安全安心のための先進鉄鋼材料技術と損傷メカニズム解明
津\兼彰

属学会を中心として策定した構造材料のアカデミックロード

.

は じめにマップ(3)について触れる．これらを受けて，安全で安心な社会の構築に向けて，“損傷メカニズムの解明”が今後の構造2011年 3 月11日午後 2 時46分マグニチュード9.0の大地震

材料の基礎研究にとって重要であることを指摘する．

が東日本を襲った．震源は三陸沖 130 km 深さ 24 km の太平洋海底であり，巨大な津波を引き起こした．被害は甚大で.

日本鉄鋼連盟からの復旧・復興に向けた提案あった．内閣府が 2011 年 6 月 24 日に発表した被害総額は約17 兆円で兵庫県南部地震・阪神淡路大震災の被害総額約 10

国土交通省では，震災の復旧・復興に向けた対応としての兆円をはるかに上回った．住宅・店舗・工場などの建築物，「安全安心なまちづくり」「地域の産業・経済の再生」ととも

水道・ガス・電気などのライフライン施設，河川・道路・港に今回の被災地のみならず，今後想定される東海・東南海・湾などの社会基盤施設，農地・林野などの農林水産関係，全南海大地震などへの対応のための「災害に強い国土構造へのてで多大の被害を受けた．

再構築」についての具体的施策を示している．これらを受け

今回，まてりあ小特集「震災 1 年を機に考える今，これて，日本鉄鋼連盟は 2011 年 8 月に復旧・復興に向けた鋼構から我々ができること」において，“社会基盤材料の代表と造技術・工法に関する提案を行っている(1)．以下，提案書 2

して構造材料の根幹である鉄鋼材料の現状を概観し，震災復頁の本文を引用する．

興に向けたインフラ整備を念頭においた今後の鉄鋼材料開発を展望する”という宿題を頂いた．重たい宿題であり，非力の筆者には十分な回答が出来るはずもない．しかし，鉄鋼材料の基礎研究に 30 年以上関わってきたものとして，非力なりにしっかりと前を向いた提言を行うことは責務と考え筆をとった．
本稿では社会基盤材料の代表としての鉄鋼材料を対象として，東日本大震災の復興再生ならびに今後発生が懸念される地震・津波やそれに付随した大規模火災などによる二次災害に備え，災害発生時の被害を軽減し，災害後の復興を促進するとともに，より安全かつ豊かで質の高い国民生活を実現するために，まず現在の鉄鋼材料技術と鉄鋼基礎研究の状況について概観した上で，今後の在り方について私見を述べる．

＊＊＊＊＊

今後策定される計画に基づく復旧・復興事業において，鉄鋼業界はこれまで蓄積してきた防災性能や経済性，環境性に優れた鋼構造技術や工法を十分に活かし，復旧・復興に求められる「災害に強いまちづくり・インフラ」実現のために，貢献できるものと考えており，以下の鋼構造技術・工法を提案したい．特に鋼構造は，鋼材の持つ強さと加工性，運搬の容易性，工場生産による部材の大量安定供給，品質の精度・安定性等の特性を活かし，現場施工における工期の短縮化，曲線などデザインの自由度の高さからの景観面への配慮，フレキシブルな空間創造等を可能とし，加えてコンクリートや木材等の他の構造部材との組み合わせにより，安全安心な構造物の創造を可能にする．＊＊＊＊＊

 災害に強い公共施設・防災拠点の整そして提案書では，

前半では，日本鉄鋼連盟が 2011 年 8 月に示した「東日本大 耐震性に優れた住宅などの早期復旧，
 港湾・海岸施備，

震災からの復旧・復興に向けた提案｣(1)および新日鉄技報第 災害時に迅設などの早期復旧・整備，耐震・耐津波対策，

391 号(創刊 100 周年記念特集号)に掲載された菅野らによる速対応可能な防災拠点の整備について， 14 の技術と工法を技術解説「社会の発展を支える鋼材と鋼構造(インフラ分示している．提案書ではそれぞれにイラストや写真を配して野)｣(2)を引用して産業界の取り組みを見る．さらに，日本金簡潔にわかりやすく記述されている．ここではその一つの

独立行政法人物質・材料研究機構 元素戦略材料センターセンター長(〒3050047 つくば市千現 121)
Advanced Steel Technology and Degradation Mechanism for Safety and Reliability; Kaneaki Tsuzaki(Research Center for StrategicMaterials, National Institute for Materials Science, Tsukuba)
Keywords: advanced steel, high performance, steel construction, degradation mechanism, assessment technique, safety, reliability
2011年11月28日受理

