JP2018200292A

JP2018200292A - 水素透過試験方法および装置

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Publication number: JP2018200292A
Application number: JP2017106266A
Authority: JP
Inventors: 拓哉上庄; Takuya Kamisho; 陽祐竹内; Yosuke Takeuchi; 正満渡辺; Masamitsu Watanabe; 孝澤田; Takashi Sawada
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2037-05-30
Also published as: JP6740176B2

Abstract

【課題】引張応力が付与された鋼材の水素侵入挙動が測定できるようにする。【解決手段】第１工程Ｓ１０１で、測定対象の金属試料に引張応力を加える。次に、第２工程Ｓ１０２で、金属試料に引張応力を加えた状態で金属試料を透過する水素の状態を測定する。例えば、引張応力を金属試料の水素脆化による下限界応力未満となる範囲で変化させて水素拡散係数または水素透過速度を測定する。次に、第３工程Ｓ１０３で、第２工程Ｓ１０２の測定結果により、金属試料における水素透過挙動を評価する。【選択図】図１

Description

本発明は、高強度鋼材などの金属における水素透過試験方法および装置に関する。

高張力鋼などの高強度鋼材は、水素を含むと延性が失われ、強度が著しく低下する。この現象は、水素脆化と呼ばれている（非特許文献１参照）。水素脆化の発生には、鋼材中に侵入した水素が関与していることから、水素脆化の初期過程である鋼材中の水素侵入挙動を知ることが重要となる。この水素侵入挙動を把握するために、水素透過試験が広く用いられている。従来、水素透過試験では、まず、平板状の鋼材をカソード槽およびアノード槽で挾む。この状態で、カソード槽の水素侵入面で水素を発生させて鋼材中に水素を侵入させ、アノード槽の水素検出面で高強度鋼材中を透過してきた水素を検出する（特許文献１参照）。

特開２０１６−０９５１４６号公報

白神哲夫、「鉄鋼材料における水素脆化」、材料と環境、ｖｏｌ．６０、Ｎｏ．５、２３６−２４０頁、２０１１年。南雲道彦著、「水素脆性の基礎水素の振るまいと脆化機構」、株式会社内田老鶴圃発行、２００８年。

ところで、引張応力が付与された鋼材では、鋼材中に欠陥が生成し、引張応力が付与されていない状態と比較して水素侵入挙動が変化する（非特許文献２参照）。構造物に使用される高強度鋼材は使用中に引張応力を受ける場合が多いことから、実環境における高強度鋼材への水素侵入挙動を測定するためには引張応力を付与した状態での水素侵入挙動を測定することが重要である。しかしながら、上述した水素透過試験では、鋼材に引張応力を付与しながら試験を実施することができない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、引張応力が付与された鋼材の水素侵入挙動が測定できるようにすることを目的とする。

本発明に係る水素透過試験方法は、測定対象の金属試料に引張応力を加える第１工程と、金属試料に引張応力を加えた状態で金属試料を透過する水素の状態を測定する第２工程と、第２工程の測定結果により金属試料における水素透過挙動を評価する第３工程とを備える。

上記水素透過試験方法において、第２工程では、引張応力を金属試料の水素脆化による下限界応力未満となる範囲で変化させて水素拡散係数または水素透過速度を測定し、第３工程では、第２工程の測定結果を外挿して水素脆化下限界応力以上での水素拡散係数または水素透過速度を評価する。

本発明に係る水素透過試験装置は、測定対象の金属試料に水素を侵入させるための水素侵入部と、金属試料を透過してきた水素を検出するための水素検出部と、金属試料に引張応力を加える応力印加部とを備える。

上記、水素透過試験装置において、水素侵入部は、第１電解質溶液が収容された第１槽と、第１槽に第１電解質溶液とともに収容されている第１対極と、第１槽の一部に設けられて作用電極となる金属試料が固定される第１試料固定部と、第１試料固定部の第１槽に形成されて第１試料固定部に固定された金属試料に第１電解質溶液を接触可能とする第１開口部と、金属試料と第１対極との間に電流を流すための電源とを備え、水素検出部は、第２電解質溶液が収容された第２槽と、第２槽に第２電解質溶液とともに収容されている参照電極と、第２槽に第２電解質溶液とともに収容されている第２対極と、第２槽の一部に設けられて金属試料が固定される第２試料固定部と、第２試料固定部の第２槽に形成されて第２試料固定部に固定された金属試料に第２電解質溶液を接触可能とする第２開口部と、金属試料の電位を参照電極に対して一定に制御して金属試料と第２対極と間に流れる電流を測定する測定部とを備える。

