、長径または直径が２０ｎｍ以下であることを特徴とする高強度鋼を、第１４には、Ｃ：０．０３〜１．０重量％、Ｓｉ：０．００５〜４．０重量％、Ｍｎ：０．００５〜４．０重量％に加えて、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭを含む鋼であって、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭのうちの１種または２種以上の酸化物を水素トラップとし、その組成、粒径、結晶構造および格子定数を調整することによってマトリクスとの界面構造および歪場の状態が制御され、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、そのトラップサイト密度と結合エネルギーが制御されていることを特徴とする遅れ破壊に強い高強度鋼を提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について詳しく説明する。
【００１６】
この出願の発明者らは、鋼材中の水素の挙動に着目し、鋼材中で水素が存在し得るサイトにおける各サイト間の水素の平衡関係について鋭意研究した結果、次式で表される関係が成り立つことを見出した。
【００１７】
【数５】
2004091873.tif 000005
【００１８】
この関係は、応力条件や水素吸蔵量といった使用環境を考慮して、その使用環境における水素存在サイト間の水素の平衡関係（各水素存在サイトへの水素の分配量）を示すことができるものである。そして、この出願の発明においては、この関係式を利用し、実使用環境に応じて遅れ破壊を抑制するための明確な設計・製造指針を示している。
【００１９】
すなわち、この出願の発明の遅れ破壊に強い高強度鋼の設計と製造の方法は、所望の応力条件および水素吸蔵量条件において、ｍ種類の水素存在サイトのサイト数と水素結合エネルギーを与えて、次式（１）および（２）により各サイトの水素占有率を推定し、
【００２０】
【数６】
2004091873.tif 000006
【００２１】
遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、サイト数およびサイトと水素との結合エネルギーを制御するようにしている。
【００２２】
そこでまず最初に、上記式（１）（２）の関係を、より簡略化したケースとして、水素の存在し得るサイトが２種類の場合を例として説明する。すなわち、水素存在し得るサイトとして、遅れ破壊が起こるサイトであるサイトＢと、水素トラップサイトであるサイトＡの２種類を考える。このサイトＡとサイトＢにおける水素濃度は、遅れ破壊が起こる時には平衡であるものと考える。
【００２３】
ここで、たとえば、サイトＢにおける水素結合エネルギーを２５ｋＪ／ｍｏｌ、サイトＡにおける水素結合エネルギーを３５ｋＪ／ｍｏｌと仮定し、また、Ｆｅ１モル当たりのサイトＢの数を１．０×１０１８個とし、サイトＡの数を１．０×１０２０個として、これらの値を式（１）（２）に代入して、水素の存在し得るサイトにおける水素占有率の平衡関係を計算する。すると、その結果から、鋼材中のトータル水素量に対する各サイトの水素占有率の関係は、図１に示すものとなる。このように、実使用環境において外部から鋼材中に入る水素を含めた鋼材中のトータルの水素量がわかれば、式（１）（２）を用いることで、遅れ破壊が発生するサイトＢの水素占有率と水素トラップサイトであるサイトＡの水素占有率を求めることができる。なお、この出願の発明において、水素占有率の平衡関係の計算にはモル分率を基準単位として用いているが、鋼材中のトータルの水素量は、一般的には、ｍａｓｓ　ｐｐｍ単位で表すため、図では単位としてｐｐｍを用いている。この単位の換算は、次式により行なうことができる。
【００２４】
Ｘｔｏｔａｌ，ｅｎｖ．＝（ｍａｓｓ　ｐｐｍ）×５５．８／１００００００
一方で、この鋼材がある応力条件においてサイトＢで遅れ破壊を生じない限界水素占有率は、例えば、定荷重遅れ破壊試験（参考：山崎、高橋，高強度鋼の耐遅れ破壊特性の定量的評価方法，「鉄と鋼」，（社）日本鉄鋼協会，Ｖｏｌ．８３（１９９７）Ｎｏ．７，ｐ４５４−４５９など）等を行なうことで求めることができる。そこで、このサイトＢにおける限界水素占有率の値から、実使用環境における鋼材中のトータル水素量に対応するサイトＢの水素占有率がこの限界水素量より小さくなるように鋼材を設計・製造すれば、その鋼材はその使用環境において遅れ破壊を生じないことになる。たとえば、サイトＢの限界水素占有率が１．０×１０−３であると仮定すると、図１から、この鋼材は鋼材中のトータル水素量が約０．１５ｐｐｍ以上の場合に遅れ破壊を生じることになる。そこで、トータル水素量０．１５ｐｐｍに対応するサイトＢの水素占有率が１．０×１０−３よりも低くなるように鋼材を設計・製造すれば、トータル水素量が約０．１５ｐｐｍの場合であっても遅れ破壊は生じなくなるのである。
