令和元年度

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水素環境下における金属材料の疲労強度特性と破壊メカニズムに関する研究（第４報）                                  材料環境部
                                  永石尚昭
                                  九州大学大学院工学研究院
                                  松永久生
現在，高圧水素ガス中で使用される金属材料の水素適合性に関する国際基準について，各国の標準化団体や国際連合で検討が行われている．その一環として，著者らは 686 環状切欠き丸棒試験片の疲労寿命および疲労限度の決定機構について研究を行っている．本報では，686 環状切欠き丸棒試験片の疲労限度の決定機構や影響因子を明らかにするために，疲労試験による繰返し負荷が切欠き底近傍の微視組織および硬度に与える影響について検討した．その結果，疲労限度は切欠き底の硬化を伴って決定される場合と，硬化を伴わずに決定される場合が存在することを明らかにした．さらに，硬化の要因は F\FOHV程度の繰返し塑性変形を負荷された結果生じたマルテンサイト相であることを明らかにし，微視組織の観察結果をもとに硬化のメカニズムを示した．
１．はじめに背景
水素エネルギー関連機器の構成部材として，金属材料の幅広い利用が期待されているが，水素環境下において強度や延性が低下する水素脆化が問題となの SUS304 について，高寿命領域（Nf > 105）における寿命特性と疲労限度に着目し，実験および有限要素解析(以下 FEA)を行った結果について述べた．第3 報 9)では，第 2 報で示した FEA の結果を用いて，SUS304 環状切欠き丸棒試験片の疲労限度と，平滑るため，使用できる金属材料は制限されているのが現状である．一方，国際的には，高圧水素機器の強度設計指針や材料の水素適合性試験の判定基準について統一がなされていないのが現状である 1)．
水素環境中での金属材料の強度特性を評価するための試験として，平滑材に加えて切欠き材を用いた丸棒試験片の疲労限度との関係性を考察した結果を述べた．また，応力集中係数が異なる SUS304 環状切欠き丸棒試験片(Kt = 2, 3)の疲労試験を行った結果を述べた．
本報では，SUS304 環状切欠き丸棒試験片の疲労限度の決定機構や影響因子を明らかにするために，疲疲労試験が提案されている 2,3)．しかし，切欠き材の疲労寿命特性の決定機構は十分に解明されておらず，平滑材と切欠き材の疲労試験結果の相関についても不明な点が多く残されている．
そのため，合理的な試験法の制定に向けて，主に日本で使用されている平滑丸棒試験片の疲労寿命特労試験による繰返し負荷が切欠き底近傍の微視組織および硬度に与える影響について検討した結果を述べる．

性に加え，米国やドイツで多用されている環状切欠き丸棒試験片 4–6)の疲労寿命特性についても十分に把握し，その結果が示す物理的意味を解明することが必要とされている．
本報の概要
第 1 報 7)では，環状切欠き丸棒試験片(応力集中係目的
 オーステナイト系ステンレス鋼が示す静的・動的強度および変形特性の決定機構を理解するために，負荷によって生じた材料内部の微視的構造の変化と応力-ひずみ関係などの巨視的なデータを関連付けて検討した研究例は多数存在する．しかし，それら

数 Kt = 6.6)で取得した低合金鋼 SCM435 と準安定オーステナイト系ステンレス鋼 SUS304 の疲労寿命特性（S-N 特性）と，CT 試験片で取得した疲労き裂進展特性の関係について述べた．第 2 報 8)では，上述のほとんどが平滑試験片を対象としたものである．
一方，機械や構造物は一般に応力集中部(段部，孔，キー溝など)を有しており，稼働中に繰返し負荷を受ける．応力集中部の疲労寿命特性について，実験的

２．686 環状切欠き丸棒試験片の疲労限度の決定
機構および影響因子

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または解析的に調査された研究例は多くあるものの，繰返し負荷による応力集中部の微視組織の変化や相変態といった材料学的な視点から疲労寿命特性の決定機構や影響因子を検討した例は存在しない．そこで本研究では，SUS304 環状切欠き丸棒試験片の疲(Struers 社製)により研磨して切断時のダメージ層を除去した．
ECCI 法 10)は，試料の結晶方位と電子線方位の関係性によって電子の試料内部への侵入深さが変わり，それに起因して得られる反射電子の強度変化を利用

労限度の決定機構や影響因子を明らかにすることを目的に，疲労試験後の試験片に対して，硬度測定と微視組織の詳細観察を行い，繰返し負荷が切欠き底近傍の硬度と微視組織に与える影響について検討した．
実験方法および観察方法

