(57)【要約】【課題】金属材料表面のより微細な領域における局所的な水素透過に関する情報が取得できるようにする。【解決手段】ステップＳ１０１で、試験（測定）対象の金属からなる試験片の一方の面の表面における結晶格子間隔を測定する。例えば、走査型プローブ顕微鏡で観測することで、結晶格子間隔が測定できる。次に、ステップＳ１０２で、上述した表面状態の観測を継続している状態で、鉄鋼などの試験片の一方の面に対向する他方の面に水素を供給する。例えば、試験片の他方の面に電解質溶液を接触させ、電解質溶液中に配置されている第１電極および第２電極の間に電気化学的還元反応により電解質溶液から水素が発生する電位を印加して電解質溶液中より水素を発生させればよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる試験片の一方の面の表面における結晶格子間隔を測定する表面状態観測ステップと、
前記表面状態観測ステップを継続している状態で、前記試験片の前記一方の面に対向する他方の面に水素を供給する水素供給ステップと
を備えることを特徴とする水素透過試験方法。
【請求項２】
請求項１記載の水素透過試験方法において、
前記表面状態観測ステップでは、前記試験片の一方の面の表面における結晶格子間隔を走査型プローブ顕微鏡により観測することを特徴とする水素透過試験方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の水素透過試験方法において、
前記水素供給ステップは、
試験片の他方の面に電解質溶液を接触させる溶液接触ステップと、
前記電解質溶液中に配置されている第１電極および第２電極の間に電気化学的還元反応により前記電解質溶液から水素が発生する電位を印加して前記電解質溶液中より水素を発生させる水素発生ステップと
を含むことを特徴とする水素透過試験方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素透過試験方法において、
前記試験片は、厚さを前記金属の結晶粒の粒径以下とすることを特徴とする水素透過試験方法。
【請求項５】
金属からなる試験片の一方の面の表面における結晶格子間隔を測定する表面状態観測手段と、
前記表面状態観測手段による表面状態観測を継続している状態で、前記試験片の前記一方の面に対向する他方の面に水素を供給する水素供給手段と
を備えることを特徴とする水素透過試験装置。
【請求項６】
請求項５記載の水素透過試験装置において、
前記表面状態観測手段は、走査型プローブ顕微鏡より構成されたものであることを特徴とする水素透過試験装置。
【請求項７】
請求項５または６記載の水素透過試験装置において、
前記水素供給手段は、
試験片の他方の面に電解質溶液を接触させる溶液接触手段と、
前記電解質溶液中に配置されている第１電極および第２電極の間に電気化学的還元反応により前記電解質溶液から水素が発生する電位を印加して前記電解質溶液中より水素を発生させる水素発生手段と
を含むことを特徴とする水素透過試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素が侵入した金属の状態を測定するための水素透過試験方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属から構成された構造物をある条件下で使用している過程で、突然に破壊が起こる現象があり、遅れ破壊と呼ばれている。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、原因の１つに水素がある。水素が金属に侵入して金属の延性が失われることで、上述した遅れ破壊が起こるとされ、水素脆化と呼ばれている。多くの研究者はこの水素脆化に着目し、初期過程である金属中への水素の侵入挙動を知るため、電気化学的水素透過法で水素の拡散係数の測定を行っている（非特許文献１参照）。
【０００３】
電気化学的水素透過法は、試料となる金属板（試験片）の一方の面の近傍において発生させた水素を金属に侵入させ、他方の面から放出された水素の量を表面近傍に設置した電極により電気化学的に測定している。電気化学的水素透過法は、水素の平均的な拡散係数を求めるなどの場合に有効な方法として広く活用されており、ｃｍレベル以上の面積における平均的情報を得るのに適している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】S. K. Yen and H. C. Shih, J. Electrochem. Soc. ,"Determination of Critical Hydrogen Concentration for Brittle Fracture of a High Chromium Ferritic Steel",J.Electrochem. Coc. , Vol.137, No.7,pp.2028-2031, 1990.
