金属材料の水素ガス環境中材料試験
および分析・解析の受託試験サービス
世界的な地球温暖化への対応として、脱炭素化などカーボンニュートラルを目指す動きが加速しており、各国が2050年等の年限を区切ったカーボンニュートラルの実現を表明しております。水素エネルギーの利点として、環境負荷が軽いことが挙げられます。化石燃料は燃やすと二酸化炭素が発生しますが、水素は燃焼しても二酸化炭素が排出されません。
また、水素はエネルギー変換に優れており、電気としても利用できるため、水素のエネルギーとしての価値は高いと言えます。
（株）神戸工業試験場においても、水素環境中の各種材料試験の技術開発を積極的に進めてきました。
当社におけるこれまでの試験実績と今後のさらなる技術開発の展望をご紹介致します。

水素エネルギー社会の実現を目指してはこぶ

Hydrogen energy

つくる

つかう

ためる

構造用材料を水素環境中で使用するニーズは高まる一方ですが、解決すべき課題が残されております。

課題1■ 従来の設計でそのまま使えるのか?
■ 根本的な改良が必要なのか?
H2

H2

強度設計上の懸念点

金属材料 の 水素脆化
金属材料中に水素原子が侵入・拡散し、各種強度特性を低下させること。

表面反応H

H
H

H2H

H
H

H
H
H

水素拡散とトラップ
変形帯

不純物■ 遅れ破壊■ 引張特性の破断伸びや絞りの低下

析出物

き裂の発生・進展■ 疲労寿命の低下、疲労限度の低下■ 疲労き裂進展速度の加速■ 破壊靭性の低下

使用を想定している金属材料の水素適合性を評価するためには、水素環境中における材料試験は必要不可欠

課題 2
現状は…

■ 水素ガスは可燃性のため取り扱いには知識が必要であり、科学的な安全対策を徹底する必要がある■ 水素ガス環境中の材料試験には大掛かりな防爆設備が必要なため、多額のコストがかかる■ 水素ガス環境中の材料試験を受託するサービスは高額になってしまい、水素エネルギー社会の発展に障害となっている

当社がご提案する解決策

は中面をご覧ください。

解決策

水素ガス密封型中空試験片を用いた各種強度試験
ロードセル

水素ガスを材料の表面にさらした状態での強度試験を実現

メリット

1

圧力計バルブ2KMTLのコア試験技術と融合

メリット

3

水素ガスボンベ

水素ガス量は極少量
試験片の外に水素ガスが拡散しても安全性を確保

メリット

真空ポンプ

多様な試験ニーズに適正価格で対応

中空試験片

当社における水素材料試験ラインアップ
試験

SSRT 試験（低ひずみ速度引張試験）

クリープ試験

中空低サイクル疲労試験
高サイクル疲労試験
クリープ試験

圧力（MPa）

温度（℃）

下限

上限

下限

上限

0.1

20−80

300

0.1

20

232000.1

20−40

500

0.1

0.1

23475

SSRT 試験140

中実 SSRT試験
高サイクル疲労試験
疲労き裂進展試験
破壊靭性試験
4点曲げ疲労き裂進展試験

120
水素ガス圧力（MPa）

試験片

100
80

中空 低サイクル疲労試験
高サイクル疲労試験

60

中空 SSRT試験
クリープ試験

40

中実 クリープ試験
開発予定の拡大領域

高サイクル疲労試験

中実

疲労き裂進展試験

1113

2323

破壊靭性試験

200-200 -1004 点曲げ疲労き裂進展試験

0100200300

400500600700800900

水素ガス温度（℃）

EBSDによる破断した中空試験片の分析
IPF

Phase

Color Coded Map Type：Inverse Pole Figure［001］
CrystaI direction
111
FaceCenteredCubic

Color Coded Map Type：Phase
Phase
Face Centered Cubic（オーステナイト相）
Body Centered Cubic（マルテンサイト相）

破断部近傍の断面像

解 析

SEM

二次き裂

二次き裂の拡大

Scope001

101

KAM

GROD

Material : SUS304
In 13.3 MPa H2 at RT
CHS : 0.002 mm/sec

Color Coded Map Type：KerneI Average Misorientation
TotalPartition
Min Max Fraction Fraction
051.0001.000

Color Coded Map Type：Grain Reference Orientation Deviation - Angle
TotalPartition
Min Max Fraction Fraction
050 0.7820.782▶破断した中空試験片の断面観察より、水素に曝されていた内表面からのき裂発生を確認▶き裂の経路上で、オーステナイトからマルテンサイトへの相変態を確認▶オーステナイト安定度が比較的低いSUS304では、水素ガスの影響により延性が低下

