高強度薄鋼板の水素脆化メカニズム北 條 智 彦
柴 山 由 樹
 味 戸 沙 耶1)1)
小 山 元 道
秋 山 英 二2)
3)

焼戻しマルテンサイト鋼を用いた研究報告が多く(5)，この焼

.

は じ

め

に

戻しマルテンサイト鋼の耐水素脆化特性向上のため，炭化物
析出による水素トラップサイトの導入(6)(7)や結晶粒微細化(8)自動車用鋼板では軽量化，衝突安全性向上のため 2000 年の効果を検討した多数の研究報告がなされている．一方，自代以降，高強度化がすすんだ．自動車用高強度鋼板は強度上

動車用高強度鋼板は冷間でプレス成形後に構造部材として自昇にともないプレス成形性が低下し，通常のプレス加工法で動車に適用するため，優れたプレス成形性を付与する必要が構造部材を製造することが困難になるため，引張強さ 1500ある．そのため，高強度と高延性，ならびに優れたプレス成MPa 以上の部材の製造はオーステナイト域温度まで加熱し形性のバランスの取れたフェライトマルテンサイト複合組

た鋼板をプレス加工し，金型で急冷するホットスタンプ技

織(DP)鋼やフェライトベイナイト複合組織鋼などの複相組術(1)を用いて行われるようになった．一方，ホットスタンプ織を有する高強度鋼板が自動車用鋼板に採用されている．

の新たな設備導入をすることなく，従来の冷間プレス加工可

DP 鋼は高強度をマルテンサイトが，高延性をフェライトが能な 1500 MPa 級高強度鋼板の要求もあり，1500 MPa の超担って高強度，高延性の両立を達成する．新構造材料技術研

高強度， 20 以上の高延性を有する高強度鋼板の開発が希究組合(ISMA)のプロジェクトにより開発された革新鋼板の求されている．

ひとつは，鋼中に残留オーステナイト(g )を微細均一に分散鋼は強度上昇すると水素脆化(2)(3)が問題となる．とくに，させることにより残留 g の変形誘起マルテンサイト変態を有引張強さが 1000 MPa を超えると水素脆化が顕著となるこ効に利用して 1500 MPa の超高強度と 20 の延性を両立しとが知られており， 1960 年代より橋梁に用いられる高力ボた高強度鋼板となっている(9)．

ルト用高強度鋼の水素脆化に関する研究(4)が行われてきた．

焼戻しマルテンサイト鋼では，水素脆化の破壊起点付近で1500 MPa 級自動車用高強度鋼板も従来の構造用鋼と同様には粒界破壊を生ずる(10)(11)．この水素脆化による粒界破壊は水素脆化が懸念されるため，自動車用高強度鋼板の水素脆化

水素脆化試験中の結晶粒界(旧オーステナイト粒界)への水素に関する研究が急がれている．

の拡散，水素トラップと結晶粒界の原子同士の結合力を弱め

本稿では，近年の自動車用高強度鋼板の水素脆化に関するることにより生じる格子脆化(HydrogenEnhanced Decohe-

研究，および著者らが行った U 曲げ加工した高強度鋼板の

sion: HEDE )機構(12) に基づいて生じると考えられる．これ

水素脆化特性評価に関する結果を概説する．

に対して，焼戻しマルテンサイト鋼のき裂の進展領域や，DP 鋼に代表される複相組織鋼などの多くの鉄鋼材料の水素.


高強度鋼板の水素脆化

微細組織と水素脆化特性

これまでの高力ボルトの水素脆化に関する研究は，おもに脆化は局所的な塑性変形を伴ってき裂が進展する擬へき開破壊を生じる．この擬へき開き裂の発生，進展は水素が転位の運動を助長してき裂先端の塑性変形を局所化する水素助長局
所 塑 性 変 形 ( Hydrogen Enhanced

Localized

Plasticity:東北大学金属材料研究所1)助教 2)准教授 3)教授(〒9808577 仙台市青葉区片平 211)
東北大学大学院工学研究科大学院生(現 日本原子力研究開発機構)
Hydrogen Embrittlement of HighStrength Steel Sheets; Tomohiko Hojo, Yuki Shibayama, Saya Ajito, Motomichi Koyamaand Eiji
Akiyama(Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai. JAEA, Ibaraki)
Keywords: highstrength steels, tempered martensitic steel, stress, plastic strain, hydrogen embrittlement, Ubending
2022年 3 月 1 日受理[doi:10.2320/materia.61.413]