【非特許文献２】http://analysis.ikaduchi.com/spm.html、ジャパンリサーチラボ、分析評価総合支援部門  アナリシス・ラボ、走査型プローブ顕微鏡（SPM・AFM)の原理・特徴．
【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、上述した電気化学的水素透過法では、試験片の表面と電極との間に溶液を介してある程度の距離があるために、試験片の表面のより微細な領域における局所的な水素透過に関する情報を得ることが困難であ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、金属材料表面のより微細な領域における局所的な水素透過に関する情報が取得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】
本発明に係る水素透過試験方法は、金属からなる試験片の一方の面の表面における結晶格子間隔を測定する表面状態観測ステップと、表面状態観測ステップを継続している状態で、試験片の一方の面に対向する他方の面に水素を供給する水素供給ステップとを備える。
【０００８】
上記水素透過試験方法において、表面状態観測ステップでは、試験片の一方の面の表面における結晶格子間隔を走査型プローブ顕微鏡により測定すればよい。例えば、走査型プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡である。
【０００９】
上記水素透過試験方法において、水素供給ステップは、試験片の他方の面に電解質溶液を接触させる溶液接触ステップと、電解質溶液中に配置されている第１電極および第２電極の間に電気化学的還元反応により電解質溶液から水素が発生する電位を印加して電解質溶液中より水素を発生させる水素発生ステップとにより行えばよい。なお、試験片は、厚さを金属の結晶粒の粒径以下とするとよい。
【００１０】
また、本発明に係る水素透過試験装置は、金属からなる試験片の一方の面の表面における結晶格子間隔を測定する表面状態観測手段と、表面状態観測手段による表面状態観測を継続している状態で、試験片の一方の面に対向する他方の面に水素を供給する水素供給手段とを備える。
【００１１】
上記水素透過試験装置において、表面状態観測手段は、走査型プローブ顕微鏡より構成されたものであればよい。例えば、走査型プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡である。
【００１２】
上記水素透過試験装置において、水素供給手段は、試験片の他方の面に電解質溶液を接触させる溶液接触手段と、電解質溶液中に配置されている第１電極および第２電極の間に電気化学的還元反応により電解質溶液から水素が発生する電位を印加して電解質溶液中より水素を発生させる水素発生手段とから構成されていればよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したことにより、本発明によれば、対象となる金属材料表面のより微細な領域における局所的な水素透過に関する情報が取得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水素透過試験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、本発明の実施の形態における水素透過試験装置の構成を示す構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における水素透過試験装置の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、第２電極の構成例を示す構成図である。
【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水素透過試験方法を説明するためのフローチャートである。この水素透過試験方法は、まず、ステップＳ１０１で、試験（測定）対象の金属からなる試験片の一方の面の表面における結晶格子間隔を測定する（表面状態観測ステップ）。例えば、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope）の観測により、試験片の一方の面の表面における結晶格子間隔が測定できる（非特許文献２参照）。走査型プローブ顕微鏡としては、例えば、原子間力を利用する原子間力顕微鏡がある。
【００１６】
次に、ステップＳ１０２で、上述した表面状態の観測を継続している状態で、鉄鋼などの試験片の一方の面に対向する他方の面に水素を供給する（水素供給ステップ）。例えば、試験片の他方の面に電解質溶液を接触させ（溶液接触ステップ）、電解質溶液中に配置されている第１電極および第２電極の間に電気化学的還元反応により電解質溶液から水素が発生する電位を印加して電解質溶液中より水素を発生させる（水素発生ステップ）ようにすればよい。
【００１７】
上述した水素透過試験方法は、図２に示す水素透過試験装置により実現できる。この装置は、試験対象の金属からなる試験片２０１の一方の面の表面における結晶格子間隔を測定する表面状態観測部２０２と、表面状態観測を継続している状態で、試験片２０１の一方の面に対向する他方の面に水素を供給する水素供給部２０３とを備える。
【００１８】
