ISSN0913-0020

The Japan Research and Development Center for Metals

一般財団法人

金属系材料研究開発センター

2017.7No.369

TODAY「実学主義」を貫く
教育と研究を信条としてむものを見つけたら、それに集中する傾向があるようです。企業に就職してから、現場の皆さんにかわいがられ、その中心となって活躍してい大同大学 理事・副学長る卒業生が大勢おり、本学同窓会のパワーと活力には驚かされます。
大同大学は、名古屋市南区に位置する学生総数 3,500
さて、前置きがたいへん長くなりました。私は、2012名程度の中規模の大学です。しかし、その歴史は古く、い年 4 月に本学の機械工学科に参り、教育・研究では「材かにも中京地区の学園らしいどっしりとした歴史を有し料工学」を担当しています。鉄鋼メーカーのサラリーマンています。私は、新日本製鐵㈱（現：新日鐵住金㈱）を退だった私が、「実学主義」の旗のもと、材料をどのように社して本学に参ってからまだ 5 年余ですが、本学の歴史教えようかたいへん悩みました。機械工学科学生向けの材は実に魅力的です。
料工学の教科書はいくつかありますが、どれも総花的で、本学の源流は、電力事業の父とも言える風雲児、福沢あまり面白くありません。実学だからこそ、少ない説明で桃助（1868 ～ 1938 年）に至ります。桃助は、福沢諭吉本質を理解させ、あとは自分で考えさせたいと思い、15の娘婿です。数々の事業を手掛けた後、1909 年、名古屋
コマの講義のレジメを、「転位増殖とその運動による塑性最大の企業である名古屋電燈㈱（現在の中部電力の前身） 変形が、材料の強度・延性を支配する」ということと、「実に入社して社長となり、木曽川水系の水力を利用した電源用材料として重要な合金の地図である状態図を読み込む」開発に乗り出しました。1915 年に同社に製鋼部を設け、 ことに特化して作成しました。毎年、修正・加筆していま翌年、㈱電気製鋼所を設立。一方で、1921 年に大同電力
すが、まだまだ不十分で、毎回の講義の最後に実施する学㈱を設立し、その名古屋製鉄所を分離して大同製鋼㈱を独生の演習の結果を見ながら、自分の努力不足を痛感させら立させました。翌年の 1922 年に、この大同製鋼㈱の製鋼れる毎日です。それでも、次第に学生が「転位」を理解し、部門と㈱電気製鋼所製鋼部門の併合により㈱大同電気製 「状態図」が読み込めるようになるプロセスを味わうのは鋼所（1938 年に大同製鋼㈱と改称）が誕生しました。後痛快なものです。の大同特殊鋼㈱です。
私は、この 4 月から副学長を拝命し、主に、「研究」とこの大同製鋼㈱の第 4 代社長となった下出義雄（1890 「就職」について責任を負っています。「研究」に関しては、～ 1958 年）は、もともと「下出書店」を東京神田に開業
理工系研究においては、産業に資する製品や技術の基礎としていたほど学問・教育に熱心な人で、本業の傍ら、「技なる考え方を創出することが本学の研究のあり方と考え術者を養成して社会、国家に貢献したい」という信念かています。一方で、本学には情報学部があり、その研究にら、1939 年 1 月に財団法人大同工業教育財団を設立して対する考え方をしっかりとしたものにすることも私に与初代理事長に就任し、4 月に甲種工業学校を開校しました。 えられた課題のひとつです。私にとって異分野ですが、メそして、組織名の改称などを経て、1964 年 4 月に、機械ディア向けの製品やデザインなど多種多様のアウトプッ工学科と電気工学科を有した「大同工業大学」が誕生し、 トがあり、それを探求して究めることもまた研究と言える初代学長に、大同製鋼㈱の研究所長を歴任した錦織清治でしょう。この分野の教員や関係者とも議論し、活発なア（1903 ～ 1969 年）が就任しました。その後、情報学部ウトプットに繋げたいと考えています。「就職」に関してを新設して 2009 年には校名を「大同大学」と改名し、現は、中小企業を中心とした慢性的人手不足から、大学側に在に至っております。
とっては、今は追い風ではあります。しかし、教育の本質
このような歴史から、大同大学は、産業と社会に貢献すである人間形成をおろそかにすれば、いずれ、しっぺ返しる人材を育成することを旨とし、その理念は、「実学主義」 が来ることは間違いありません。心して、全人格的な面かであります。現在、学部は、工学部（機械工学科、総合機ら学生教育を考える必要があると思っています。
械工学科、電気電子工学科、建築学科）と情報学部（情報最後になりますが、昨今、教育・研究行政の在り方にシステム学科、情報デザイン学科、総合情報学科）の 2 学部、 ついて、いろいろな局面で取沙汰されています。会社勤務
大学院は工学研究科と情報学研究科の 2 研究科からなりま時代は他人事のように考えていましたが、中京地区のご父す。中京地区の特徴ですが、学生は地元志向が強く、学生母の大切な子女をあずかる身となった今、身を正しつつ、のほとんどは東海 3 県の子女です。本学の学生は、物静か前向きに活力をもって教育・研究に取り組んでいけば必ずで一見おとなしいのが特徴です。しかし、ひとたび打ち込や道は開けると信じ、日々努める毎日です。