ま て り あ 第51巻 第 4 号(2012)Materia Japan＊＊＊＊＊

社会の成長(萌芽→成長→成熟)に伴う環境の変化

日本の発展過程は1973年前後までの萌芽期，それ以降1990年頃までの成長期，そして現在に至る成熟期に大別できる(図)．成長過程ごとに環境や条件が異なり，インフラ化，大規模化，短工期化が要請される．成長期では都市化の進展と共に都市環境との調和が必要になるため，薄壁化や狭隘地対応，低騒音・振動での施工が必要となる．成熟期では，経済の成熟と共に工事費の縮減が求められ，ライフサイクルミニマム，省エネルギー等のニーズが顕在化する．
これに伴って，一層の低コスト化(省材料化や省力化)，高耐久性等が指向され，ニーズが複雑化する．


地震・台風などの災害，事故による要求性能の変化
社会の成長に関係しない変化もある．大規模な災害を契機とする要求性能の厳格化が一例である．安全安心の目標が大きく変わるこ

図1

復旧・復興に向けた提案「鋼構造学校施設」の工法の内容と説明(1)．とにより，インフラの仕様を決める基規準が改訂され，具備すべき耐震性能や耐火性能，土砂災害抵抗性などが変化していく．科学技術の向上によりリスク評価が高精度化する場合やグローバルスタンダード化の中で設計法の枠組みが変化し，インフラへの要求性能が

 鋼構造学校施設」の工法の内容と説明を図に引用して「◯大幅に変化する場合もある．たとえば，構造物の損傷レベルについ示す．地域の防災拠点(避難施設，備蓄基地)，幼稚園や小・て複数の目標性能を設定する新しい性能評価型設計法では，損傷を中学校の併設や社会教育施設などとの複合化を可能にする鋼制御する技術が求められることになる．

構造学校施設が提案されている．これを含めて提案されているすべての技術・工法はいずれも安全安心なまちづくりに貢献するものである．

鉄鋼からの革新技術の発信，提供による市場の変化
ニーズは市場から提供されるものではない．革新技術や新しいビジネスモデル，すなわちイノベーションにより市場に変化が生じ，ここで指摘したいことは，今回の復興に際して経済性と環それが新たなニーズを喚起する場合がある．インフラのような分野境性を備えた災害に強いまちづくりを実行するための高い技

では起こり難いと考えられているが，鋼材や構造形式のイノベーシ術力を我が国はすでに持っていることである．基礎研究を行ョンによって新しい市場やニーズが生じたケースがある．その具体う我々が今なすべきことは，将来に向けてより高い安全と安例が耐火鋼，アンボンドブレース，スチールハウスであろう．火災

心を得るために重要となる構造材料研究の課題は何かを明示に弱いとされていた建築用鋼材の常識を変えたのが耐火鋼であり，し，それを実行することである．

これを契機に無耐火被覆鉄骨の市場が生まれた．アンボンドブレースの実用化によって，地震時の損傷を特定部材に限定する損傷制御.

インフラ整備と鉄鋼材料の高性能化構造が普及・拡大し，スチールハウスによって 1 mm 前後の鋼材利用が大きく進展した．＊＊＊＊＊

日本における現在の高い鉄鋼材料技術はどのようにして発達してきたのだろうか．鉄鋼材料の開発については自動車用材料の高強度化を中心にした記事が近年目につくが，日本の経済的成長には土木建築分野における鉄鋼の高性能化が大きく寄与してきた．菅野らは，技術解説「社会の発展を支える鋼材と鋼構造(インフラ分野)｣(2)において，インフラを取り巻く環境と鉄鋼技術ニーズの変化を次の 3 つの視点で整理できるとしている．以下，菅野らの文献(2) の 57 頁から 58 頁の本文の一部を引用する．

図2




この技術解説からも，我が国の高い鉄鋼材料技術が一朝一夕にできたものではないことは明白である．図に示すような少なくとも 50 年にわたる様々な出来事の中でその時々のニーズに対しての粘り強い対応がなされて，それらが今日の高い技術力へとつながっている．明石海峡大橋に貢献した高強度パーライト鋼線の 1800 MPa 級ケーブル，東京スカイツリーに採用された建築用高性能鋼の 780 MPa 高強度鋼などはこのような取り組みの中で開発されてきた．

国土計画，主要インフラ整備，災害・事故の変遷．菅野らの文献(2)の図 1 をもとに作成．

小特集

員を中心として検討策定された．図上段がテクノロジーロー

.

