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水素により金属に脆性（ぜいせい）破壊を引き起こされる現象、それが水素脆性による破壊です。水素脆性は場合により大きな事故につながる恐れがあり、水素脆性が起こる可能性を把握してそれを避けるため、さまざまな試験方法が存在します。ここでは水素脆性の概要と遅れ破壊、それを避けるための試験方法についてご紹介します。
水素脆性によって起こること
そもそも水素脆性とはどのようなもので、それによりどういった被害につながる可能性があるのでしょうか。まずは、水素脆性の起こるメカニズムと、水素脆性によって引き起こされる遅れ破壊について確認していきます。
水素脆性とは？
水素脆性とは、水素により金属の靭性（じんせい）、すなわち粘り強さが低下する現象のことを言います。
この現象は、金属素材の表面に吸着した水素原子の一部が金属素材の内部に入り込んだ場合に起こります。強度の高い鋼に近い素材ほど影響を受けやすく、一般的には水素脆性が起こるのは引張強さの高い金属です。しかし、周囲に硫化水素が多い環境では、金属素材の表面に存在する水素原子が多くなります。こういった場合は、通常では影響を受けにくい金属でも水素脆性が起こります。
水素脆性が起こった金属素材は脆化（ぜいか）し、塑性変形をほとんど伴わずに破壊に至る、脆性破壊が起こりやすくなります。脆性破壊については「脆性破壊の原因と対策―鉄鋼が脆化してしまうメカニズムとは？」でも解説していますのでご参照ください。
水素により脆化が起こるメカニズムは、水素原子が金属素材内で結合して分子になり内部圧力を高めるためという説、水素原子が鉄分子の結合を妨げるためという説などがあります。しかし、これらはいずれも仮説であり、理論的な証明にたどり着いていません。はっきり分かっているのは、水素により脆性が大きくなる水素脆性という現象が起こるということだけです。
以上のことから、可能であれば金属から水素をシャットアウトしたいところですが、腐食や溶接、酸洗浄、電気めっきなど鉄鋼加工において不可欠な処理を行うことで、水素が吸収されてしまうことが分かっています。そこで一度吸収した水素を放出するため、鉄鋼を200℃に加熱し一定時間保持する「ベーキング処理」を行います。
水素脆性が引き起こす「遅れ破壊」
水素脆性は、「遅れ破壊」の原因のひとつになります。
遅れ破壊とは一定の引張荷重が加えられているとき、ある時間が経過した後に起こる脆性破壊のことです。前兆がほとんどない状態から一瞬で破壊が起こるため、点検では防ぐことができず、大きな事故につながる危険性があります。くだけた言い方をすると、「それまで大丈夫だったのに突然壊れた」という現象が起こってしまうのです。
そんな恐ろしい現象「遅れ破壊」を防止するためには、水素脆性の試験を行い、製品や部品について遅れ破壊の可能性を評価する必要があります。試験方法にはさまざまなものがあり、それぞれ特徴があります。この後順に説明します。
水素脆性の可能性を把握するための試験方法
水素脆性と遅れ破壊の可能性を評価する試験方法として、次のようなものがあります。
デルタゲージ
試験片をバイスの間に挟み込み、バイス間の距離を一定速度で縮めていくことで、試験片が破壊されるまで押し曲げていきます。この破壊に至った移動距離から、水素脆性の度合いを評価する方法です。
デルタゲージでは、酸洗浄やめっき処理を行った評価用のサンプルと、処理を行っていないブランクのサンプルで試験を実施し、それぞれの試験片において破壊が起こった押し曲げ距離を測定します。そして、ブランクサンプルと評価サンプルのそれぞれの移動距離の差から水素脆化率を算出します。
このようにデルタゲージは簡単に数値化できるため分かりやすく、現場でも容易にできる優れた試験方法と言えます。
ノッチドテンシルテスト
ノッチを付けた試験片に対し、引張試験機によって極限引張強さの75%の静荷重をかけます。この状態で200時間以内に破壊が起こらなければ合格とする試験方法です。試験片の材質やサイズ、機械加工と熱処理の方法も規定されています。また、ノッチの大きさやめっきの方法なども定められています。
米空軍や海軍、航空機メーカーのボーイング社、ロッキード社でも採用され、遅れ破壊の試験では最も信頼性の高い試験方法とされています。
ストレスラプチャーテスト、またはサステインロードテストとも呼ばれます。
ダグラス・リング・テスト
ダグラス・リング・テストは高張力鋼の水素脆化を評価する試験方法です。
リング状の試験サンプルの内部に、直径より長いストレスバーと呼ばれる棒を挿入し、極限引張強さの90%の静荷重をかけます。この状態で200時間以内に破壊が起こらなければ合格とされます。この試験は、ストレス・リング・テストとも呼ばれています。
航空機メーカーのダグラス社でオーバーホールマニュアルに規定されている試験方法ですが、信頼度において議論されることが多いことから、他社では採用されていません。特別な試験機が必要ないため現場でも行いやすい試験方法である点がメリットと言えます。
ローレンスゲージ
ローレンスゲージはめっき処理などの水素脆化への影響を評価する試験方法です。
まず鉄製の真空管を陰極として電気めっきを行います。このとき、めっき液中に発生した水素原子が真空管内に侵入してイオン化します。こうして真空管の内部に侵入した水素イオンの量を電流値に変換することで、めっきによる水素侵入の程度を測ることができます。
さらに真空管のベーキング処理を行い、水素原子がどれくらい放出されるかを測定します。これらの工程によって、めっきにより水素が侵入する量と、ベーキング処理によって水素が放出される量を判断できます。
定荷重遅れ破壊試験
試験片を腐食溶液環境または水素チャージ下に置き、引張による負荷をかけ、遅れ破壊が起こる限界を測定する方法です。割れが発生する時間、下限界応力、その拡大係数を測定します。
低歪速度引張試験
"low Strain Rate Technique"の略称、SSRTとも呼ばれる試験方法です。
試験機により、試験片に水素を吸蔵させながら低速度で引張試験をすることで、遅れ破壊を試験する方法です。高張力鋼ボルトや厚板の試験で使われます。
昇温脱離試験で吸蔵水素を評価する水素分析装置PDHAシリーズ
ここまでは金属の水素脆性に対する耐久性評価方法について紹介してきました。
NISSHAエフアイエスでは、遅れ破壊の原因となる金属中の吸蔵水素量を分析する昇温脱離試験機PDHAシリーズを取り扱っています。
PDHAシリーズは、-100℃～800℃の環境下で、金属から放出されるppbレベルの低濃度の水素を検出します。
自動サンプリングや短時間測定など、簡便に分析を実施する機能によって水素脆性の研究をサポートします。
PDHAシリーズは製品サイトで紹介しています。ぜひご覧ください。
水素脆性の試験は安全を確保するために欠かせないもの
水素脆性について、原因と対策、遅れ破壊という現象とその試験方法についてご紹介しました。
水素脆性は強度の高い素材に起こりやすい現象です。強度の高い素材は、機械の中でも強度の求められる部分や強度が必要な構造物に使用されます。それゆえ、もし水素脆性による遅れ破壊が発生すると大きな事故につながる可能性を大いに秘めています。今回ご紹介した水素脆性の試験は、こういった事故を防ぎ安全を確保するうえで欠かせないものなのです。
