JP2005351693A - 耐遅れ破壊特性評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼材の耐遅れ破壊特性を正確かつ簡易に評価する。
【解決手段】鋼材の耐遅れ破壊特性の評価は、棒状の試験片本体１１と、被水素チャージ部位として試験片本体１１の周方向に拡張して形成される鍔部１２と、引張試験時の応力集中部として試験片本体１１の周方向全周に渡って形成される切欠部１３と、によって形成される試験片１０を用いることによって行われる。試験では、鍔部１２を酸性溶液２０に浸漬することによって、試験片１０に水素をチャージする水素チャージ工程と、試験片１０の全表面にカドミウム２１を塗布することによって、試験片１０からの水素の放出を抑制するカドミウム塗布工程と、試験片１０の両端をチャックして引っ張ることによって、切欠部１３を破断させる破断工程と、が実施される。そして、予め設定された３つの変数Ｗ，Ｌ，Ｔを鋼材同士で比較して、耐遅れ破壊特性が評価される。
【選択図】図２

Description

本発明は、耐遅れ破壊特性評価方法に係り、特に、水素侵入下での鋼材の遅れ破壊特性を正確かつ簡易に評価することができる耐遅れ破壊特性評価方法に関するものである。

鋼材に水素が侵入すると、鋼材が脆化現象を起こすため、従来から、その対策に精力的な努力がなされてきている。特に、近年の分析技術の進歩に伴い、鋼材の遅れ破壊についての現象の解明がなされつつあるが、まだ解明し尽くされているわけではない。

遅れ破壊についての近年までの研究成果は、松山晋作著，『遅れ破壊』，日刊工業新聞社，１９８９（非特許文献１）等にまとめられている。また、社団法人日本鉄鋼協会主催の高強度鋼の遅れ破壊研究会の成果が、『遅れ破壊解明の新展開』，１９９７（非特許文献２）としてまとめられている。

すなわち、鋼材の遅れ破壊に関する従来技術では、分析技術の進歩により、鋼材中の水素は０．０１ｐｐｍのレベルまで分析できるようになってきており、また、遅れ破壊促進試験法についても様々な試みがなされている。かかる試験法は非特許文献１や非特許文献２に詳述されている。

ここで、鋼材の遅れ破壊促進試験法の代表的なものは、切欠を設けた試験片に曲げ応力を与え、切欠部を酸に浸漬することにより水素をチャージし、試験片が破断するまでの時間を求めるものであり、縦軸に応力、横軸に時間をプロットして、遅れ破壊特性を評価する方法である。

また、鋼材の遅れ破壊特性を簡易的に調べる方法として、低歪速度試験（ＳＳＲＴ）もよく行われている。この試験は、試験片に水素を予めチャージするか、あるいは水素をチャージしながら試験片を数時間〜数日程度かけて徐々に引っ張り、破断するまでの歪−応力線を求めるものである。そして、遅れ破壊し易い鋼材の場合、水素チャージしたものは非チャージのものに比し十分には歪まない状態で破断してしまうことから、その破断までの様子を比較することによって、遅れ破壊特性を評価するというものである。

さらに、かかる促進試験の際に、ＡＥ（アコースティック・エミッション）を測定することにより、微小亀裂の発生をとらえたり、電気抵抗値の変化により、亀裂の進展をとらえたりする試みもなされている。

松山晋作著，『遅れ破壊』，日刊工業新聞社，１９８９ 日本鉄鋼協会編，『遅れ破壊解明の新展開』，１９９７

しかしながら、上述した従来技術には、以下のような課題がある。すなわち、鋼材中に侵入している水素は、高価な分析装置を使用すれば０．０１ｐｐｍのレベルで分析可能であるが、この分析には多大な時間と費用とを費やすため、実施するには制限が付きまとう。

また、従来技術では、試験片にチャージした水素が負荷試験中に大気中に放出されてしまうので、遅れ破壊に対する水素の寄与度が正確に把握できないという課題がある。

さらに、試験片を丸ごと酸性溶液に浸漬したり、応力集中部自体に水素をチャージしたりする従来技術では、試験片内での水素の拡散性を無視したまま負荷試験を行うことになるので、正確な評価ができない。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鋼材の耐遅れ破壊特性を正確かつ簡易に評価することができる方法を提供することにある。