して結晶中の格子欠陥をコントラストをつけて可視化する方法である．④ECCI 法によって疲労試験後の切欠き底の微視組織(転位，相)の状態を観察し，さらに ECCI 観 察 の 観 察 視 野 と 同 一 の 領 域 に 対 し てEBSD によって結晶構造解析を行った．ECCI およびEBSD に は 熱 電 解 放 出 型 の FE-SEM(JEOL JSM-

 供試材
供 試 材 は オ ー ス テ ナ イ ト 系 ス テ ン レ ス 鋼 JISSUS304 の板厚 30mm の熱間圧延鋼板(JIS-G4304)であ る ． 化 学 成 分 (mass%) は 0.06C-0.42Si-0.84Mn0.030P-0.002S-8.09Ni-18.16Cr であり，代表的な機械的性質は0.2 = 274MPa，B = 628MPa，183HV である．

7001F)を用いた．ECCI 観察時の加速電圧は 15 ~30kV とした．EBSD 観察時の加速電圧は 15kV とし，ビームステップサイズは 0.1m とした．
 ⑤ECCI, EBSD 観察を行った試料に対し，硬度測定を行って切欠き部の硬度分布を取得した．試験機はビッカース硬さ試験機(FM-ARS9000, (株)フュー 試験片 図 1 に本研究で用いた応力集中係数 Kt = 2.0 の環状切欠き丸棒試験片の形状と寸法を示す．試験片中央部に U 字の環状切欠きを有しており，深さ 0.9mm，切欠きの曲率半径 r を 1.0mm とした．
 疲労試験条件チュアテック製)を用い，試験荷重は 25gf，負荷時間は 10 秒とした．測定開始点は切欠き底から試験片中心軸に向かって 50m の位置を 1 点目とした．2 点目以降は切欠き底から試験片の中心軸に向かって0.1mm の位置から 0.2mm 間隔で測定を行い，硬度分布を得た．

 疲労試験には油圧サーボ式軸荷重引張圧縮疲労試
験機を用いた．応力比は R = −1 および 0.1，周波数は f = 1Hz，負荷波形はサイン波とした．試験環境は室温大気中である．すべての試験において負荷繰返し数 1×107 回まで条件を設定し，試験片が破断しないときの公称応力振幅 a (荷重振幅を試験片の最小断面積で除した値)の値を疲労限度 w として評価した．
 (&&,(%6' による微視組織観察とビッカース硬度測定
荷重制御疲労試験において，1×107 サイクル負荷後未破断で試験が終了した環状切欠き丸棒試験片，


図 1 環状切欠き丸棒試験片の形状と寸法(応力集中係数 Kt = 2.0)

つまり疲労限度の試験片における切欠き底の微視組
織 の 変 化 を 把 握 す る た め に ， ECCI (ElectronChanneling Contrast Imaging)および EBSD (ElectronBack Scattered Diffraction Pattern)を用いて観察を行い，併せて硬度測定を行った．
試験片調製の手順を図 2 に示す．①107 サイクル負荷後の試験片の中心軸に沿って，②ファインカット(平和テクニカ(株)製)を用いて30mm の樹脂モールドに入る大きさに調製し，③導電性を有する熱硬化性樹脂に埋包した．埋包後，エメリー紙およびダイ
ヤモンドスラリー，コロイダルシリカ懸濁液 OP-S－2－

図 2 微視組織観察と硬度測定試験片の調製手順

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実験結果および観察結果
 疲労試験結果
 図 3 に疲労試験によって取得した S-N 特性を示す．一般的に平滑材におけるオーステナイト系ステンレス鋼の疲労限度に与える応力比の影響は非常に小さい 11,12)が，本研究で用いた環状切欠き試験片の疲労限度の場合，R = −1 の疲労限度に対して R = 0.1の疲労限度は 40%低下し，著しい応力比の影響が生じることが明らかとなった．
なお，図 3 中において破線で囲んだ試験片 A，Bおよび C は硬度測定および微視組織の観察の対象としたものである．試験片 A および B は，R = 0.1 および R = −1 における疲労限度である．試験片 C は R= −1 の疲労限度の応力レベルにおいて，1×105 サイクルで試験を中断したものであり，未破断の試験片である．
 硬度測定結果

図 3 S-N 特性 13)