【００２５】
さらには、たとえ鋼材中のトータル水素量が増加しても、サイトＢの水素占有率が限界占有率以下であれば遅れ破壊は生じないから、見かけ上の限界水素量を増大させることができる。たとえば、前述の、サイトＡの数を１．０×１０２０から１．０×１０２１に増加させた場合、および結合エネルギーを３５ｋＪ／ｍｏｌから４５ｋＪ／ｍｏｌに変えた場合について、各サイトの水素の平衡関係を求めて図２に示した。このように、最初はトータル水素量０．１５ｐｐｍで遅れ破壊を生じていたのに対し、サイトＡの数を増加したりあるいは結合エネルギーを増加させることによって、トータル水素量が１ｐｐｍ程度となっても遅れ破壊しないことが期待される。
【００２６】
以上のことからわかるように、この出願の発明においては、遅れ破壊が発生しうるサイトの水素占有率を遅れ破壊が生じる限界水素量以下に制御するために、水素トラップサイトの数あるいは水素結合エネルギーまたはその両方を、遅れ破壊サイトの水素占有率が小さくなるように、実環境に応じて適切に制御する。このようなこの出願の発明の設計と製造のための作業フローの要点を図８に例示した。
【００２７】
▲１▼　対象とする鋼材について遅れ破壊試験を行い、遅れ破壊しないトータル限界水素量を求める。このときの破断面から、この鋼材の遅れ破壊が発生する場所（たとえば、結晶粒界か粒内か等）を特定する。
【００２８】
▲２▼　鋼材の詳細な組織観察を行い、水素トラップサイトの数を求める。たとえば、結晶粒界サイトならば結晶粒径を、析出物サイトならばその大きさと量を、転位サイトならば転位密度を調べる。
【００２９】
▲３▼　対象とする鋼材について、式（１）（２）を用いてトータル限界水素量に対応する各トラップサイトへの水素の分配を計算する。このときの遅れ破壊サイトの水素占有率が、そのサイトの限界水素占有率となる。
【００３０】
▲４▼　鋼材の制御しようとする水素トラップサイトの数や結合エネルギーの値を変えたときに、その遅れ破壊特性がどうなるかを予測する。使用環境によるトータルの水素量が分かれば、その値を与えたときに遅れ破壊サイトの水素占有率が先に求めた限界水素占有率よりも小さくなるように水素トラップサイトを制御すればよい。また、遅れ破壊サイトの限界水素占有率が分かっているので、使用環境のトータル水素量をどこまで増やすことができるかを予測することもできる。
【００３１】
以上の理論と設計は、水素の存在し得るサイトが３種類以上の場合でも成立し、式（１）（２）も同様に適用することが可能である。すなわち、実使用環境で外部から鋼材中に入るトータル水素量が各サイトにどのように分配されるかを計算し、遅れ破壊が起るサイトの水素占有率が限界水素占有率以下となるように、トラップサイトの数または／および水素結合エネルギーを選べばよいのである。
【００３２】
しかしながら、マルテンサイト組織に代表される高強度鋼の組織は非常に複雑であり、水素が存在し得るサイトの種類も多数のものが考慮される。たとえば、水素が存在し得るサイトとしては、Ｆｅ格子サイト、結晶粒界、転位、空孔、鋼材中の析出物等が考えられる。さらにこの析出物については、具体的には、たとえば、析出物の種類として、セメンタイト、Ｔｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒ等の炭化物、窒化物および炭窒化物、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｃａ，ＲＥＭ等の酸化物およびこれらの複合酸化物、Ｍｎ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｚｒ等の硫化物、炭硫化物などが、これらの析出物に関連する水素トラップサイトとして、析出物とマトリクスとの界面，析出物の周囲のひずみ場，析出物の内部などを考慮することができる。
【００３３】
これら全てのサイトの数と水素結合エネルギーを正確に知り、各サイトの水素間の平衡関係を計算することは、決して容易なことではない。
【００３４】
そこで、この出願の発明においては、更なる鋭意研究の結果、水素が存在し得るサイトとして、特に遅れ破壊が発生しやすいサイトと、量的に水素が多く（トータル水素量の５０％以上）トラップされるサイトの２種類のみを抽出して平衡関係を計算することにより、上記と同様の遅れ破壊特性を簡便に推定し、鋼材の設計・製造を行なうことができる。
【００３５】