本発明に係る耐遅れ破壊特性評価方法は、棒状の試験片本体と、被水素チャージ部位として前記試験片本体の周方向に拡張して形成される鍔部と、引張試験時の応力集中部として前記試験片本体の周方向全周に渡って形成される切欠部と、によって形成される試験片を用いることによって、鋼材の耐遅れ破壊特性を評価するために行われる耐遅れ破壊特性評価方法であって、前記鍔部を酸性溶液に浸漬することによって、前記試験片に水素をチャージする工程と、前記試験片の全表面にカドミウムを塗布することによって、前記試験片からの水素の放出を抑制するカドミウム塗布工程と、前記試験片の両端をチャックして引っ張ることによって、前記切欠部を破断させる破断工程と、を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る耐遅れ破壊特性評価方法では、前記鍔部の幅Ｗ、前記試験片本体の基準端から前記鍔部までの距離Ｌ、前記引張試験を開始してから前記切欠部が破断するまでの時間Ｔ、という３つの変数を設定しておき、この３つの変数によって鋼材の耐遅れ破壊特性を評価することが可能である。

さらに、本発明に係る耐遅れ破壊特性評価方法は、評価対象となる複数の鋼材それぞれにおける前記３つの変数を比較し、前記３つの変数の値の大きいものが耐遅れ破壊特性において優れていると判断することが可能である。

一方、本発明に係る耐遅れ破壊特性評価方法は、基準となる鋼材の前記３つの変数と、評価対象となる鋼材の前記３つの変数とを比較し、基準となる鋼材の前記３つの変数の値に対して、評価対象となる鋼材の前記３つの変数の値に小さいものがなければ、評価対象となる鋼材の耐遅れ破壊特性は、基準となる鋼材の耐遅れ破壊特性と同等以上であると判断することが可能である。

またさらに、本発明に係る耐遅れ破壊特性評価方法において、前記水素チャージ工程は、前記試験片を定速回転することによって行われ、前記鍔部の全周が前記酸性溶液に均等に浸漬されるようにすることが可能である。

本発明によれば、鋼材の耐遅れ破壊特性を正確かつ簡易に評価することができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法では、図１に示すような試験片１０を用いることによって、耐遅れ破壊特性の評価が行われる。ここで、図１は、本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法で用いられる試験片１０を示す図であり、図中（ａ）は試験片１０の左側面を、図中（ｂ）は試験片１０の正面を示す図である。

試験片１０は、棒状の試験片本体１１と、被水素チャージ部位として試験片本体１１の周方向に拡張して形成される鍔部１２と、引張試験時の応力集中部として試験片本体１１の周方向全周に渡って形成される切欠部１３と、によって形成されている。

試験片の寸法については、予め所定の値を決定しておくことが必要である。特に、試験片本体１１の全長Ｌ₁と、鍔部１２の直径Ｒ₁、試験片本体１１の直径Ｒ₂、そして切欠部１３の位置Ｌ＋Ｌ₂（試験片本体１１の基準端からの距離）については、固定値としておく必要がある。

一方、本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法では、鍔部１２の幅Ｗ、試験片本体１１の基準端から鍔部１２までの距離Ｌ、引張試験を開始してから切欠部１３が破断するまでの時間Ｔ、という３つの変数を設定することを特徴としている。これらＷ，Ｌ，Ｔという３つの変数を比較することによって、鋼材の耐遅れ破壊特性を評価するのである。なお、これら３つの変数を用いた評価手法については、後ほど詳述する。

ここで、具体的な試験手順について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法の試験手順を示す図である。

［水素チャージ工程］
まず、本実施形態では、鍔部１２を酸性溶液２０に浸漬することによって、試験片１０に水素をチャージする（図２中（ａ）参照）。なお、この水素のチャージについては、図２Ａに示すように、試験片１０を酸性溶液バス３０中で定速回転することによって行うことが好適である。この様にすることによって、鍔部１２が酸性溶液２０に全周に対して均等に浸漬されるので、正確な評価が可能となるからである。試験片１０を定速回転させる機構については、公知の手法を採用すればよいことは当業者にとって明らかであるので、説明を省略する。

［カドミウム塗布工程］
続いて、試験片１０の全表面に対してカドミウム２１を塗布する（図２中（ｂ）参照）。こうすることによって、試験片１０にチャージした水素の放出を抑制することができるので、試験片１０内の侵入水素量を一定に保つことが可能となる。

［破断工程］
以上のように試験片１０に対して一定量の水素をチャージした上で、引張試験機を用いて試験片１０の両端をチャックし、試験片１０を引っ張ることによって切欠部１３を破断させる（図２中（ｃ）参照）。引張試験機の引張強度については任意に設定することが可能であり、評価対象となる鋼種等に応じて設定すればよい（本実施形態では、引張強度０．９σＢの場合を例示して説明する）。