1連続電解チャージ式 SSRT試験法
電解水素チャージは、金属材料に水素を添加する方法の一つです。水溶液中で試験片を分極し、試験片の表面から水素が材料内部へ侵入・拡散します。この方法は、特に腐食環境中における鋼材の水素脆化や遅れ破壊の研究に用いられてきました。
水素脆化は、鋼材中に取り込まれた水素の濃度が高くなるにつれて、材料の脆化傾向が増大します。電解水素チャージを使用することで、実際の環境下での水素の影響を模擬し、鋼材の耐水素性能を評価することができます。
（株）神戸工業試験場では、水素チャージ後に大気中での引張試験を実施してきましたが、試験中に水素が脱離してしまうという課題がございました。本資料では、水素チャージをしながら引張試験が実施できる手法を構築し、この課題を解決した事例について紹介します。

連続電解チャージ式SSRT試験法の実験セットアップ■ 試験片に対して、電気化学反応を利用した水素チャージをしながら、ガルバノ
スタット

白金電極

SSRT試験が可能になりました。
■ 腐食環境で生じる遅れ破壊などの水素脆化評価試験に最適です。

引張試験片（陰極）

電解液、電流値、試験速度など多岐にわたるパラメータの条件設定が可能です。

熱電対

電解液

■ 破断後の試験片を液体窒素中に浸漬して、試験片に吸蔵した水素ラバーヒーターを脱離させずに保管し、水素濃度の分析を実施します。
■ オーダーメイドの実験機器の設計・製作から承ります。

試験容器

応力 - ストローク線図

水素昇温脱離分析（TDA）
0.40

1600

Nominal stress（MPa）

1400
1200

CM03
0.1 mA/cm2
pre charge : 0.5h

1000CM040.01 mA/cm2
pre charge : 0.5h

800600CM05
1 mA/cm2
pre charge : 48.5h

400CM02
1 mA/cm2
pre charge : 0.5h

2000

Desorption rate（mass ppm/min）Material : SCM435
Test temperature : 50℃
CHS : 0.0012 mm/sec
Electrolyte : 3 mass %NaCl + 3 g/L NH4SCN

00.5

11.5

2

2.5

3CM01
Non-charged in air

3.544.55

Material : SCM435
Heating rate : 200 K/h

0.35
0.30

CM05
CH= 5.1 mass ppm
1mA/cm2
pre-charge : 48.5 h

0.25
0.20

CM02
CH= 2.0 mass ppm
1mA/cm2
pre-charge : 0.5 h0.150.10

CM01 : CH= 0.1 mass ppm
CM03 : CH= 0.1 mass ppm
CM04 : CH= 0.2 mass ppm

0.05
0.00
050

Stroke displacement（mm）

100150200250300350400

Temperature（℃）

〜 この実験の考察ポイント 〜▶電流密度の高い条件において、水素による顕著な延性低下が生じている▶予備チャージ時間を長くすると、より顕著な水素脆化が発現▶破断した試験片から拡散性の水素を検出▶延性の低下度と水素濃度には相関がある▶試験部における水素の濃度分布を定量評価するには水素拡散係数が必要である

2

超高圧 100MPa級 水素ガス環境中SSRT試験、疲労寿命試験および疲労き裂進展試験
超高圧水素ガスの圧力容器や配管は、主に水素エネルギー関連の製品やインフラに使用されています。具体的には、水素燃料電池車（FCV）の燃料タンク、水素ステーションの充填設備、また大規模な水素輸送や保管のための施設などに採用されています。これらの容器や配管は、水素の高圧化によるエネルギー密度の向上を実現し、効率的な輸送や保管を可能にするためのものです。超高圧での取り扱いには特別な技術や材料が求められ、安全性を確保するための厳格な基準や規格が存在し、超高圧水素ガス環境中における各種材料試験が必要です。
（株）神戸工業試験場では、特殊構造の小型圧力容器を汎用の油圧サーボ型疲労試験機に搭載することにより、超高圧水素ガス中のSSRT試験、疲労寿命試験および疲労き裂進展試験が実施可能となりましたので、本稿ではその技術紹介をさせて頂きます。

自社開発の高圧水素ミニチュア試験装置

SSRT試験や疲労試験用の疲労き裂進展試験や破壊靭性試験用の横型チャンバー

縦型チャンバー

当社は、防爆仕様の専用試験室に関して、兵庫県に『高圧ガス製造事業所』として届け出を出しております。
ガス検知器、強制排気ファン、防爆仕様の蛍光灯、定期自主検査の実施など、法令で推奨される安全対策を万全にしたうえで、当該試験を実施しております。

試験手順

試験片取り出しガ ス 放 出試 験 実 施昇 圧 機 を 用 い て ガス 圧 力 を 調 整

圧 力 容 器 内 の ガス 置 換

圧力容器内を真空引き

試 験 片 を 圧 力 容 器 内 に設 置

3超高圧水素ガス環境下における試験実績
SSRT試験
SCM435In air or 120 MPa H2 at RT
CHS：0.0005 mm/sec

900
800

da/dN［m/cycles］

Nominal stress（MPa）

疲労き裂進展試験
1.0E-05

700
600
500
400
300
200

水素ガス中
大気中

100
000.5

11.5

2SUS304
In air or 100 MPa H2 at RT

1.0E-06

1.0E-07

1.0E-08
水素ガス中
大気中

1.0E-09
102.5

疲労試験
800

Stress amplitude, σa［MPa］

1000

203040Stroke displacement（mm）

ΔK［MPa m1/2］

延性低下
相対絞りRRA0.6
相対伸びREL0.6

き裂進展の加速
SUS304では大気中 の 約10倍 !