ま て り あ 第61巻 第 7 号(2022)
Materia Japan

HELP)機構(13)や塑性変形によって生じた空孔が水素によって安定化し，空孔がクラスター化して破壊を助長する水素助
長 ひ ず み 誘 起 空 孔 ( Hydrogen Enhanced Strain Induced
Vacancy: HESIV)機構(14)により説明されると考えられる．

従来の自動車用高強度鋼板である DP 鋼の水素脆化破壊挙動に関しては，多くの研究者によって詳細に検討された．
Koyama ら(15)の報告では，DP 鋼は水素吸蔵して引張試験を行うと，旧オーステナイト粒界やマルテンサイト粒内でき裂が発生し，おもにフェライト粒内で停止，き裂先端が鈍化
し，さらなる変形によってき裂先端が広がりながらフェライ
ト/マルテンサイト界面やフェライト粒内を進展することを明らかにした．この DP 鋼の水素脆化は， HEDE 機構，および HELP 機構の両方が関与してき裂発生，進展すると説明されている．また，Asari ら(16)は低ひずみ速度試験(SlowStrain Rate Testing: SSRT)，および定荷重試験(Constant

図1

水 素 吸 蔵 前後 の TBF 鋼 の 引 張 強さ ( TS )， 降 伏 強 さ(YS )，全伸び(TEl )，一様伸び(UEl )とひずみ速度( ·e )の関係(26)．(オンラインカラー)

図2

TM 鋼の水素脆化試験後の破面写真．( a, e )基本鋼，(b, f)0.5Cr 鋼，(c, g)1.0Cr 鋼，(d, h)NiCrMo 鋼．

Load Testing: CLT)によって DP 鋼の水素脆化特性と水素量，ひずみ速度，空孔型欠陥生成挙動の関係を検討し，高水
素量，低ひずみ速度で水素脆化試験を行うと弾性変形領域においても空孔型欠陥の生成が促進されて水素脆化を生じること，および高水素濃度ではおもにフェライトの局所塑性変形，損傷形成を促進することを明らかにした．この DP 鋼の水素脆化挙動はおもに HESIV 機構に基づいて説明される．
1500 MPa 級革新鋼板のコンセプトと同様に，鋼中に存在する残留 g の変形誘起変態によって生じる硬質マルテンサイ
トによる加工硬化率上昇と局部変形の抑制により高強度と高延性を両立させた変態誘起塑性( Transformation Induced
Plasticity: TRIP )鋼(17) が自動車用高強度鋼板として適用されている．母相組織をフェライト，ベイナイト(またはベイニティックフェライト)，およびマルテンサイトとすること

AHSS )として期待され，これらの鋼の水素脆化に関する研で強度レベルを大きく変化させることが可能で，これまでに究が行われている． Hojo ら(26) は TBF 鋼の水素脆化特性に実用化された TRIP 鋼はおもに母相をフェライト(18) ，また及ぼすひずみ速度の影響を調査し，引張試験を行うと TBF

はベイニティックフェライト(19) とした鋼で，強度レベルは

鋼はひずみ速度が低下するにしたがって水素吸蔵による全伸

1300 MPa 以下となっている．母相をフェライト/マルテン

びの低下が大きくなることを明らかにした(図)．また，

サイト複合組織とした引張強さ 780 MPa 級 TRIP 鋼の水素

TBF 鋼における水素脆化き裂は変形誘起変態したマルテン

ら(20)

サイト，またはマルテンサイト/ベイニティックフェライト

や Ronevich ら(21) は水素脆化き裂がマルテンサイト内で発界面で発生したことを示した．TM 鋼では，水素吸蔵して引生し，フェライト粒内を進展することを明らかにした．また，

張試験を行っても水素吸蔵しない場合と同様に破面はディン

Laureys ら(22) はノッチ付き引張試験片を用いて水素吸蔵後

プルを呈するが，そのディンプル径が大きくなることを報告に引張試験を行い，水素脆化き裂発生，進展挙動を詳細に解した(27)(図)．一方，Q&P 鋼は焼戻しマルテンサイト鋼と