続いて、耐遅れ破壊特性の評価手法について、図３，図４，図５を用いて説明する。なお、図３は、本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法で設定される３つの変数Ｗ，Ｌ，Ｔについて説明するための図であり、また、図４および図５は、これら３つの変数Ｗ，Ｌ，Ｔを用いて行われる本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法の評価結果を例示する図である。

本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法では、Ｗ，Ｌ，Ｔという３つの変数を用いることによって耐遅れ破壊特性の評価を行うことを特徴としている。以下、それぞれの変数が有する意義について説明する

［変数Ｗについて］
変数Ｗは、上述したように鍔部１２の幅を表している。幅Ｗが大きいということは、チャージされる水素の量が多くなるということである。したがって、他の変数である試験片本体１１の基準端から鍔部１２までの距離Ｌと、引張試験を開始してから切欠部１３が破断するまでの時間Ｔが一定であって、幅Ｗが大きいということは、その鋼材は水素の侵入がし難い鋼材であるということがいえる。つまり、変数Ｗが大きい鋼材ほど、水素侵入性が小さく、耐遅れ破壊特性に優れた鋼材であるということである。

なお、複数の鋼材について変数ＬとＴを固定した上で変数Ｗを求めるためには、繰り返し試験を行う必要がある。

［変数Ｌについて］
変数Ｌは、試験片本体１１の基準端から鍔部１２までの距離を表している。距離Ｌが大きいということは、水素がチャージされる鍔部１２から応力集中部である切欠部１３までの距離Ｌ₂が短いということである。したがって、他の変数Ｗ，Ｔが一定であって、距離Ｌが大きいということは、その鋼材は水素の拡散がし難い鋼材であるということがいえる。つまり、変数Ｌが大きい鋼材ほど、水素拡散性が小さく、耐遅れ破壊特性に優れた鋼材であるということである。

なお、水素拡散性の評価については、本来、水素がチャージされる鍔部１２から応力集中部である切欠部１３までの距離Ｌ₂が重要であるが、距離Ｌ₂を採用すると他の変数Ｗ，Ｔと符号が変わってしまう（つまり、変数Ｗ，Ｔは大きいものほど耐遅れ破壊特性に優れているといえるが、距離Ｌ₂では小さいものほど耐遅れ破壊特性に優れているといえる）ので、３つの変数間で符号をそろえるために、試験片本体１１の基準端から鍔部１２までの距離であるＬを採用することとした。

この変数Ｌについても、複数の鋼材について変数ＷとＴを固定した上で変数Ｌを求めるためには、繰り返し試験を行う必要がある。

［変数Ｔについて］
変数Ｔは、引張試験を開始してから切欠部１３が破断するまでの時間を表している。他の変数Ｗ，Ｌが一定であって、時間Ｔが大きいということは、その鋼材は破壊特性に優れている鋼材であるということがいえる。つまり、変数Ｔが大きい鋼材ほど、耐遅れ破壊特性に優れた鋼材であるということがいえる。

続いて、３つの変数Ｗ，Ｌ，Ｔを用いて行った具体的な評価結果について説明する。図４では、評価対象となる複数の鋼材（供試材１と供試材２）それぞれにおける３つの変数を比較し、３つの変数の値の大きいものが耐遅れ破壊特性に優れていると判断する場合を例示している。

図４に示すように、耐遅れ破壊特性を評価しようとする供試材１と供試材２が存在する場合に、それぞれ「Ｌ，Ｔを固定したときのＷ」、「Ｗ，Ｔを固定したときのＬ」、「Ｌ，Ｗを固定したときのＴ」を算出する。そして、供試材１の変数Ｗ１，Ｌ１，Ｔ１と供試材２の変数Ｗ２，Ｌ２，Ｔ２が
（数１）
（Ｗ１，Ｌ１，Ｔ１）＜（Ｗ２，Ｌ２，Ｔ２）
という関係を有している場合には、供試材２の方が供試材１と比較して耐遅れ破壊特性に優れていると判断することができる。

一方、図５に示すように、既に市場実績があるような基準となる鋼材（ベース供試材）と、製品化を検討しているような評価対象となる鋼材（供試材３）それぞれにおける３つの変数を比較することによっても耐遅れ破壊特性を評価することが可能である。このように、評価対象の基準を市場実績がある鋼材とすることによって、製品化検討中の鋼材を市場に投入して良いか否かの判断時間を、従来技術より正確にかつ簡易にすることが可能となるのである。

図５に示すような場合においても、それぞれ「Ｌ，Ｔを固定したときのＷ」、「Ｗ，Ｔを固定したときのＬ」、「Ｌ，Ｗを固定したときのＴ」を算出して、ベース供試材の変数Ｗ０，Ｌ０，Ｔ０と供試材３の変数Ｗ３，Ｌ３，Ｔ３が
（数２）
（Ｗ０，Ｌ０，Ｔ０）＜（Ｗ３，Ｌ３，Ｔ３）
という関係を有している場合には、供試材３の方がベース供試材と比較して耐遅れ破壊特性に優れていると判断することができる。