図 4 に硬度測定の結果を示す．横軸は切欠き底からの距離であり，試験片 A および B の結果をそれぞれ●印と●印でプロットした．また，試験片 C の結果を〇印でプロットした．併せて，試験片 A およびB，C の試験条件において，疲労試験中に切欠き断面に生じる繰返し塑性変形の程度を把握するために，FEA によってシミュレートした繰返し塑性ひずみ範囲plastic の分布を実線で示した．FEA については第2 報 8)で詳述したので説明を省略する．
試験片 A (R = 0.1)において，硬度分布は一定であり，切欠き底に近い位置であっても破線で示す材料の初期硬度 183HV とほぼ同じであった．また，plastic

一方， 1×105 サイクルで試験を中断した試験片 C(R = −1)の硬度は材料の初期硬度とほぼ同じであり，は切欠き底に極めて近い位置においてもほぼ 0 であった．一方，試験片 B (R = −1)においては，切欠き底～ 0.3mm の範囲において著しい硬度の上昇がみられた．切欠き底から 0.3mm の位置から試験片中心部に近づくにつれ，硬度は徐々に材料の初期硬度に漸近する傾向を示した．また，plastic は切欠き底で約硬度の変化は確認されなかった．従って，試験片 B(R= −1)に見られた局所的な硬化現象は，1×105 サイクル以降に発現したものと予想される．
 (&&,(%6' による微視組織観察結果
 2.3 (2) に示した二つの試験条件下での局所的な硬化挙動の違いを説明するために，ECCI ならびに0.15%であり，切欠き底 ～ 0.3mm の範囲において繰返し塑性変形が生じることを示した．plastic は試
験片中心部に向かうにつれ減少し，切欠き底から0.3mm の位置よりも内部では弾性応答を繰り返していた．従って，試験片 B (R = −1)にみられた切欠き底の局所的な硬化は，繰返し塑性変形に起因するもの

EBSD によって切欠き底近傍の変形微視組織を可視化した．その結果を図 5 に示す．
硬化がみられなかった試験片 A (R = 0.1)について
は，図 5 (a), (b)に示すとおり，変形量が大きい切欠き底に極めて近い位置においても絡み合った転位が散在した状態であり，1×107 サイクルの負荷を受けと考えられる．また，これらの結果は，試験片 A (R= 0.1)の疲労限度は材料の初期硬度のままで決定されたが，試験片 B (R = −1)の疲労限度は，疲労試験の過程において切欠き底が局所的に硬化した状態で決定されたことを示している．

た後でも転位密度は極めて低いため，局所的な硬度の変化は現れなかったものと考えられる．
一方，R = −1 で試験を実施した試験片 B および Cの転位構造は試験片 A (R = 0.1)と全く異なっていた．
1×105 サイクル後(図 5 (e))，主すべり面に対して平
図 4 硬度分布とp 分布 13)－3－令和元年度

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行に束状の積層欠陥が多数生じていた．1×107 サイクル後(図 5 (d))では積層欠陥の束の厚みが増しているのが確認された．同一箇所をより高倍率で観察し，さらに EBSD で結晶方位解析を行った結果，部分的に’マルテンサイトが生じていることが明らかとなては繰返しの引張-圧縮負荷が転位の往復運動を促し，徐々に転位を蓄積・増加させる(図 6 (e))．さらに，1×105 サイクル程度の繰返し変形を経てマルテンサイト変態が生じた結果，切欠き底において局所的な硬化が起き，弾性応答へと遷移し，き裂が発生った(図 5 (f))．この変形誘起マルテンサイトの存在は、局所的な硬化を合理的に説明するとともに、蓄積された転位または積層欠陥が硬度の変化にわずかな影響しか与えていないことを意味する．
考察
2.3 に示した結果を総括すると，試験片 A (R = 0.1)しないまま 1×107 サイクルに到達したものと考えられる．
 これについて環状切欠き丸棒試験片の切欠き底近傍の力学条件から考察する．応力集中部では三軸応力度が高く多軸の引張-圧縮応力状態にさらされるため，切欠き底では複数のすべり系が同時に活動しおよび試験片 B (R = −1)における最も大きな相違点
は，’マルテンサイトの存在であり，完全両振り負荷の条件下のみで生じた’マルテンサイトは切欠き底の局所的な硬化を引き起こし，疲労強度を大幅に向上させたと予想される．
 微視組織の変化に対する応力比の影響を理解するやすい状態にあり 14,15)，マルテンサイトの核となる変形帯交差部が生じる確率は高いと予想される．さらに，引張荷重下で生じる膨張の静水圧応力が，オーステナイト相(fcc)から’マルテンサイト(bcc)に遷移する際に生じる体積膨張を容易にする 16,17)ことで，マルテンサイト変態しやすい状態となることも可能には，切欠き底における繰返し塑性変形履歴が異なることに注目しなければならない．疲労試験の過程における R = 0.1 および R = −1 における切欠き底の微視組織の変化の概念図を図 6 に示す．1 サイクル
目の引張負荷においては，応力比に依らず切欠き底で塑性変形が生じ，それに伴って転位密度が増加す性として考えられる．つまり，マルテンサイト変態に好都合な一連の条件が切欠き底で局所的に満たされたため，plastic が 0.1%程度と小さい値であってもマルテンサイト変態が誘起されたと考えられる．以上まとめると，硬化の主たる要因は繰返し負荷の過程における転位構造の発達と部分的に誘起されたマる(図 6 (a), (d))．この転位密度の増加によって，切欠き底では若干の加工硬化が生じる．R = 0.1 の場合，引き続く繰返し負荷の過程において転位の運動は起きず，低転位密度のまま弾性応答を繰り返し，1×107サイクルに到達する(図 6 (b), (c))．
一方，R = −1 の場合，疲労試験の初期段階においルテンサイト相である．
「切欠き底の疲労き裂発生強度の向上」という形で硬化の効果を有効とするには，疲労き裂が発生する前に切欠き底で積層欠陥が高密度化し，マルテンサイト変態が誘起されることが重要であることが明らかとなった．