すなわち、この出願の発明においては、遅れ破壊が生じるサイトとして結晶粒界を、そして主なトラップサイトとして１つを選んで計算することでも、遅れ破壊に強い高強度鋼を設計・製造することができる。
【００３６】
また、水素トラップサイトを数多く鋼材中に分散させることにより、遅れ破壊が結晶粒界ではなく、結晶粒内（Ｆｅ格子サイト）から発生するようになる場合がある。したがって、このような場合には、遅れ破壊が発生するサイトとしてＦｅ格子サイトを、そしてその他の主たるトラップサイトとして１つを選んで水素の平衡を計算し、遅れ破壊に強い高強度鋼を設計・製造することができる。
【００３７】
さらに、結晶粒界とＦｅ格子サイトの両方が遅れ破壊の発生場所となりうる場合には、遅れ破壊が発生するサイトとして結晶粒界とＦｅ格子サイトの両方のサイトを、そしてその他の主たるトラップサイトとして１つを選んで水素の平衡を計算し、遅れ破壊に強い高強度鋼を設計・製造することができる。
【００３８】
また一方で、この出願の発明においては、さらに簡便な方法として、遅れ破壊が発生するサイトを特に設定することなしに、Ｆｅ格子サイトの水素占有率のみを推定することによって、Ｆｅ格子サイト以外の場所から遅れ破壊が発生する場合においても、十分高い精度で遅れ破壊特性を推定できるのである。すなわち、Ｆｅ格子サイトの水素占有率がトータル限界水素量のときに平衡する水素占有率よりも低くなるようにすれば、一般的な使用環境においては遅れ破壊が生じない高強度鋼を得ることができる。これは、▲１▼Ｆｅ格子サイトの水素占有率とその他の各サイトの水素占有率との間に前記の式（１）（２）の平衡関係が常に成り立つ、また、▲２▼主たるトラップサイトに入る水素量が十分に多ければ、トータル水素量は実質的にトラップサイトの水素量で決まるため、マイナーなトラップサイトの水素量を無視できる、という知見から得られたものである。
【００３９】
以上のようなこの出願の発明の方法によると、鋼材ごとに遅れ破壊が発生する場所を特定することなしに、より簡便に、遅れ破壊に強い高強度鋼を設計・製造することもできるようになる。
【００４０】
次に、実際的に、遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるよう制御する手段としての、水素トラップサイトの数および水素結合エネルギーの制御について説明する。
【００４１】
鋼材中の水素トラップサイトとしては、前述のとおり、Ｆｅ格子サイト、転位サイト、結晶粒界サイト、空孔サイト、および炭化物、窒化物、炭窒化物あるいは酸化物の析出物サイトを代表的なものとして考慮することができる。
【００４２】
水素トラップサイトとして転位サイトを考慮する場合には、たとえば、鋼材を加工するなどして鋼材中に転位を導入することで転位サイトの数を制御することができる。塑性加工による転位密度は、たとえば、同じ加工量（真ひずみ）であっても結晶粒径が細かいほうが転位密度が高くなることや、充分に焼きなまされた金属結晶中の転位密度が１０６〜１０８ｃｍ−２程度であり、強加工によって１０１０〜１０１２ｃｍ−２程度に増加するといった特性等が知られており、これらの特性を利用して所望の転位密度を導入することができる。
【００４３】
また、水素トラップサイトとして結晶粒界サイトを考慮する場合には、たとえば加工や熱処理によって結晶粒径および結晶粒界構造を制御することで、結晶粒界サイトの数および水素結合エネルギーを制御することができる。より具体的には、加工や熱処理により再結晶や粒成長等の現象を誘起することで結晶粒界を、そしてこの結晶粒界の歪エネルギーを高くまたは低く制御することで、水素結合エネルギーを変化させることができる。
【００４４】
さらに、水素トラップサイトとして炭化物、窒化物、炭窒化物あるいは酸化物といった析出物のうちの１種または２種以上を考慮する場合には、この析出物の組成、粒径、結晶構造および格子定数を制御することで、析出物サイトの数および水素結合エネルギーを制御することができる。析出物が２種以上ある場合には、水素トラップサイトとしてより大きな結合エネルギーをもつ析出物を選択することにより、効率よく遅れ破壊を防止できる。
【００４５】
このように、鋼の成分（組成、組織、結晶粒径）、加工条件（加工温度、加工量）およびその後の熱処理条件によって転位サイト、粒界サイト、析出物サイト等の特性が決まるため、所望の特性が得られるような処理条件を予測して施すことができる。
【００４６】
なお、水素結合エネルギーは、文献等から得ることもできるが、たとえば、昇温脱離分析（ＴＤＳ）（参考：白神，昇温式水素分析法による水素検出，「金属学会セミナーテキスト、最新の水素の検出法と水素脆化防止法」，（社）日本金属学会，１９９９年，ｐ１５−２１）により測定することもできる。この場合、正確には、水素結合エネルギーではなく、トラップからの水素の脱離エネルギーが測定されるが、水素結合エネルギー＝水素脱離エネルギーと仮定して同様に使用することができる。