SCM435In air or 60 MPa H2 at RT
R=-1, f=1〜5 Hz

700
600
500
400300200

水素ガス中
大気中

10001.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+0750

Number of cycles to failure, N［f cycles］
低寿命域：影響 大高寿命域：影響 小

当社の各種標準試験片SSRT試験片

疲労き裂進展│CT試験片
8M62.29.6

3φ2R3

1.6（10.7）（10.7）

2.2

10372-φ2103
9.6

2.2

φ6C183φ10.57R0R05.5φ10φ2C1φ6

破壊靭性│CT試験片R8疲労寿命試験片

452.2472-φ2104KMTLミニチュア試験法の基盤技術
実製品や実部材から試験片を採取し、同様の環境を模擬したうえで、各種材料試験を実施したいというニーズは、あらゆる産業分野において共通するもの電極です。しかしながら、実機から採取できる部材の寸法には制約があることがほとんどであり、必ずし も、一 般 的 な 試 験 規 格 で 推 奨 さ れ る サ イ ズ の試験片を採取できるとは限りません。
当社では、ミニチュア試験片を実機より採取し、試験片加工および各種試験を実施する技術の確立に注力してきました。本稿で紹介する高圧水素ガス中の取付架台

材料試験は、このミニチュア試験法を高圧水素ガス環境に応用した当社オリジナルな試験手法です。
二次元コードから当社ミニチュア試験法についてのサービスをご覧いただけます。

本体

ミニチュア試験片を採取するための放電サンプリング装置

詳細はこちらから

4

鋼中の水素拡散係数の測定および解析
金属中の水素原子は、他の溶質原子（例えば、炭素など）に比べて、著しく速く拡散することが知られております。多くの研究者が、材料中の水素拡散が水素脆化の主因であることを指摘しています。
（株）神戸工業試験場では、水素拡散係数を実験的に取得する方法について検討致しました。
また、実験的に取得した水素拡散係数を用いて、時間とともに変化する水素の濃度分布をFEMで解析した事例について紹介致します。

放出法による水素拡散係数の測定手順
Step

Step

Ⅰ 電解水素チャージ
H2H2H

H

H

H2電H

H

H2H
H

H2H2H2液H2H2H

H

H

H2H

H
H

H

H

H2解H2H2H
H

H2H2H

H

H2H

H

H

H2●H

H

●チャージ条件

H

H
H

H

H2H2H2t
拡散方程式

サンプル解凍後、質量測定

溶液温度：T ＝50 ℃● チャージ時間：t ＝48 h

装置：JEOL GC-MS● 保持温度：T ＝24, 50, 80 ℃●

フィッティング解析の結果

Hydrogen diffusivity, D（m2/sec）

340

320

純鉄

280

1E-8101E-9

7.141E-10
2.315E-1010-10

低合金鋼

2.4

2.6

2.8

3.03.2

フィッティング：最小二乗法●

数値計算コード：Python

8.832E-11

3.4

Reciprocal temperature, T（K-1）

クロムモリブデン鋼の50℃における水素拡散係数
D50℃＝2.315×10-10m2/sを用いて解析を実施

1E-6

1E-7-810-9●

丸棒試験片の断面における水素濃度分布の時刻歴変化

300
KMTL
Beck et al
Asano et al
OrianiSuzuki et al

10-7

引用文献：Acta Metallurgica,

FEM解析による拡散シミュレーション

Temperature, T（K）
440 420 400 380 360●

Vol.2, 2, 1954, 214-223

測 定 条 件●10-112.2H2H

測定前作業

3% NaCl + 3g/L NH4SCN

10-6

Ⅲ フィッテイング解析

CH2H2H2H2H2Step

Ⅱ 等温-水素放出カーブ取得

1E-10

1E-113.6

水素濃度 高1.00.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
水素濃度 低動画はこちらから※これは、FEM解析ソフトAbaqus 2021で解析した結果をアニメーションにしたものです。

▶水素濃度が飽和に至る時間は約10時間▶チャージ時間が0.5時間では濃度に勾配が生じる

HPTEL

https://www.kmtl.co.jp/079-435-5010

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