析して，き裂はマルテンサイト/マルテンサイト界面で発生比較して短時間の水素チャージでは破断伸びの低下が小さし，フェライト粒内を塑性変形を伴いながら進展，小さなき

く，破面は水素チャージ時間が長時間になるにしたがって通裂が連結して水素脆化破壊に至ることを明らかにした．以上

常のディンプル，大きく浅いディンプル，擬へき開破壊と粒のように， TRIP 鋼も DP 鋼と同様に水素脆化き裂進展に界破壊の混合した形態へと変化したことが報告(28)されておHEDE 機構と HELP 機構の両方が関与していると説明されり，残留 g を含む鋼は水素吸蔵しても HEDE 機構よりも脆化特性，および水素脆化破壊挙動に関して，Lovicu

た．近年，自動車用高強度鋼板のさらなる高強度化，高延性

HELP 機構や HESIV 機構に基づく塑性変形が関与した破壊化のため，母相をベイニティックフェライトとした TRIP

形態を示す傾向がみられる．表にこれらの結果を簡単にま型ベイニティックフェライト鋼(TBF 鋼)(19)，マルテンサイ

とめた．

トとした TRIP 型マルテンサイト鋼( TM 鋼)(23) や Quenching and Partitioning 鋼( Q&P 鋼)(24) ，および中 Mn 鋼(25) が第三世代先進高強度鋼板(Advanced HighStrength Steels:







高強度鋼板の水素脆化特性評価法

高力ボルト用高強度鋼の水素脆化特性評価は，ボルトを模

特

集

表1
著

Matsumoto
Wang 他(11)者
他(10)，

高強度鋼板の水素脆化研究例．
鋼

種

結

果

焼戻しマルテ 水素脆化破壊起点で粒界破壊
ンサイト鋼(HEDE 機構)

Koyama ら(15)DP 鋼

HEDE 機 構 ， お よ び HELP機構の両方が関与してき裂発生，進展

Asari ら(16)DP 鋼

弾性変形領域においても空孔型欠陥の生成が促進(HESIV
機構)

780 MPa 級
TRIP 鋼

き裂がマルテンサイト内で発生，フェライト粒内を進展( HEDE 機構， HELP 機構の両方が関与)

Lovicu ら(20)，
Ronevich ら(21)Laureys ら(22)Hojo ら(26)Hojo ら(27)Yang 他(28)780 MPa 級
TRIP 鋼

TBF 鋼

TM 鋼

Q&P 鋼

き裂はマルテンサイト/マルテンサイト界面で発生，フェライト粒内を進展( HEDE 機
構 ， HELP 機 構 の 両 方 が 関
与)き裂は変形誘起変態マルテン
サイト，マルテンサイト/ベ
イニティックフェライト界面で発生(HELP 機構，HESIV
機構が支配的)
水素吸蔵により破面はディン
プル径が拡大( HELP 機構や
HESIV 機構が支配的)
破面は水素チャージ時間の長時間化でディンプル，大きく
浅いディンプル，擬へき開破
壊と粒界破壊の混合した形態に変化(HELP 機構や HESIV
機構が支配的)

図3

TBF 鋼の破断伸び(TElf)と予ひずみ量(epre)の関係(34)．

がみられなくなることを示し(図)，310の予ひずみ付与による水素脆化特性の向上は水素吸蔵時にき裂の起点となる
残留 g が予ひずみにより減少したことに起因したと説明した．また， Wang ら(35) や Liu ら(36)は中 Mn 鋼の水素脆化特性に及ぼす予ひずみの影響を調査し，予ひずみ付与による耐水素脆化特性の低下を吸蔵する水素量の変化や水素拡散係数の変化と関連付けて考察を行っている．
実際の自動車用構造部材を模擬した高強度鋼板の水素脆化
特性評価が提案されている．田路ら(37)は， U 曲げ加工，ボルト締め応力負荷した DP 鋼を塩酸浸漬して水素脆化特性評価を行い，水素脆化き裂発生の限界 U 曲げ半径(塑性ひずみ量)，限界負荷応力，および限界水素量の関係を明確化した．また，Li ら(38)は Q&P 鋼の限界応力と限界曲げ半径(塑性ひずみ)の関係を塩酸浸漬による U 曲げ試験により評価し，
Q&P 鋼は応力が高く，大きな相当塑性ひずみが付与される