【００４７】
この出願の発明が提供する遅れ破壊に強い高強度鋼は、上記の方法に従って設計・製造された鋼であり、鋼材の使用環境における水素存在サイトの水素占有率を次式（１）および（２）により推定したとき、
【００４８】
【数７】
2004091873.tif 000007
【００４９】
遅れ破壊が発生するサイトｊの水素占有率（Ｘｊ，ｅｎｖ．）が遅れ破壊が発生しない限界水素占有率（Ｘｊ，ｃｒｉｔｉｃａｌ）以下となるように、サイト数およびサイトと水素との結合エネルギーが制御されていることを特徴としている。すなわち、鋼材の使用環境に応じて遅れ破壊が起こらないように制御されたものとなっている。
【００５０】
この出願の発明の遅れ破壊に強い高強度鋼において、その組成は特に制限されるものではないが、一般に、高強度鋼として利用する目的において、組成は、Ｃ：０．０３〜１．０重量％、Ｓｉ：０．００５〜４．０重量％、Ｍｎ：０．００５〜４．０重量％を含むものを基本とすることが好ましい例として示される。成分の範囲を限定した理由は、次のとおりである。Ｃは鋼として強度を確保するための基本的な成分であり、Ｃ量が０．０３重量％を下回ると構造部材として必要な強度が得られにくくなり、１．０重量％を超えると靭性が急に低下してしまうためである。Ｓｉも鋼の強度を高める効果があるが、０．００５重量％を下回るとその効果が不十分となり、４．０重量％を超えるとその効果はそれ以上増えず、逆に加工性が低下して使いにくいものとなってしまう。Ｍｎは鋼材中にマルテンサイト組織を形成するため強度を確保するために有効な成分であるが、０．００５重量％を下回るとその効果が現れず、４．０重量％を超えてもその効果が増さない。
【００５１】
この組成は基本的なものであって、もちろん、必要に応じてＣｒやＡｌおよびその他の合金元素が添加されていてもよいことはいうまでもない。たとえば、Ｃｒは、鋼中に固溶して強度を高める効果があるため約０．００５重量％以上を、過度な添加は被削性を低下させるため約２重量％以下を添加することを、一般的な目安とすることができる。また、Ａｌは、脱酸元素として鋼材中の酸素量および酸化物を減らし、機械的特性を改善するために約０．００５重量％以上を、逆にアルミナ系介在物が増えすぎると機械的性質が低下するために約０．１重量％以下を添加することを、一般的な目安とすることができる。
【００５２】
そしてこのような組成の鋼材においては、水素のトラップサイトとしての転位が導入されることで、容易に転位密度と転位による水素結合エネルギーが上式（１）（２）を満たすように制御される。
【００５３】
また、水素のトラップサイトとしての結晶粒界の結晶粒径および結晶粒界構造を制御することによっても、結晶粒界サイト密度と結晶粒界による水素結合エネルギーが上式（１）（２）を満たすように制御される。
【００５４】
さらに、この出願の発明の遅れ破壊に強い高強度鋼は、上記の組成に加えて、Ｔｉ：０．００２〜１．２重量％、Ｎｂ：０．００５〜２．０重量％、Ｖ：０．００２〜１．２重量％、Ｍｏ：０．００５〜２．０重量％の中から選ばれる１種または２種以上が添加されていてもよい。Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏは、析出強化機構による鋼の強度向上に寄与する以外に、水素トラップサイトとなる炭化物を形成する。これらの元素は、いずれも下限値を下回ると強度向上効果および水素トラップ効果ともに十分に得られにくく、また上限値を超えても添加量に見合うだけの効果が得られないため、上記の範囲とした。
【００５５】
より具体的に例示すると、この出願の発明の遅れ破壊に強い高強度鋼は、Ｃ：０．０３〜１．０重量％、Ｓｉ：０．００５〜４．０重量％、Ｍｎ：０．００５〜４．０重量％に加え、Ｔｉ：０．００２〜１．２重量％、Ｎｂ：０．００５〜２．０重量％、Ｖ：０．００２〜１．２重量％、Ｍｏ：０．００５〜２．０重量％の中から選ばれる１種または２種以上を含む鋼であって、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏの１種または２種以上を含有する炭化物、窒化物、炭窒化物の析出物の１種または２種以上が水素トラップサイトであって、その組成、粒径、結晶構造および格子定数が調整されることによってマトリクスとの界面構造および歪場の状態が制御され、その水素トラップサイト密度と水素結合エネルギーが上式（１）（２）を満たすように制御されている。
【００５６】