なお、変数Ｗ，Ｌ，Ｔはそれぞれ関連した値であるので、１つの変数が大きければ他の変数も大きいと予想されるのであるが、例えば、
（数３）
（Ｗ０）＜（Ｗ３）
（Ｌ０，Ｔ０）＝（Ｌ３，Ｔ３）
というように、１つの変数のみが大きく、他の変数は同じという結果であっても、供試材３の方がベース供試材と比較して耐遅れ破壊特性に優れていると判断することが可能である。つまり、基準となる鋼材の３つの変数の値に対して、評価対象となる鋼材の３つの変数の値に小さいものがなければ、評価対象となる鋼材の耐遅れ破壊特性は、基準となる鋼材の耐遅れ破壊特性と同等以上であると判断することができるのである。

なお、以上説明した本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法によれば、あらゆる鋼材の耐遅れ破壊特性を正確かつ簡易に評価することができる。例えば、試験片１０については、任意の鋼種を選択可能であるとともに、任意の熱処理、表面処理等の２次加工を施すことも可能である。このような鋼種、熱処理、表面処理等の試験片条件を変更したとしても、本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法によれば、正確な耐遅れ破壊特性評価を行うことが可能となるのである。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法で用いられる試験片を示す図であり、図中（ａ）は試験片の左側面を、図中（ｂ）は試験片の正面を示す図である。 本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法の試験手順を示す図である。 本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法の好適な水素チャージ方法を例示する図である。 本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法で設定される３つの変数Ｗ，Ｌ，Ｔについて説明するための図である。 ３つの変数Ｗ，Ｌ，Ｔを用いて行われる本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法の評価結果を例示する図である。 ３つの変数Ｗ，Ｌ，Ｔを用いて行われる本実施形態に係る耐遅れ破壊特性評価方法の評価結果を例示する図である。

符号の説明

１０ 試験片、１１ 試験片本体、１２ 鍔部、１３ 切欠部、２０ 酸性溶液、２１ カドミウム、３０ 酸性溶液バス。

Claims (5)

1. 棒状の試験片本体と、
   被水素チャージ部位として前記試験片本体の周方向に拡張して形成される鍔部と、
   引張試験時の応力集中部として前記試験片本体の周方向全周に渡って形成される切欠部と、
   によって形成される試験片を用いることによって、鋼材の耐遅れ破壊特性を評価するために行われる耐遅れ破壊特性評価方法であって、
   前記鍔部を酸性溶液に浸漬することによって、前記試験片に水素をチャージする水素チャージ工程と、
   前記試験片の全表面にカドミウムを塗布することによって、前記試験片からの水素の放出を抑制するカドミウム塗布工程と、
   前記試験片の両端をチャックして引っ張ることによって、前記切欠部を破断させる破断工程と、
   を行うことを特徴とする耐遅れ破壊特性評価方法。
2. 請求項１に記載の耐遅れ破壊特性評価方法において、
   前記鍔部の幅Ｗ、
   前記試験片本体の基準端から前記鍔部までの距離Ｌ、
   前記引張試験を開始してから前記切欠部が破断するまでの時間Ｔ、
   という３つの変数を設定することによって、鋼材の耐遅れ破壊特性を評価することを特徴とする耐遅れ破壊特性評価方法。
3. 請求項１又は２に記載の耐遅れ破壊特性評価方法において、
   評価対象となる複数の鋼材それぞれにおける前記３つの変数を比較し、前記３つの変数の値の大きいものが耐遅れ破壊特性において優れていると判断することを特徴とする耐遅れ破壊特性評価方法。
4. 請求項１又は２に記載の耐遅れ破壊特性評価方法において、
   基準となる鋼材の前記３つの変数と、
   評価対象となる鋼材の前記３つの変数とを比較し、
   基準となる鋼材の前記３つの変数の値に対して、評価対象となる鋼材の前記３つの変数の値に小さいものがなければ、評価対象となる鋼材の耐遅れ破壊特性は、基準となる鋼材の耐遅れ破壊特性と同等以上であると判断することを特徴とする耐遅れ破壊特性評価方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の耐遅れ破壊特性評価方法において、
   前記水素チャージ工程は、前記試験片を定速回転することによって行われ、
   前記鍔部を前記酸性溶液に全周に対して均等に浸漬されることを特徴とする耐遅れ破壊特性評価方法。
   
   

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