九州シンクロトロン光研究センター課 題 番 号 ： 070737N（様式第４号）

水 素 チ ャ ー ジ を 施 し た オ ー ス テ ナイ ト 系 ス テ ンレ ス 鋼 の疲 労 破 面 に お け る マ ルテ ン サ イ ト 変 態 相 の 測 定
Measurement of martensitic transformation at the fracture surfaceof hydrogen-charged austenitic stainless steels
松永

久 生 *1

野田Hisao Matsunaga
*1
*1

福岡大学

Fukuoka University*2*2

浩 史 *2Hiroshi Noda

福岡大学大学院

Graduate school of Fukuoka University

１．概要
水 素 チャージを施 したオーステナイト系 ステンレス 鋼 SUS304 の疲 労 破 面 におけるマルテンサイ
ト変 態 相 の分 布 測 定 を，幅 0.05〜0.3 mm のビームを用 いて行 った．破 面 全 体 にわたって ε マルテ
ン サイトは検 出 されず，α´マル テンサイト のみが検 出 され た．疲 労 破 壊 起 点 から の距 離 とともに，α´のピークは相 対 的 に増 大 した．これは，疲 労 き裂 進 展 に伴 ってき裂 先 端 の塑 性 変 形 量 が増 大 した
ことによるもの考 えられる．
Distribution of martensitic transfor mati on on a fatigue fracture sur face of h ydr ogen-charged
SUS304 stainless steel was measured b y using the beam of 0.05-0.3 mm in width. No peak of εmartensite was observed all over the fracture sur face. On the other hand, t he p eak of α´martensite was observed, which was incr eased with the distance fr om fr acture origin. It seems
likel y that the increase in α´ martensite was due to an increase in the pl astic defor mation at
crack tip.
２．背景と研究目的：
近年，地球環境温暖化や化石燃料枯渇を背景として，水素を利用した燃料電池システムが注目されている．同システムでは，水素貯蔵・供給機器における各種部材が高圧水素環境に曝される．水素は金属材料中に容易に進入し静的強度や疲労強度を低下させるため，システムの安全を保証するために水素環境中における材料強度の把握が緊急の課題となっている．
疲 労強 度 に及ぼ す 水 素の影 響 につ いては ，種々の材料についてデータが取得され候補材料の選定が進んでいる．例えば，水素配管などへの使用が想定されるオーステナイト系ステンレス鋼の疲労強度については，SUS316L が SUS304 よりも耐水素性に優れることが報告されている(1)．この原因として，繰返し塑性変形により生じるマルテンサイトの変態量の違いが，水素の拡散速度に影響を与えることが指摘されている(2)．しかし，水素がオーステナイ
ト系ステンレス鋼の疲労過程における相変態に及ぼす影響については不明な点が多い．
本実験では，水素チャージを施した SUS304 疲
労破面のマルテンサイト変態相の分布を X 線回折により調べ，水素濃度の違いによるマルテンサイト変態の差の検出を試みた．
３．実験内容：供試材は準安定オーステナイト系ステンレス鋼
SUS304溶体化処理材である．陰極チャージにより水素を侵入させた試験片の引張圧縮疲労試験を応力振幅sa=320 MPa，応力比R=−1で行い，繰返し数 N =8.1´103 cyclesで疲労破壊した疲労破面（直径8.5 mm）について測定を行った．
測定には，BL15の2θ-ωタイプのゴニオメータとシンチレーションカウンタを用いた．ビーム波長は，1.79 Å，2θの測定範囲は，50〜62°とした．入射ビームと回折ビームの減衰を抑えるために適宜Heパスを使用した．可動スリットにより入射ビームの幅を0.05 mmまたは0.3 mmに，高さを0.3 mmに調整した．

ビーム照射位置決めは，半割りにより行った．
４．結果、および、考察：
図1に，疲労破面上の破壊起点からの各距離における回折ピークを示す．各測定で測定時間が異なるため，回折ピークの高さはバックグラウンドの平均値で無次元化している．破壊起点からの距離 aの増加とともに，基地組織であるオーステナイト（γ相）のピークに対してα’マルテンサイトのピークが相対的に増大した．これは，疲労き裂進展とともにき裂先端の塑性変形量が増大したことによるもの考えられる．
一方，水素チャージを施した試験片で発生することが報告されているεマルテンサイトは本実験では観察されなかった．試験片には336 hoursの水素チ
ャージを施したが，同様の水素チャージを施した試験片を用いた過去の調査で，深さ約40〜50 µm の表面層に水素の濃化領域が存在することがわかっている．よって，幅0.05 mm のビームを用いた a = 0の位置の測定では，ビームは主に水素の濃化領域に照射されたとことになるが，この領域においてもεマルテンサイトのピーク（2θ = 56°付近）は検出されなかった．確認 のために同じ試験片の側面部分（試験片表面）において同様の測定を実施したところ，α’マルテンサイトのピークとともにεマルテンサイトのピークが検出された．

５．今後の課題：
細束ビームを高濃度の水素を含む表面層のみに照射することにより，εマルテンサイトの検出を予想していたが，α’マルテンサイトのみが検出された．
一方，同じ試験片の側面部分の測定では，α’とεの両相が検出された．
これらの結果は矛盾しているようにも見受けられるが，原因については現時点では不明である．今後，今回の測定結果について，電子線などを用いて他の角度からも確認する予定である．
６．論文発表状況・特許状況
特になし（2007年11月10日現在）．
７．参考文献(1) Murakami, Y. and Matsunaga, H., Int. J. Fatigue,
Vol. 28 (2006), pp. 1509-1520.
(2) Murakami, Y., NSK Technical Journal, Vol. 681(2006), pp. 5-10.
８．キーワード・SUS304 ステンレス鋼
ステンレスの代表的鋼種．基地組織はオーステナイト（γ 相，fcc）である．塑性変形を与えることにより，γ 相の一部は常温でより安定な α’マルテンサイト（bcc）や ε マルテンサイト（hcp）に変態する．

γ (111)a=0(mm)Fracture surface
Fracture origin

aa=1(mm)hw

a=2(mm)a=3(mm)α’(211)

w = 0.05 (mm)h = 0.3 (mm)w = 0.3 (mm)h = 0.3 (mm)w = 0.3 (mm)h = 0.3 (mm)w = 0.3 (mm)h = 0.3 (mm)8.5 mm2θ (deg.)
図 1 SUS304 水素チャージ試験片疲労破面上の疲労破壊起点からの各距離における回折ピーク

γ (200)