擬した切欠き付き丸棒試験片に予め鋼中に水素を導入，また条件で水素脆化が生じることを明らかにした．さらに， Li

は水素チャージしながら定荷重試験(4)(29)，または低ひずみ

らは Q&P 鋼の U 曲げ試験片表面の応力の測定，相当塑性

速度引張試験(5)(11)(30)を実施する方法で行われた．また，水ひずみの解析，および水素脆化割れ挙動を詳細に検討し，そ素チャージは酸浸漬(2)や陰極水素チャージ(4)(5)法により行わ

れ ら の 因 子 と 水 素 脆 化 割 れ の 関 係 を 明 確 に し た(39) ．

れた．この高強度鋼の水素脆化特性評価法は，水素脆化試験

Shibayama ら(40)(41)は自動車用高強度鋼板の水素脆化特性評

中の鋼中の水素の拡散を考慮した評価法であるため，高力ボ

価法の確立を目的として，引張強さが 1500 MPa 級の焼戻

ルトの水素脆化評価法として広く用いられた．

しマルテンサイト鋼に U 曲げ加工を施した試験片に陰極水

自動車用高強度鋼板も高力ボルトの水素脆化特性評価の場

素チャージすることによって水素を導入して水素脆化試験を合と同様に定荷重試験や低ひずみ速度引張試験によって水素行う方法を提案した．さらに， U 曲げ試験片の水素脆化破脆化特性を評価した多くの報告がある(31)(32)．しかし，自動面観察， U 曲げ頂点部の板厚方向の応力，塑性ひずみ分布

車用高強度鋼板は曲げ，穴広げなどのプレス成形後に構造部の詳細な解析を行い，高強度鋼板に U 曲げ加工を施すと最材として用いられる．高力ボルトでは水素脆化の主な因子は大引張応力は U 曲げ頂点部の板厚中央から少し外側で，最“材料”，“応力”，“水素量”とされたが，自動車用高強度鋼

大塑性ひずみは試験片表面付近で生じ， U 曲げ試験片内の板では“材料”，“応力”，“水素量”に加えて“塑性ひずみ”

応力と塑性ひずみ分布は異なること，および水素脆化き裂はの影響も考慮する必要がある．自動車用高強度鋼板の水素脆

最大引張応力が生じた，板厚中央から少し外側で発生したこ化特性に及ぼす予ひずみの影響を調査した研究は，おもに残とを明らかにした． Kim ら(42)は深絞り加工した双晶誘起塑

留 g 鋼について検討したものが多い． Hojo ら(33)(34) は TBF性( Twinning Induced Plasticity: TWIP )鋼を塩酸浸漬して鋼の水素脆化特性に及ぼす予ひずみの影響を調査し， 3 

水素脆化挙動を調査し，深絞り時に生じた残留応力によって10の予ひずみ付与は TBF 鋼の水素脆化特性を向上するが，水素脆化が生じたことを明らかにした．Hojo ら(43)は張出し

12 を超える予ひずみを付与すると予ひずみ付与後の伸び加工した TM 鋼に陰極水素チャージを行って水素脆化挙動

ま て り あ 第61巻 第 7 号(2022)
Materia Japan験片を作製し，この試験片に電解水素チャージすることによって水素脆化試験を行った．電解水素チャージ法は電流密度を変化させることによって広範囲に水素量を変化させることが可能で，試験片表面にさびが発生しないためき裂の発生，進展挙動を観察できることから採用した．また，デジタルカ
メラを用いたインターバル撮影により U 曲げ試験片表面のき裂発生，進展挙動を観察し，さらに水素チャージ中の試験片と対極間の電圧をモニタリングすることによって表面き裂
発生時の電圧変化を検出した．水素脆化を生じる限界水素量測定用の試料には U 曲げ頂点部の応力，および塑性ひずみが付与された部位ではなく， U 曲げ試験片の端部の無ひず
み，無負荷部から採取した． U 曲げ加工部は塑性ひずみにより増加した転位に多くの水素がトラップすることにより限界水素量が高く見積もられてしまうため，転位などの水素ト
ラップ密度変化にかかわらない水素のフガシティーを反映した無ひずみ部の水素量で限界水素量を評価することとした．
張出し加工を施した TM 鋼の水素脆化試験後の外観(43)．
白矢印は水素脆化き裂を示す．(オンラインカラー)