構造金属材料分野のアカデミックロードマップ

ドマップであり，さまざまな情報をもとに産業界と社会のニーズの動向を予測している．図下段が社会ニーズに応える材

鉄鋼を代表とした構造金属材料分野では，研究開発から実料技術開発を支える基礎研究課題としてのサイエンスロード用化まで長い年月がかかる．従って，それを支える基礎研究マップである．日本金属学会分科会では，“基礎研究にロー分野も長期的視野にたった対応が必要となる．日本金属学会ドマップはそぐわない”という考えに基づき，下段では重要においても材料戦略委員会の中心メンバーとして，社会基盤基礎研究分野を示すがそれぞれに期限を設けていない．基礎材料分野における構造材料(鉄鋼材料)のアカデミックロード研究に関わる研究者の責務は，社会ニーズと出口を十二分にマップを提示した(3)．図がそれである．このロードマップ

考慮しつつその達成実現に必要な基礎基盤となる研究を遂行

は，日本金属学会分科会第 5 分科(社会基盤材料分野)の委すること，との認識に基づいた判断である．そして，テクノ

図3

構造材料のアカデミックロードマップ(3)．技術分野自動車と発電プラント．

ま て り あ 第51巻 第 4 号(2012)Materia Japanロジーロードマップとサイエンスロードマップの対応によっに含まれる．構造材料および構造材料技術の大半がインフラて基礎研究と実用化の関係を明らかにする狙いがあった．

型技術に含まれる．社会の枠組みを変えるものではないため

本ロードマップは， 2010 年 1 月 22 日開催の第 18 回材料戦略委員会の資料「グリーンマテリアルビジョン～第 4 期科に一見地味であるが，その重要性は今回の震災で再認識されたと思う．

学技術基本計画に向けて～」の一部として提出されたものである．当時の目的は，アクションプランのグリーンイノベー

.

安全安心材料技術のロードマップ策定に向けてションへの対応であり，自動車と火力プラントを対象とした二酸化炭素排出量削減のための材料技術が示されている．二

災害に強い安全安心な国づくりのための材料技術として何

酸化炭素排出量削減は依然として日本そして世界にとってのが大切だろうか．今回の震災では「想定外の xx 」という表重要な課題であることに変わりはない．我々が今なすべきこ現がなされることが多々あった．しかし，これで済まされてとは，これらのロードマップをブラッシュアップすると共は被災者の方々に申し訳が立たない．技術者・研究者としてに，災害に強い安全安心な国づくりのための材料技術アカデは真摯に我々の備えが不十分であったと認め，その実態を検ミックロードマップを新たに策定することである．

証し今後の対策を練るべきである．災害からインフラの損壊を守るために何が必要か．また，そこに暮らす人々に安全と.

今改めて構造材料研究の位置づけについて安心を実感していただくために何が必要か．
大きな自然災害ではインフラの損壊が問題となる．しか災害に強い安全安心な国づくりのための材料技術アカデミ

し，自然災害に限らず日常さまざまなところでモノが壊れてックロードマップの検討に入る前に，改めて構造材料研究の事故がおこっていることを忘れてはならない．これらの事故位置を技術体系の中で確認しておきたい．図は，技術にはでは必ずと言ってよいほど材料が破損している．金属材料

フロンティア型技術とインフラ型技術があることを示していは，製造された直後が一番健全で，使用中に特性が劣化する(4) ．フロンティア型技術は社会の枠組みと社会認識を変る．そして一定以上の外因を長時間にわたって与えると材料え，より便利な社会と多様性のある社会を生み出すことに寄は必ず壊れる．疲労，クリープ，腐食，水素による遅れ破壊与する．クローン技術や IT 技術がこれに含まれる．一方，インフラ型技術は社会の枠組みは変えずにその中をより豊かにすることによって，より健全な社会と自然調和的社会の構築に寄与する．環境対応材料技術，安全安心材料技術がこれ