より詳細に説明すると、電解質溶液を用いる場合、図３に示すように、金属材料による試験片３０５の他方の面３０６に、容器３０２に収容した電解質溶液３０１を開口部３０７を介して接触させる。次いで、接触させた電解質溶液３０１中に配置されている第１電極（参照電極）３０３および第２電極（作用電極）３０４の間に電気化学的還元反応により電解質溶液から水素が発生する電位を、電源制御部３１０を用いて印加して電解質溶液３０１中より水素を発生させる。
【００１９】
この場合、電解質溶液３０１，第１電極３０３，第２電極３０４，電源制御部３１０などが、水素供給手段となる。また、容器３０２，開口部３０７などが、溶液接触手段となる。このようにして水素を発生させることで、試験片３０５の他方の面３０６に水素を供給すればよい。なお、他方の面３０６に対向する試験片３０５の一方の面３０８の側には、走査プローブ顕微鏡３０９が配置され、一方の面３０８における試験片３０５の表面における結晶格子間隔を測定している。ここで、金属材料による試験片３０５は、厚さを金属材料の結晶粒の粒径以下とすればよい。また、試験対象とする金属材料は、多結晶体であるとよい。
【００２０】
上述した電解質溶液は、酸性溶液、アルカリ性溶液、その他の電解質溶液など導電性がある溶液であればよい。例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液が挙げられ、これらのをｐＨで９〜１３として用いればよい。この範囲のｐＨの電解質溶液を用いることで、金属を腐食させることがなく、かつ水素がガスとなって発生することを抑制した状態で、水素が供給できる。例えば、第２電極の電位を、電解質溶液から電気化学的還元反応により水素が発生する電位に規制し、試験片の他方の面近傍で水素を発生させる。この際に、必要に応じて電解質溶液中に第３電極（対極）を設け、第２電極との間で電位規制のための電流を流してもよい。発生した水素は、試験片の他方の面から侵入し、試験片を透過した後に一方の面から放出される。
【００２１】
以上のようにして侵入して透過した後で、水素が放出された試験片の一方の面においては、水素が放出される際に試験片の金属を構成する結晶の結晶格子間を押し広げる。従って、走査型プローブ顕微鏡などにより、試験片の一方の面の表面の結晶格子間隔を測定していることで、水素放出による結晶格子間隔の変化が観測でき、水素が試験片のどの部分から放出されているかを、非常に高い分解能で測定することが可能となる。
【００２２】
ところで、上述した第１電極は、任意の設計のものを用いればよいが、一例として飽和銀塩化銀電極やイリジウム電極をはじめとする金属／酸化物電極が挙げられる。ルギン管を用いて電気的接続をとってもよい。また、上述した第２電極は、金属板を用いることもできるが、好適なのは結晶格子間隔を測定に用いる走査型プローブ顕微鏡のプローブと同様に、先端がｎｍサイズの電極を用いるとよい。この構成とした第２電極を用いれば局所的に水素の発生を行うことができる。
【００２３】
例えば、図４に示すように、片持ち梁形状のカンチレバー４０１の先端部に、先端をｎｍサイズとした円錐状の第２電極４０２を設け、第２電極４０２の近傍に、金属／酸化物電極（好ましくはイリジウム電極）からなる第１電極４０４を配置したプローブを用いればよい。第２電極４０２は、リード４０３に接続し、第１電極４０４はリード４０５に接続し、図示しない電源制御部に接続している。このプローブを移動させることで、局所的な水素発生点を走査させることができる。なお、図４において、（ａ）は、側面、（ｂ）は平面、（ｃ）は正面を示している。
【００２４】
試験対象の金属材料の試験片（試料）を、前述したように金属材料の結晶粒の粒径以下の厚さとしておけば、上述したように局所的に水素を発生させることで、金属材料（試験片）の粒界から侵入した水素と、結晶粒中央から侵入した水素との挙動の違いや、局所的な水素透過能などをより明確に測定することが可能となる。また、第２電極と、走査型プローブ顕微鏡のプローブとは、試験片の両面で完全に対向させてもよく、また、一方を固定して他方を移動させて分布をとってもよい。なお、図４を用いて説明したプローブは、水素発生以外の化学反応を局部的に生じさせることにも利用できる。
【００２５】
以上に説明したように、本発明によれば、供給した水素が透過して放出される状態を、対象となる金属からなる試験片の表面における結晶格子間隔を測定することで観測するようにしたので、試験片表面のより微細な領域における局所的な水素透過に関する情報が取得できるようになる。
【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、他方の面に接触させた電解質溶液より水素を発生させて水素を供給するようにしたが、これに限るものではなく、試験片の他方の面に水素ガスを吹き付けることで水素を供給してもよい。また、結晶格子間隔の測定は、原子間力顕微鏡に限るものではなく、例えば、微少なトンネル電流を利用する走査型トンネル顕微鏡で、結晶格子間隔の測定を行うようにしてもよい。また、結晶格子間隔の測定は、走査型プローブ顕微鏡の観測に限るものではなく、他の装置・方法を用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
２０１…試験片、２０２…表面状態観測部、２０３…水素供給部、３０１…電解質溶液、３０２…容器、３０３…第１電極（参照電極）、３０４…第２電極（作用電極）、３０５…試験片、３０６…他方の面、３０７…開口部、３０８…一方の面、３０９…走査プローブ顕微鏡、３１０…電源制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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