德納 一成

1

JRCM REPORT

中空式試験法による高圧水素の簡便な影響評価法の取り組み状況と今後の課題
国立研究開発法人物質・材料研究機構
構造材料研究拠点 緒形 俊夫
あり、本評価法が簡便でありながら、極低温高圧水素
1. はじめに構造材料を使用する際には、実際に使われる環境で ガス環境における材料特性を評価できる唯一の方法で特性評価試験を行い、材料の個々の特性に対する環境 あるので、試験片と試験法の最適化について紹介する。
による影響を把握しておくことが必須である。しかし、極限環境になるほど環境の生成と維持に必要な装置が 2. 中空式試験法による高圧水素の簡便な影響評価法
2.1 高圧容器法との比較大型化し、設備の導入 ･ 運用 ･ 維持の経費や労力が増
中空式試験法の概要は前報 2) に記したが、従来の試大し、試験の実施が難しくなる。当機構では、構造材料の極低温を始めとする極限環境における特性及び信 験片及び負荷冶具を高圧容器内に置く高圧容器法によ頼性を評価するため、試験法を開発するとともに簡便 る高圧水素中の材料試験との比較を表 1 に示す。
高圧容器法では、肉厚の高圧容器を用いるため、試化による試験技術の普及・確立に取り組んでいる。
新エネルギー・産業技術総合開発機構 (New Energy 験片の脱着から取り扱いが容易ではなく、容器ごと温and Industrial Technology Development Organization, 度を変えるため試験片の温度を変え難く、試験片に荷NEDO) のプロジェクト「水素利用技術研究開発事業」 重を負荷するプルロッドと高圧容器との間の摺動部のの JRCM グ ル ー プ (( 一 財 ) 金 属 系 材 料 研 究 開 発 セ ン シールが低温／高温では一層難しい等々の課題が多い。
ター、新日鐵住金㈱、㈱日本製鋼所、新日鐵住金ステン 一方、中空式試験法は、極低温高圧水素環境での材料レス㈱、愛知製鋼㈱、( 国研 ) 物質・材料研究機構 ) に 特性の評価ができる唯一の方法であり、高圧容器と付参画し、水素ステーションにて使用可能な鋼材の拡大 帯設備が不要で設備にかかる経費と維持費が桁違いにに関する研究開発に取り組んでいる。その取り組みの
表 1 中空式試験法の高圧容器法との比較中で当機構は、独自に開発
高圧容器法
中空式試験法得られる絞り比や強度特性ほとんど同じ（図1、圧力の影響は図2）
した高圧容器を使わず中空高圧容器と付帯設備
要不要
式試験片内を高圧ガス環境
高圧ガス設備費と維持費
約 1 億円＋数百万円以上／年
ボンベ圧 (15MPa) まで不要にする簡便な高圧水素環境
極低温／高温試験
困難あるいは不可（シール部） 可（冷却／加温設備は必要 )中材料特性評価法 1) を使い、伸び計の使用困難あるいは高価可（通常の試験と同じ）
高サイクル疲労試験
数
Hz以上は不可（シール部）
試験機の能力次第
水素ステーションにて使用
使用する水素量
容積×圧力×（300/ 温度 (K)） 圧力によるが約 100cc 以下
される高圧容器等試験片の加工費
約 1 万円／本
約 2 万円／本の材料の低温および高温における高圧水素ガス環境下での材料特性を評価している。
さらに、今後の水素ステーション
では、液化水素の使 用 も 計 画 さ れ、水素の昇圧に使われる液化水素ポンプなどの機器を構成する材料は、極図 2 中 空 式 試 験 法 で 得 た、SUS304L と図 1 産総研（中工試）において外圧式の低温の液化水素とSUS316L の 1MPa、10MPa 及び 70MPa にお1.1MPa 水素中で得られた絞り比と中空式の高圧水素ガス環境ける絞り比（水素ガス中の絞り／ヘリウム13MPa 水素中で得られた絞り比（水素ガス中ガス中の絞り）の温度による変化の絞り／ヘリウムガス中の絞り）は殆ど同じ 3)に適合する必要が
JRCM NEWS No.3692式試験方法で得られる結果が、高圧容器を使う方法による結果と殆ど同じであることからも、これらの懸念が杞憂であることは明らかであるが、オーステナイト系ステンレス鋼において、水素の圧力の影響は 70MPa以上では小さいことや、中空式の方が材料が使われる
実際の環境に近く、水素の影響が出易い傾向にあることから、表に掲げた課題の検証が進めば、さらに普及することが期待されている。