このように析出物が生成する組成を有する高強度鋼については、析出物の組成、粒径、結晶構造および格子定数を適切に調整することで、簡便に遅れ破壊特性を向上することが可能となる。さらにこの炭化物、窒化物または炭窒化物等の析出物が、Ｆｅとの間に１以上の整合界面を有し、長径または直径が２０ｎｍ以下とすると、その析出の周囲に弾性歪場が生じ、水素を効果的にトラップできるという点で極めて有効となる。たとえばこのように、析出物の粒子とＦｅとの間に整合界面を有し、粒子の長径が２０ｎｍ以下に粒子を制御するためには、化合物粒子のある１つの格子面とＦｅのある１つの格子面の格子ミスフィットが１〜８％の範囲になるように化合物を選択し、さらに長径が２０ｎｍ以下になるように一旦高温で加熱して化合物をＦｅ中に固溶させ、粗大化しない条件で析出させることが有効である。格子ミスフィットが１％を下回るとＦｅ格子中に生じる歪が小さすぎて水素トラップとしての効果が小さくなるため好ましくなく、また８％を超えると整合界面として存在できず非整合化してしまうため、格子ミスフィットは１〜８％の範囲とすることが好ましい。そして、粒子の長径については、２０ｎｍを超えると非整合化しやすく弾性歪場が十分に得られなくなるばかりでなく、界面そのものの量が減ってトラップサイト数が減ってしまうため、析出物の長径は２０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００５７】
さらに、この出願の発明の遅れ破壊に強い高強度鋼は、Ｃ：０．０３〜１．０重量％、Ｓｉ：０．００５〜４．０重量％、Ｍｎ：０．００５〜４．０重量％に加えて、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭを含む鋼であって、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭのうちの１種または２種以上の酸化物を水素トラップとし、その組成、粒径、結晶構造および格子定数を調整することによってマトリクスとの界面構造および歪場の状態を制御し、そのトラップサイト密度と水素結合エネルギーが上式（１）（２）を満たすように制御されていることを特徴としている。この酸化物からなる析出物が生成する組成を有する高強度鋼についても、同様であって、析出物の組成、粒径、結晶構造および格子定数を適切に調整することで、簡便に遅れ破壊特性を向上することが可能となる。
【００５８】
もちろん、上記の炭化物、窒化物、炭窒化物の制御とともに、酸化物の制御、さらには転位、結晶粒界の制御が同時になされていてもよいことは言うまでもない。
【００５９】
以上のようなこの出願の発明の設計方法を高強度鋼に適用することにより、高強度鋼を、たとえば自動車部材や建築用ボルト等のより広範囲の部材として用いることができる。したがって、構造部材の軽量化が実現でき、また、多種の鋼材を作り分ける必要がなくなるために省エネルギー化を図ることができ、地球環境への負荷を軽減できる。
【００６０】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００６１】
【実施例】
（実施例１）
表１に示した組成の鋼Ａについて、水素のトラップサイトとして転位を考慮し、遅れ破壊に強い高強度鋼を設計・製造した。
【００６２】
【表１】
2004091873.tif 000008
【００６３】
まず、この鋼材Ａのトータル限界水素量を求めるために、定荷重遅れ破壊試験を行った。鋼材Ａを８８０℃で４５分間加熱した後に油焼入れをし、次いで４００℃で６０分間加熱して水冷した。試験片としては、φ１０ｍｍの環状ノッチ付き丸棒試験片（ノッチ直径６ｍｍ、ノッチ底曲率半径０．１ｍｍ）を用いた。この試験片を、３ｍａｓｓ％ＮａＣｌ＋３ｇ／ｌチオシアン酸アンモニウム水溶液に浸漬し、０．１ｍＡ／ｃｍ２にて水素を所定時間陰極チャージした後、直ちにＣｄめっきを施し、１６８ｈ後に一定荷重を負荷するようにした。破断寿命は、負荷応力を荷重／最小断面積が平滑引張強さの０．９倍となるように設定して測定した。トータル限界水素量は、破断直後（破断しないものは１００ｈ以上経過後）の試験片からめっきを除去し、４重極質量分析計を用いて昇温速度を１００℃／ｈとした水素昇温分析により測定した。その結果、この鋼材Ａのトータル限界水素量は約０．１ｐｐｍであることがわかった。
【００６４】
水素が存在するサイトとしては、主として結晶粒界、転位、Ｆｅ格子サイトが考慮できるが、遅れ破壊試験における破断面の観察から、この鋼Ａについては遅れ破壊が結晶粒界から発生することがわかった。したがって次に、次式（１１）（１２）（２１）を用いて結晶粒界サイトの水素占有率に着目して材料の設計と製造を行なった。なお、水素の結合エネルギーとしては、Ｆｅ格子サイトと水素の結合エネルギーを基準とし、ＥＬはゼロとした。