図4

これより，本水素脆化特性評価法を用いて自動車用高強度鋼
板の水素脆化特性を評価した結果の一部を紹介する．
供 試 鋼 に は ， 0.35C 0.29Si 0.69Mn 0.008P 0.004S 

表2

自動車用高強度鋼板の水素脆化特性評価法の報告例．

著

者

鋼

種

水素脆化特性評価法

田路ら(37)DP 鋼

U 曲げボルト 締めサンプ ル
を塩酸浸漬

Li ら(38)(39)

Q&P 鋼

塩酸浸漬による U 曲げ試験

Shibayama ら(40)(41) 焼戻しマルテ U 曲げボルト 締めサンプ ル
ンサイト鋼
を陰極水素チャージ
Kim ら(42)
Hojo ら(43)TWIP 鋼TM 鋼

深絞り加工したサンプルを塩酸浸漬
張出し加工したサンプルに陰極水素チャージ

0.97Cr 0.18Mo0.01Ni ( mass)の化学組成を有する市販のSCM435 鋼(板厚 6 mm )を用い，この鋼板に 800 °C × 1800 sの焼きならし，900°
C×900 s の焼入れ，400°
C×1800 s の焼戻しを施したあと，鋼板を 1.6 mm まで両面研削して焼戻し
マルテンサイト鋼板とした．この鋼板から圧延方向に平行に100 mm×30 mm×1.6 mm のサイズの試験片を切り出したあと，頂点の曲げ半径( R ) 15 mm で U 曲げ加工を行った．その後，ボルト・ナットによって試験片端部を締込み，U 曲げ
頂点部に U 曲げ加工時の応力をゼロとして 500～2500 MPaの応力付与した．U 曲げ試験片作製手順を図に示す．U 曲
げ試験片への水素チャージは陰極チャージにより行った．水素 チ ャ ー ジ 液 は 3 mass  NaCl に 0, 0.3 ， お よ び 3 g / L
NH4SCN を添加した水溶液を用い，電流密度は 0.6 ～ 10 A /を調査した．また，放射光 X 線回折により張出し加工試験

m2 の範囲で変化させた．水素脆化破壊したときの U 曲げ試

片内の応力，塑性ひずみ，残留 g 分布を明らかにし，張出し

験片の水素量測定は昇温脱離分析(Thermal Desorption Spec-

加工によって発生した引張残留応力が高い領域で水素脆化き

trometry: TDS )により行った．水素分析用試験片は U 曲げ裂が発生したことを明らかにした(図)．表に高強度鋼板

試験片端部の無ひずみ部から採取した．

の水素脆化特性評価法に関するこれまでの報告をまとめた．

図に負荷応力と限界水素量の関係を示す．曲げ半径 15mm の U 曲げ試験片は負荷応力が高くなるにしたがって水.

U 曲げ試験による水素脆化特性評価

素脆化発生の限界水素量は低下した．図に U 曲げ試験片の水素脆化試験後の代表的な破面写真を示す．曲げ半径 15 節で述べたように，自動車用鋼板のプレス加工を模擬
2

mm の U 曲げ試験片は板厚内部で粒界破壊，その領域外でした試験片の水素脆化特性評価に関する研究が進んでいる．

は擬へき開破壊，試験片表面付近では shear lip が観察され

著者らは自動車用鋼板の水素脆化に及ぼす応力，塑性ひずみの影響を明確化すること，および自動車用鋼板の水素脆化特性評価法の確立を目指した系統的な研究を行っている．本章
では応力と塑性ひずみの影響を同時に検討することが可能な
U 曲げ加工を施した高強度鋼板の水素脆化特性評価に関する結果の一部を紹介する． U 曲げボルト締め試験片の水素脆化特性評価は U 曲げ加工により鋼板に塑性ひずみを付与
し，ボルト締めにより応力を付与した U 曲げボルト締め試




図5

U 曲げ試験片作製手順．

特

集

図8

U 曲げ頂点部の板厚方向の最大主応力，塑性ひずみ分
布．(オンラインカラー)