少ない上に、試験が容易等々の利点があり、今後の普及が期待されている。

2.2 中空式試験法による低温高圧水素環境での評価の貢献
SUH660 および XM-19 を極低温の液化水素環境と高圧ガス環境で使用するために、極低温高圧水素環境での材料特性の評価ができる唯一の方法である中空式試験法による低歪み速度引張試験（SSRT 試験）を、90 MPa の水素ガスまたはヘリウムガスを試験片内に 2.4 中空試験片と試験手順
封入し、27℃、-80℃、-160℃、および -240℃で行っ 2.4.1 試験片加工
丸棒引張試験片あるいは丸棒疲労試験片の中心軸にている。3)
おける穴あけは、試験片の長さに切断した丸棒に放電
2.3 中空式試験法の今後の課題
加工で穴をあけ、その後、ワイヤカットで 3 回転回し
過去に、配管状の試験片を用いた軸荷重試験の例は 加工で、穴の内表面粗さ約 8 μ m に揃える。
数多くあり、広く認識されているが、本中空式試験法
従来の試験片は、ネジ部の端に市販の配管継手を埋では、穴の内径を試験片平行部外径より十分に小さく め込むかパイプを溶接し継手で繋いでいたため、加工し、断面積にして 10%以下にすることで、強度特性や 費が高い（3~5 万円）、溶接部から漏れ易い、使用圧力伸びに加えて絞りの測定が可能になり、絞り比による の制限 (82MPa) 等の短所があったが、図 3 に示す新試高圧水素の影響の評価を可能にした。例えば SUS304L 験片の加工費は 22,000 円で溶接を使わず溶接部からの 室 温 大 気 中 の 絞 り は、 穴 な し で 82 %、1mm 径 で の漏れが無く、使用圧力も 100MPa 以上となり、今後80%、2mm 径で 76%であったが、水素環境中とヘリ の検証試験が捗ると期待している。
ウムガス環境で得られた絞りの比の％にすると、1 ポイント以下の差にすぎない。1mm 径では、試験前後の断面積変化を計算するため穴の径の変化を測定してもしなくても、絞り比の値の差は 1 ポイント以下である 1)。
これまでに丸棒試験片の中心軸が中空の試験片について寄せられた懸念を、中空式試験法の今後の課題として取り纏めて表 2 に示す。
図 1 に示したように、この上なく手軽で安価な中空
図３
表2項

目

高圧容器と中空試験片を用いる方法とで得られる結果

中空式試験法の今後の課題
内改良された新中空試験片（単位 :mm）

長いネジ部を冶具に通し、その下で 1/16 インチの配管を繋ぎガスを送り込み、短いネジ部の方はプラグで封じ切るが、ここにも配管を繋げば、気体あるいは液体を流すことができ、高圧水素に限らず、様々なガスや溶液（硫化水素、二酸化炭素、酸やアルカリ・腐食の液体）の高温／低温の高圧試験も可能である。圧力が 1MPa 以下で、封じ切って配管を外してしまえば、高圧ガス保安法の規制に掛からず、材料試験機がある施設で通常の試験片と同様に引張試験や疲労試験が可能となる。封じ切る場合は、関連特許 (4817253 号と4696272 号 ) があるが、簡便さの利点の方が桁違いに大きい。
さらに簡素化を図り、試験法の普及と検証試験を容易にする予定である。

容産総研での 1.1MP 水素中の結果と中空式簡便法の 10MPa 水素環境中の引張試験と疲労試験の結果は、ステンレス鋼や他の鋼材でも殆ど同様の結果が得られているが、水素圧が 100MPa 近傍で低温までの検証が求められている。