【００６５】
ＸＬ／（１−ＸＬ）＝［ＸＴ／（１−ＸＴ）］・ｅｘｐ［（ＥＴ−ＥＬ）／ＲＴ］　　　　　　　　　　　　　　（１１）
ＸＬ／（１−ＸＬ）＝［ＸＧ／（１−ＸＧ）］・ｅｘｐ［（ＥＧ−ＥＬ）／ＲＴ］　　　　　　　　　　　　　　（１２）
ＸＴ・ｎＴ＋ＸＧ・ｎＧ＋ＸＬ・ｎＬ＝６．０２２×１０２３・Ｘｔｏｔａｌ．ｅｎｖ　　　　　　（２１）
ここで、式中、
ＸＧ：結晶粒界サイトにおける水素占有率
ＸＬ：Ｆｅ格子サイトにおける水素占有率
ＸＴ：トラップサイト（結晶粒界）における水素占有率
ｎＧ：結晶粒界サイトの数（個／Ｆｅ原子１モル中）
ｎＴ：トラップ（転位）サイト数（個／Ｆｅ原子１モル中）
ＥＧ、ＥＴ：結晶粒界サイトおよびトラップサイトの結合エネルギー
（Ｊ／ｍｏｌ）（Ｆｅ格子サイト基準）
Ｒ：１モルの気体定数（Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ））
温度：Ｔ　　（Ｋ）
Ｘｔｏｔａｌ．ｅｎｖ：使用環境でのトータル平衡水素濃度（Ｆｅ原子１モルに対すモル分率）
である。
【００６６】
結晶粒界と水素との結合エネルギーは、文献（Ｓｃｒｉｐｔａ　ｍｅｔａｌ．　８，（１９７４）３４３）によると２６ｋＪ／ｍｏｌであるから、ここでは２６ｋＪ／ｍｏｌを用いた。また、転位と水素の結合エネルギーは、文献（Ｍｅｔａｌ．　Ｔｒａｎｓ．　Ａ，ｖｏｌ．１１Ａ，（１９８０）８６１）によると５８．６ｋＪ／ｍｏｌであるから、ここでは５８．６ｋＪ／ｍｏｌを用いた。
【００６７】
結晶粒界サイトの数は、結晶粒径１０μｍの場合に水素が入るサイトの範囲を１ユニットセルの幅であると仮定して単位体積当たりの粒界密度から算出し、６．０２×１０２３×５×１０−６＝３．０×１０１８（個／Ｆｅ１モル当たり）とした。水素トラップ（転位）サイトの数は、水素トラップサイトの範囲が転位の周囲１原子層程度の領域であると仮定して、転位密度からトラップサイト数を算出することで求めた。
【００６８】
図３に、トラップサイトの数が３．６×１０１８の鋼材と、トラップサイト数を３．６×１０１９に増加した鋼材について、転位サイトと、それに平衡する結晶粒界サイトおよびＦｅ格子サイトの水素占有率ＸＴ，ＸＧ，ＸＬを示した。このことから、各サイトの水素占有率は、たとえば転位の導入によってトラップサイトの数を増やすことで大きく減少されることが確認された。
【００６９】
遅れ破壊試験の結果と図３から、遅れ破壊が起こるサイトである結晶粒界サイトの限界水素占有率は２×１０−５程度であることがわかった。また、これらの値から、トラップサイトである転位サイトの数をどの程度多くすれば結晶粒界サイトの水素占有率ＸＧをこの材料における結晶粒界の限界水素占有率ＸＧ，ｃｒｉｔｉｃａｌ以下に抑えることが可能かを計算することができる。
【００７０】
そこで、この計算結果から、鋼Ａを、８８０℃×４５分加熱した後に油焼入れし、次いで４００℃に加熱して圧下率を変えて圧延し、水冷した。これにより、異なる量の転位を有する鋼材Ａ１〜Ａ３を得た。なお、鋼材Ａ１は鋼材Ａそのものであり、鋼材Ａ２はφ１５→φ１３、鋼材Ａ３はφ１５→φ１１となるように圧下したものである。導入された転位の数、転位導入後の鋼材のトータル限界水素量の予想値を表２に示した。
【００７１】
また、外部から入るトータル水素量が鋼Ａのトータル限界水素量０．１ｐｐｍよりもやや多い０．１２ｐｐｍとなる環境において、異なる量の転位を有する鋼材Ａ１〜Ａ３の遅れ破壊特性を調べ、その結果を併せて表２に示した。その結果、粒界サイトの水素占有率ＸＧが限界水素占有率ＸＧ，ｃｒｉｔｉｃａｌ以下となるように、転位を導入した鋼材Ａ２，Ａ３については、遅れ破壊が生じないことが確認された。
【００７２】
【表２】
2004091873.tif 000009
【００７３】
さらに、鋼材Ａ２，Ａ３について、遅れ破壊試験により実際に遅れ破壊を生じさせ、遅れ破壊の生じるトータル限界水素量を調べた。その結果、トータル限界水素量の実測値は予想値と同程度であり、また転位の導入量を増やすことトータル限界水素量が増え、遅れ破壊特性が向上されることが示された。このことから、この出願の発明の方法が有効であることが確認された。
（実施例２）
簡便な遅れ破壊に強い高強度鋼の設計・製造方法としてＦｅ格子サイトに着目し、遅れ破壊サイトを考慮せず、水素トラップサイトとして転位サイトを考慮して遅れ破壊に強い高強度鋼の設計・製造を行なった。Ｆｅ格子サイトと、水素トラップサイトである転位サイトとの間の水素の平衡関係を、次式（１３）（２２）を用いて計算した。
【００７４】
ＸＬ／（１−ＸＬ）＝［ＸＴ／（１−ＸＴ）］・ｅｘｐ［（ＥＴ−ＥＬ）／ＲＴ］　　　　　　　　　　　　　　　　（１３）