みは小さかった．一方， U 曲げ加工時の板厚方向の最大主図6

負荷応力と限界水素量の関係．(オンラインカラー)

応力分布は，板厚中心からわずかに外側でもっとも高い最大
主応力(引張応力)となり， U 曲げ外側表面に向けて低くなった．また，板厚中央から U 曲げ内側では，最大主応力はほぼゼロであった．ボルト締めして U 曲げ頂点部外側表面の負荷応力が高くなるにしたがって板厚中心からわずかに外側の最大主応力はわずかに上昇したが， U 曲げ外側表面の最大主応力はおおきく上昇した．図 6，図 7，および図 8 より， U 曲げ加工した高強度鋼板の水素脆化き裂発生位置は
塑性ひずみ量のもっとも多い U 曲げ外側，または内側表面ではなく，最大主応力(引張応力)のもっとも高い，板厚中心からわずかに外側であったと考えられた．
自動車用高強度鋼板はプレス成形後に構造部材に適用されるため，プレス成形後(塑性ひずみ付与後)の水素脆化特性評価が重要である．本報告のように， U 曲げ加工を行った高強度鋼板には，複雑な応力，および塑性ひずみ分布が生じる．深絞り加工や張出し加工，穴広げ加工，せん断加工を施した高強度鋼板にはさらに複雑な残留応力，塑性ひずみ分布が生じると予想される．本報告では水素脆化き裂の発生の有無は応力に大きく影響されることを示したが，今後，塑性ひ
ずみ量の影響も系統的に評価する必要があると考えられる．

.
図7

U 曲げ試験片の水素脆化試験後の代表的な破面写真(負荷応力 1500 MPa)．(オンラインカラー)

お

わ

り

に

本稿では自動車用高強度鋼板の水素脆化研究の紹介，および著者らの最近の研究成果の紹介を行った．自動車用高強度鋼板は優れた延性やプレス成形性を確保するため，微細組織た．これまでの報告(5)では焼戻しマルテンサイト鋼の水素脆を鋼中に微細均一に残留 g を存在させた複相組織とすること

化き裂の発生位置では粒界破壊が発生し，き裂進展領域ではが検討されており，水素脆化挙動に及ぼす微細組織の影響を

擬へき開破壊が現れることが明らかになっている．本研究のより複雑化する．また，曲げ加工，深絞り加工，穴広げ加U 曲げ試験片においても，水素脆化き裂の発生は板厚内部工，せん断加工等のプレス成形様式によって変形様式が大きで発生し，試験片表面に向かってき裂が進展したと考えられく異なり，高強度鋼板に付与される塑性ひずみ，残留応力がる．

異なるため，プレス加工も高強度鋼板の水素脆化特性評価を

U 曲げ試験片の U 曲げ頂点部の板厚方向の応力，塑性ひ

複雑化する因子となっている．自動車用高強度鋼板の水素脆ずみ分布を明らかにするため有限要素解析を行った．その結化特性評価，水素脆化挙動の詳細な解析は，微細組織の複相果を図に示す． R ＝ 15 mm での U 曲げ加工時の板厚方向化の効果，応力，塑性ひずみの効果を複合的に考慮する必要の相当塑性ひずみ分布は U 曲げ外側，内側の試験片表面でがあり，これまでの高力ボルトの水素脆化研究から得られた高い塑性ひずみが発生し，板厚中央部付近では相当塑性ひず

知見をもとに，今後，自動車用高強度鋼板の耐水素脆化特性

ま て り あ 第61巻 第 7 号(2022)
Materia Japanに関する研究がさらに進むことが期待される．
本稿で紹介した研究成果は，国立研究開発法人新エネルギ
ー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託業務の結果得られたものである．

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北條智彦
2006年 3 月 信州大学大学院工学系研究科博士後期課程修了
2006年 4 月 津山工業高等専門学校助手
2013年 9 月 岩手大学工学部助教
2016年12月現職
専門分野鉄鋼材料の水素脆化◎自動車用高強度鋼板の水素脆化特性評価，水素脆化メカニズム解明に関する研究に従事．

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北條智彦

柴山由樹

小山元道

秋山英二

味戸沙耶

特

集