図5

図4




豊かさを達成するためのフロンティア型技術とインフラ型技術(4)．

図6

損傷メカニズム解明の重要性．

損傷メカニズムの解明と新プロセス・部材の開発による高効率・高安全社会の実現．

小特集

などの時間依存型損傷はよく知られている．しかし，“何故の社会を豊かにするのである．安全安心のための先進鉄鋼材

ものは壊れるのか”，“どのようにものは壊れるのか”，“何時料技術として損傷メカニズムの解明が重要な研究課題である

ものは壊れるのか”の本質については，実は多くが未解明のことを指摘して筆を置く．

ままである(5)．加速試験結果より予測した寿命についても予測値よりも短寿命側での破壊が確認されており，このことは

文

献寿命予測技術も未完成であることを示している．結果，過剰な安全率を設定してインフラや輸送機器を製造することになる．しかし，“何故ものは壊れるのか”が未解明のままで，たとえ安全率を大きくしたからといって真の安心が得られるだろうか．答えは否である．
このような状況を模式的に示したのが図である．図中の危険側へのズレの「ギガサイクル疲労の内部破壊」については古谷の記事(6)(7)を，また「クリープ曲線の腰折れ」については木村らの記事(8)(10)を参照いただきたい．対症療法では限界がある．安心できる豊かな社会をつくるためには，構造物を構成する材料の損傷メカニズムを原子レベルから解明する根本療法が必要である(11)．
損傷メカニズムの解明には 21 世紀の手段であるナノ解析技術と計算科学の適用が不可欠である(図)．損傷メカニズ
ムが解明されれば寿命予測が高精度化されるだけでなく，損傷をおさえる的確な対応によって安全安心で高性能な新たな部材の開発にもつながるのである．図 6 に示す事例はNIMS に す で に あ る 技 術 シ ー ズ を 参 考 に 描 い た も の で ある．これをオールジャパンで描き直すことが必要である．

.

おわりに損傷の本質に迫り夢をつかむ

随分と以前に“夢の金属 3 つ”というのを同僚と語り合ったことがある．“さびない鉄”，“つかれないアルミ”，“やすいチタン”である．やすいチタンはともかく，残りの二つは使用時における損傷克服が夢達成の条件である．All

ourdreams can come true, if we have the courage to pursuethem. 追いかけなければ夢は達成されない．すでに，レアメタルを使わないユビキタス元素だけの低合金耐候性鋼(12) や疲労限を持つアルミ合金(13) などへの挑戦がなされている．
これらの取り組みでは耐候性と疲労限の発現のメカニズム解明が同時に行われており，夢達成の可能性は高い．損傷メカ( 1 ) 東日本大震災からの復旧・復興に向けた提案，日本鉄鋼連盟，2011年 8 月．http://www.jisf.or.jp/news/topics/110808.html( 2 ) 菅野良一，辻井正人，半谷公司，松岡和巳，冨永知徳，尾崎文宣社会の発展を支える鋼材と鋼構造，新日鉄技報，第391号(2011), 57
66.
( 3 ) グリーンマテリアルビジョン～第 4 期科学技術基本計画に向けて，材料戦略委員会，第18 回材料戦略委員会資料， 2010年
1 月．
( 4 ) 久保 紘，私信，2008年．
( 5 ) マーク・E・エバハートものが壊れるわけ～壊れ方から世界をとらえる，(訳)松浦俊輔，河出書房新社，(2004)．
( 6 ) 古谷佳之ギガサイクル疲労評価と長寿命化の指針，金属，81(2011), 655660.
( 7 ) 古谷佳之疲労データシート，金属，81(2011), 1022
1027.
( 8 ) 九島秀昭，木村一弘，阿部冨士雄改良 9Cr1Mo 鋼の長時間クリープ変形に伴う材料劣化，鉄と鋼，85(1999), 841
847.
( 9 ) 木村一弘，九島秀昭，阿部冨士雄応力破断時間曲線の領域分割法による高 Cr フェライト耐熱鋼のクリープ寿命予測の高度化，材料，52(2003), 5762.
( 10 ) 木 村 一 弘  耐 熱 鋼 の 破 断 寿 命 予 測 ， 日 本 金 属 学 会 誌 ， 73(2009), 323333.
( 11 ) 蕪木英雄，寺倉清之破壊・フラクチャの物理，岩波講座物
理の世界，物質科学の発展 3，岩波書店，(2007)．
( 12 ) 西村俊弥メンテナンスフリー化を目指す鉄鋼防食技術，金属，81(2011), 661665.
(13) Y. Takahashi, T. Shikawa, S. Yoshihara, T. Aiura and H.
Noguchi: Acta Materialia, (2012).
http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2012.01.023★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1983年 京都大学大学院工学研究科博士課程修了
1983年 マサチューセッツ工科大学博士研究員
1991年 京都大学工学部金属加工学科助教授
1997年 科学技術庁金属材料技術研究所フロンティア
構造材料研究センター ユニットリーダー
2006年 物質・材料研究機構新構造材料センター長，筑波大学大学院数理物質科学研究科教授(併任)2011年 4 月より現職．工学博士
津l兼彰
専門分野金属材料組織学，鉄鋼の水素脆化◎材料特性の限界を破る，材料の信頼性を高めるために，微視組織の形成過程と材料の損傷過程の本質に迫りたいと努めています．人材育成にも力を注いでおり，2011年度は博士後期課程の学生二人(筑波大学，先進鉄鋼材料研究室)を卒業まで指導しました．

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ニズムの解明は，安全安心とともに夢の材料を生み出し我々

ま て り あ 第51巻 第 4 号(2012)Materia Japan