ＸＴ・ｎＴ＋ＸＬ・ｎＬ＝６．０２２×１０２３・Ｘｔｏｔａｌ．ｅｎｖ　　　　　　　　　　（２２）
ここで、式中、
ＸＬ：Ｆｅ格子サイトにおける水素占有率
ＸＴ：トラップサイトにおける水素占有率
ｎＬ：結晶粒界サイト数（個／Ｆｅ原子１モル中）
ｎＴ：トラップサイト（転位）数（個／Ｆｅ原子１モル中）
ＥＴ：トラップサイトと水素の結合エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）
Ｒ：１モルの気体定数（Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ））
Ｔ：温度（Ｋ）
Ｘｔｏｔａｌ．ｅｎｖ：トータル平衡水素濃度（Ｆｅ原子１モルに対するモル分率）
である。
【００７５】
転位サイトの水素結合エネルギーは、実施例１と同様に５８．６ｋＪ／ｍｏｌを用いた。また、トラップサイトである転位サイトの数を変化させた場合の、転位サイトとそれに平衡なＦｅ格子サイトの水素占有率を図４に示した。実施例１と同様に、鋼材Ａ１のトータルの限界水素濃度は０．１ｐｐｍであることから、図４より、これに対応するＦｅ格子サイトの限界水素占有率が１．０×１０−９であることがわかる。
【００７６】
これらの値から、鋼材の使用中に外部から入る水素量に対して、トラップサイトである転位サイトの数をどの程度以上にすればＦｅ格子サイトの水素占有率を１．０×１０−９以下にできるかを計算することができる。
【００７７】
この計算結果からトラップサイトの範囲を転位のまわりの直径が１原子層程度の領域であると仮定して転位密度からトラップサイト数を算出し、外部から入るトータル水素量が０．１２ｐｐｍとなるような状況下において、そのようなトラップサイトを実現するように転位を導入した鋼材Ａ４、Ａ５について遅れ破壊試験を行い、その結果を表３に示した。
【００７８】
【表３】
2004091873.tif 000010
【００７９】
その結果、鋼材Ａ４、Ａ５について遅れ破壊は生じなかった。
【００８０】
また、このトラップサイト数の算出結果は、結晶粒界サイトも合わせて考慮した実施例１の場合とほぼ同じであり、この方法が簡便法として有効であることが確認できた。
（実施例３）
水素のトラップサイトとして結晶粒界を考慮した。鋼材としては、実施例１および２と同じ組成の鋼材Ａを用い、結晶粒径を変化させるために、焼入れの加熱温度を種々に変更し、４５０℃で９０分間焼戻した後に水冷して鋼材Ａ６〜Ａ８とした。鋼材Ａ６の焼入れ温度は１１５０℃、Ａ７は９００℃、Ａ８は８５０℃とした。
【００８１】
まず、結晶粒界とＦｅ格子サイトにおける水素の平衡関係を求めた。結晶粒界と水素との結合エネルギーは、文献（Ｓｃｒｉｐｔａ　ｍｅｔａｌ，　８　（１９７４）３４３）によると２６ｋＪ／ｍｏｌであるから、ここでは２６ｋＪ／ｍｏｌを用いた。結晶粒界サイトの数は、水素が入るサイトの範囲を１ユニットセルの幅であると仮定し、結晶粒径に応じて、単位体積当たりの粒界密度から算出した。たとえば、粒界の結晶粒径が５０μｍであった鋼材Ａ６については、結晶粒界サイトの数は２．４×１０１６（個／Ｆｅ原子１モル中）となる。
【００８２】
図５に、結晶粒径に対応してトラップサイトの数が変化したときの、転位サイトとそれに平衡する結晶粒界サイトの水素量を示した。実施例１と同じ条件での定荷重遅れ破壊試験の結果から、鋼材Ａ６の限界水素占有率は０．１ｐｐｍであったため、粒界サイトの限界水素占有率は１．７×１０−１程度であるとわかる。これらの関係から、トラップサイト数をどの程度増やせば格子サイトの水素占有率をこの材料における格子サイトの限界水素占有率以下に抑えられるのかを計算することができる。
【００８３】
この計算結果に基づいて、外部から入る水素量を０．１２ｐｐｍとしたとき、実際に結晶粒径を変化させた鋼材Ａ７，Ａ８について遅れ破壊試験を行い、その結果を表４に示した。
【００８４】
【表４】
2004091873.tif 000011
【００８５】
遅れ破壊試験の結果、鋼材Ａ７，Ａ８について遅れ破壊は生じなかった。また鋼材Ａ７，Ａ８の結晶粒径からトラップサイト数を推定し、粒界サイトの水素占有率および格子サイトの水素占有率を求めた結果、この出願の発明の範囲内であれば遅れ破壊が生じないことがわかった。また、トータル限界水素量を高くすることができることがわかった。
（実施例４）
Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｍｏの炭化物、窒化物、炭窒化物を水素トラップサイトとし、遅れ破壊に強い高強度鋼を設計・製造した。鋼材としては、表５に示す組成を有する鋼材Ｂを用いた。
【００８６】
【表５】
2004091873.tif 000012