図 5 ECCI および EBSD による切欠き底微視組織の観察結果と結晶方位解析結果 13)－4－令和元年度

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図 6 切欠き底の転位構造の発達と相変態のメカニズムの概念図 13)
３．おわりに
SUS304 環状切欠き丸棒試験片の疲労限度の決定機構や影響因子を明らかにするために，疲労試験による繰返し負荷が切欠き底近傍の微視組織および硬形で硬化の効果を有効とするには，疲労き裂が発生する前に切欠き底で積層欠陥が高密度化し，マルテンサイト変態が誘起されることが重要であり，そのような力学条件が切欠き底で満度に与える影響について検討した．得られた知見を以下に示す．

足されることが必要となる．メカニズムのさらなる解明には，応力集中係数の異なる試験片についても同様の検討を実施する必要がある．

1)

2)

3)

4)

一般的に平滑材におけるオーステナイト系ス
テンレス鋼の疲労限度に与える応力比の影響は非常に小さいが，本研究で用いた環状切欠き最後に，本研究を実施するにあたって使用したビッカース硬さ試験機は電源立地地域対策交付金によ丸棒試験片の疲労限度の場合，R = −1 の疲労限度に対して R = 0.1 の疲労限度は 40%低下し，応力比の影響がみられた．
疲労限度となった試験片の切欠き底近傍の硬度は，R = 0.1 の場合，初期硬度と同じであった．
一方，R = −1 の場合，初期硬度に対し 48%程度り導入した．
参考文献
1) H. MATSUNAGA, J. YAMABE, S. MATSUOKA,
J. Soc. Mech. Eng. 119 (2016) 198–201.
2) C. San Marchi, B.P. Somerday, K.A. Nibur, Int. J.の硬度上昇がみられた．また，FEA の結果から，硬化程度は切欠き部での繰返し塑性変形量と相関があることが明らかとなった．
ECCI および EBSD による切欠き底の微視組織観察の結果，硬化の要因は疲労試験中の繰返し塑性変形によって転位構造が発達し，切欠き底Hydrogen Energy 39 (2014) 20434–20439.
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K.A. Nibur, J.W. Foulk, P.J. Gibbs, C.S. Marchi,
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C. Müller-Bollenhagen, M. Zimmermann, H.J.

近傍で’マルテンサイトが生じたことによるものであることが明らかとなった．さらに，応力比の違いによる疲労限度の決定メカニズムを示した．
「切欠き底の疲労き裂発生強度の向上」という

3)
4)

5)
6)
7)

－5－

Christ, Int. J. Fatigue 32 (2010) 936–942.
T. Michler, J. Naumann, E. Sattler, Int. J. Fatigue
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永石尚昭, 円城寺隆志, 松永久生, 佐賀県工業技術センター 研究報告書 (2016) 1–5.

令和元年度

佐賀県工業技術センター研究報告書

8)

永石尚昭, 松永久生, 佐賀県工業技術センター
研究報告書 (2017) 1–8.
9) 永石尚昭, 松永久生, 佐賀県工業技術センター
研究報告書 (2018) 1–5.
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15) L.E. Murr, K.P. Staudhammer, S.S. Hecker, Metall.
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