キーワード：水素脆化，格子欠陥，陽電子 き喫緊の課題の一つである．水素脆化とは水素による材料の力学特性の低下であり，その劣化機構のメカニズムには，格子間の水素が原子間結合力を低下する格子脆化機構である．水素が転位運動を加速し局所的塑性変形を誘起する水素局部変形助長機構（HELP），水素が空孔クラスター形成を促進し局所的塑性変形を不安定化する水素助長空孔誘起機構（HESIV）などの機構が提唱されているが，未解決問題である． 鉄鋼関連材料の水素脆化は，金属学物性系，機械系などあらゆる分野の研究者が自身の得意分野からのアプローチにより膨大な数の論文が発表されている．また，鉄鋼関連会社の技術者によって，現象論が多いがその結果は示唆に富む多くの報告がされている．材料物性に関しては，透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡による組織観察や転位観察がほとんどであり，原子論的な初期欠陥には手つかずのところが多い．機械的特性の観点からの研究では，亀裂やボイドありきの議論であり，そこに至る要因についてはほとんど議論されていない． 水素が空孔形成エネルギーを低下させることは第一原理計算等で立証されており，水素環境下での変形による原子空孔の形成促進は確認されている．鉄系材料の空孔挙動を調べる従来の手法は，水素の脱離温度から水素の捕獲欠陥種を決定する手法という昇温脱離分析法である．昇温脱離分析は初期欠陥にアプローチできる有力な分析法であるが，その解析自体が研究テーマになるといったように欠陥種同定は困難である．一方，昇温脱離分析実験において水素脆化純鉄中での捕獲水素の活性化エネルギーは非常に小さく，大気中で約1時間の室温時効で捕獲水素は全て脱離してしまうことがわかっている．α鉄では水素は容易に脱離しないが，それはγ鉄中の水素の拡散係数が小さいためである． 陽電子消滅法（PALS）は格子欠陥の高感度・直接プローブである陽電子の寿命から陽電子が捕獲された欠陥種を決定する手法であり，1)水素脆化の機構解明に向けての期待は大きい．PALSによるの先行研究は，純鉄における通常延伸では転位しか検出されないが，水素環境下での延伸により空孔クラスターの形成促進が明らかになった．ただし，水素脆化有無材で空孔クラスターの形成が同様に実証されているため，空孔クラスターは水素脆化支配欠陥ではないと考えられる．オーステナイト系ステンレス鋼であ１．研究の目的と背景 金属材料の水素脆化は，水素社会到来に向けて解決すべ助教 Chiari Luca る水素感受性の高いSUS304とNi当量を高めた水素耐性が高いSUS316Lにおいて，水素チャージ延伸材のPALS測定を実施した．その結果，水素脆化したSUS304でも水素脆化しないSUS316Lでも，空孔クラスターが検出され，先の知見を支持する結果となった．また，水素脆化したSUS304において加工誘起マルテンサイト相が検出されないことから，γ相自体が水素脆化していると考察される． PALSによる研究は数多くあるが，これまで水素脆化の支配欠陥の特定に至っていない理由は，フェライト鋼では室温で不安定な空孔－水素複合体が支配欠陥であるためと仮説を立てた．水素により単空孔が形成しやすくなり，空孔－水素複合体が形成したとしても，室温時効で水素は脱離し，残留した単空孔は室温では不安定であるため消滅するか，凝集してクラスター化する．従って，PALSによる研究でも，水素脆化した試料を単に測定しても水素脆化支配欠陥という核心にはたどり着けない． 本研究は，水素脆化の長年の学術的・工業的な「問い」に対して，原子空孔の直接検出により水素脆化の支配欠陥を明らかにし，機構解明につなげ，その意義は水素社会を迎える時代に対応する鋼材の開発である．陽電子は空孔型欠陥の非破壊的・高感度直接プローブで，水素脆化における原子空孔分析の理想的な方法である．従って本研究の目的は，純鉄（α鉄，bcc）およびオーステナイト系ステンレス鋼（γ鉄，fcc）の水素脆化支配欠陥を陽電子消滅法（PALS）により明らかにすることである． 以上の結果を考察することにより，鉄の水素脆化支配欠陥は室温で不安定な空孔－水素複合体であるという仮説を立て，その立証を目指すこととした．そのためには，支配欠陥種を検出するための測定法の工夫が必要となる．そこで，水素環境下で塑性変形した試料を直ちに液体窒素温度以下に急冷し，生成欠陥を凍結しPALS測定により熱的挙動を観察することで調べ欠陥種を特定することを着想した．また，水素環境下塑性変形中の試料をその場測定するPALS測定により観察することで欠陥種を特定した． ２．研究方法 2・1 純鉄 純鉄（4N）をダンベル状（ゲージ部：15 mm幅，25 mm長，0.2 mm厚）に加工し，供試材とした．初期欠陥を除去するために850 Cで 1 時間Arガス雰囲気で溶体化処理を行った．陰極電解チャージにより水素を添加した（電解液0.09 mass% NH4SCN + H2SO4水溶液，50 ℃，電流密 千葉大学 大学院工学研究院 共生応用化学コース （2018年度 奨励研究助成（若手研究者） AF-2018039-C2） − 198 −鉄系材料の水素脆化支配欠陥の決定
元のページ ../index.html#200