【００８７】
このような鋼材Ｂでは、結晶粒界および結晶粒内（Ｆｅ格子）の両方が遅れ破壊の発生場所となることが考えられるが、ここでは簡便のため、Ｆｅ格子サイトに着目して破壊サイトを考慮しなかった。
【００８８】
この鋼材ＢのトラップサイトはＭｏの固溶したＶ炭化物であり、水素結合エネルギーは文献（鉄と鋼ｖｏｌ．８３（１９９７）４５４）から、３６ｋＪ／ｍｏｌを用いた。また、結晶粒界と水素の結合エネルギーは文献（Ｓｃｒｉｐｔａ　ｍｅｔａｌ．８，（１９７４）３４３）から２６ｋＪ／ｍｏｌを用いた。
【００８９】
鋼材Ｂを９２０℃で４５分間加熱して油焼入れした後に、５００℃で９０分間焼戻しして水冷したものを鋼材Ｂ１とし、また、油焼入れ後に６００℃で９０分間焼戻し後水冷したものを鋼材Ｂ２とした。これら鋼材Ｂ１およびＢ２は、Ｖ炭化物の析出量が異なり、トラップサイト数が異なっている。なお、トラップサイト数は、Ｖ炭化物の形状とサイズと量を観察により測定し、Ｖ炭化物の表面金属原子数をトラップサイト数に等しいと仮定して求めた。図６に、鋼材Ｂ２の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を例示した。析出物であるＶ炭化物はＦｅと整合界面を有し、長径は約１０ｎｍ程度である。一方、鋼材Ｂ１（図示せず）においては、析出物の数は多くなく、またその析出されたＶ炭化物の長径は２０数ｎｍと大きく、Ｆｅとの界面は非整合であった。
【００９０】
トラップサイト数が増えると、それに平衡するＦｅ格子サイトと結晶粒界サイトの水素占有率は図７に示すとおりとなる。このような関係から、Ｆｅ格子サイトの水素占有率および結晶粒界サイトの水素占有率を限界水素占有率以下とすることで、遅れ破壊が生じない鋼材の設計・製造が可能となる。鋼材Ｂ２は析出物が多く、またその粒径が小さいため、トータル限界水素量が著しく高くなることが分かる。
【００９１】
この計算結果に基づいて、鋼材Ｂ１と鋼材Ｂ２において、鋼材に入るトータル水素量を種々変化させた環境下で遅れ破壊試験を行った。表６に、トラップサイト数を変化させた鋼材Ｂ１，Ｂ２について、外部から入る水素量を０．２ｐｐｍとした遅れ破壊試験の結果を示した。
【００９２】
【表６】
2004091873.tif 000013
【００９３】
その結果、トータル水素量が計算で求めた限界水素占有率４．０以下の場合には、いずれも遅れ破壊が生じなかった。
【００９４】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００９５】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、使用環境に応じて遅れ破壊が抑制され、より広い用途に用いることのできる高強度鋼の遅れ破壊に強い高強度鋼が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼材中のトータル水素量に対する遅れ破壊が起こるサイトであるサイトＢと、水素トラップサイトであるサイトＡの水素占有率の関係を例示した図である。
【図２】サイトＡの数および結合エネルギーを変えた場合の、鋼材中のトータル水素量に対する遅れ破壊が起こるサイトであるサイトＢと、水素トラップサイトであるサイトＡの水素占有率の関係を例示した図である。
【図３】転位導入によりトラップサイトの数が増加した鋼材について、転位サイトとそれに平衡する結晶粒界サイトおよびＦｅ格子サイトの水素占有率の関係を例示した図である。
【図４】転位サイトの数を変化させた場合の、転位サイトとそれに平衡なＦｅ格子サイトの水素占有率の関係を例示した図である。
【図５】結晶粒径に対応してトラップサイトの数が変化したときの、転位サイトとそれに平衡する結晶粒界サイトの水素占有率の関係を例示した図である。
【図６】鋼材Ｂ２の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を例示した図である。
【図７】析出物トラップサイト数が変化したときの、それに平衡するＦｅ格子サイトと結晶粒界サイトの水素占有率の関係を例示した図である。
【図８】この出願の発明の設計と製造の要点の一例を示した作業フロー図である。
【図１】
2004091873.tif 000017
【図２】
2004091873.tif 000018
【図３】
2004091873.tif 000019
【図４】
2004091873.tif 000020
【図５】
2004091873.tif 000021
【図６】
2004091873.tif 000022
【図７】
2004091873.tif 000023
【図８】
2004091873.tif 000024