中空試験片寸 SUS304L の室温の絞りは、穴なしで 82%穴の法の絞りへの 内径が 1mm で 80%､ 2mm で 76%と多少変わ影響
るが絞り比にすると％以下の差に過ぎない。
空隙内面の性 粗い放電加工の方が水素の影響が大きく、研磨状の影響すると影響が小さくなり、ワイヤカットの 3 回転廻しで、粗さ 8 μ m に統一している。
試験片表面を研磨仕上げする高圧容器法より、加工ままの中空式の方が実用容器や配管の環境に近い。
フープ力の影 σ =PD/2t ≒ P、内表面にガス圧を受けているが、響内圧の影響 引張方向の応力ではない穴の断面積が試験片平行部断面積の数％で、殆ど影響ない。
外から静水圧をかけて絞りを助長する可能性がある高圧容器法より、内圧をかける方が実際の環境そのものである。

2.4.2 試験手順1) 試験片を試験冶具に装着し、平行部に伸び計を 2個マウントする。
2) 加圧用の配管を長いネジ部端に接続する。
JRCM NEWS No.369

34. おわりに
前報 2) にも書いたが、オーステナイト系ステンレス鋼の引張試験において fcc のオーステナイト相に高圧水素の影響は殆ど無い。多少の bcc 相があっても実機での使用中に所定の力が加わらなければ或いは bcc 相が新たに生じなければ水素の影響は無い。高強度材料を高圧水素環境で使用する際には、低温で水素の影響が顕在化する場合もあるので、温度とガス環境や設計応力に表面性状を考慮した実環境での疲労試験のデータも確認する必要がある。
今後、中空式試験法による高圧水素の簡便な影響評価法が普及し、水素環境下の材料特性のデータと知見が蓄積し、材料の信頼性がより高まることを期待している。

3) 使用ガス（水素ガスあるいはヘリウム等の不活性ガス）を充填しガス漏れチェック。
4) ガスを放出し試験片内と配管内を真空引き（再びガスを入れ真空引きを 2 回行う）。
5) 試験片内に使用ガスを充填し、冷媒槽や温調機で試験温度にする。
6) 試験片温度が試験温度に達したら、ガス圧を試験圧力に調整する。
7) 不活性ガスは試験温度とガス圧力が安定したら直ちに、水素ガスは充てん後、1 時間経過し、試験温度とガス圧力が安定したら試験を開始する。
8) 試験は、ストローク制御で試験開始時の変位速度は毎分 0.6mm で、荷重が耐力未満の 1kN に到達後、変位速度を毎分 0.06mm（初期歪み速度：約 3 ×10-5s-1）にする。
9) 試験中は、ガス圧の変化や荷重の挙動に異常がないかを監視する。
10) 引張試験のみの所要時間は、3 時間～ 7 時間。

文献1) 緒形俊夫：日本金属学会誌、72(2008) 125-131
2) 緒形俊夫：JRCM NEWS、第 346 号 (2015) 2-4
3) 辻上博司 他：圧力技術、印刷中

３．中空式試験法による高圧水素の簡便な影響評価の例
これまでに、燃料電池車用の候補構造材料として市販のSUS304、304L、316L、430、630、SUH660、INCO718 等の高圧水素環境中の特性評価のスクリーニングテストとしての引張試験と疲労試験はほぼ済ませた。
図 1 と図 2 に SUS304L と SUS316L の絞り比の温度による変化を示したが、図 4 に数種の SUS304L の 0.2%耐力と引張強さの温度と水素圧力の影響を示す。絞り比と同様に、190K 付近で水素の影響が最も大きく、また水素の圧力が高くなると、引張強さが低くなる。
水素の影響を受ける材料は、１MPa でも絞り比や強度が小さくなるが、破断時の材料状態の破面には、図5 のように、より顕著に表れる。
大気中では、全面ディンプルの延性破面が、1MPa
図４ SUS304L の水素ガスとヘリウムガス中のの水素環境中では、煎餅を割ったような脆性的な破面0.2%耐力と引張強さの水素圧と温度の影響になるのは衝撃的である。多くの方が、水素の影響について興味 を 持 ち、 水 素 圧 は1MPa で十分影響が評価 で き る の で、 こ の簡便な評価法を用いて 自 ら 評 価 し、 デ ータを蓄積するとともに、 考 察 し て 頂 け る
図５ SUS304 の室温における 1MPa 水素中と大気中の破面ことを期待する。
The Japan Research and Development Center for Metals

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JRCM NEWS ／第 369 号

2017 年 7 月 1 日
小紫 正樹
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