以上説明したように、本発明によれば、金属試料に引張応力を加えた状態で金属試料を透過する水素の状態を測定するようにしたので、引張応力が付与された鋼材の水素侵入挙動が測定できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における水素透過試験方法を説明するためのフローチャートである。図２は、本発明の実施の形態における水素透過試験装置の構成を示す構成図である。図３は、実施の形態による水素透過試験方法の測定結果を外挿して得られた引張応力と水素透過速度との関係を示す特性図である。図４は、本発明の実施の形態における他の水素透過試験装置の構成を示す構成図である。図５は、本発明の実施の形態における他の水素透過試験装置の一部構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態における水素透過試験方法ついて図１を用いて説明する。まず、第１工程Ｓ１０１で、測定対象の金属試料に引張応力を加える。次に、第２工程Ｓ１０２で、金属試料に引張応力を加えた状態で金属試料を透過する水素の状態を測定する。この測定では、引張応力を金属試料の水素脆化による下限界応力未満となる範囲で変化させて水素拡散係数または水素透過速度を測定すればよい。

次に、第３工程Ｓ１０３で、第２工程Ｓ１０２の測定結果により、金属試料における水素透過挙動を評価する。ここで、第２工程Ｓ１０２の測定結果を外挿して水素脆化下限界応力以上での水素拡散係数または水素透過速度を評価する。

次に、上述した水素透過試験方法を実施する水素透過試験装置について、図２を参照して説明する。水素透過試験装置は、測定対象の金属試料１０４に水素を侵入させるための水素侵入部１０１と、金属試料１０４を透過してきた水素を検出するための水素検出部１０２とを備える。金属試料１０４は、例えば、高張力鋼などの高強度鋼材から構成されている。金属試料１０４は、例えば、角柱、円柱などの柱状の形状とされていればよい。

また、水素透過試験装置は、金属試料１０４に引張応力を加える応力印加部１０３を備える。応力印加部１０３は、柱状とされている金属試料１０４を、この延在する方向に引っ張ることで、金属試料１０４に引張応力を加える。

水素侵入部１０１は、第１電解質溶液１１２が収容された第１槽１１１と、第１槽１１１に第１電解質溶液１１２とともに収容されている第１対極１１４とを備える。なお、実施の形態では、第１電解質溶液１１２とともに第１槽１１１に収容されている参照電極１１３も備える。なお、参照電極１１３は無くてもよい。また、第１槽１１１の一部には、作用電極となる金属試料１０４が固定される第１試料固定部１１５が設けられている。また、第１試料固定部１１５において、第１槽１１１には、第１試料固定部１１５に固定された金属試料１０４に第１電解質溶液１１２を接触可能とする第１開口部１１６が形成されている。第１電解質溶液１１２は、例えば、１％チオシアン酸アンモニウムを含む０．１ＭのＮａＯＨ水溶液である。

また、水素侵入部１０１は、金属試料１０４と第１対極１１４との間に電流を流す電源制御部１１７を備える。電源制御部１１７は、例えば、金属試料１０４の電位を参照電極１１３に対して一定に制御し、金属試料１０４と第１対極１１４との間に所定の電流を流す。

水素検出部１０２は、第２電解質溶液１２２が収容された第２槽１２１を備える。第２槽１２１には、第２電解質溶液１２２とともに、参照電極１２３および第２対極１２４が収容されている。また、第２槽１２１の一部には、金属試料１０４が固定される第２試料固定部１２５が設けられている。また、第２試料固定部１２５において、第２槽１２１には、第２試料固定部１２５に固定された金属試料１０４に第２電解質溶液１２２を接触可能とする第２開口部１２６が形成されている。第２電解質溶液１２２は、例えば、１％チオシアン酸アンモニウムを含む０．１ＭのＮａＯＨ水溶液である。

また、水素検出部１０２は、金属試料１０４の電位を参照電極１２３に対して一定に制御して作用電極と第２対極１２４と間に流れる電流を測定する測定部１２７を備える。測定部１２７は、例えば、ポテンシオスタットである。

水素侵入部１０１において、金属試料１０４に対して水素発生電位以下となるような負電位を印加することで、金属試料１０４に対する水素の侵入を実施する。なお、電位印加の替わりに、第１槽１１１に酸性溶液を満たして金属試料１０４に腐食反応を起こさせて水素を発生させ、これにより水素を侵入させてもよい。

上述したことにより金属試料１０４に侵入した水素は、拡散により金属試料１０４の中を移動し、水素検出部１０２にまで到達する。第２電解質溶液１２２を収容している第２槽１２１において、到達した水素が直ちに酸化されるのに十分な電位に各電極を設定し、測定部１２７において、水素が到達した量を電流値として検出する。例えば、測定部１２７で、金属試料１０４の電位を参照電極１２３に対して一定とした状態で、金属試料１０４と第２対極１２４との間に流れる電流を測定することで、上述した電流値を得る（電気化学的水素透過法）。

このよう測定される電流値の経時変化により、応力印加部１０３で引張応力を付与した状態での金属試料１０４中の水素侵入挙動を知ることができる。例えば、得られる電流値（電流密度）をファラデー定数で除することで、水素透過速度が求められる。また、よく知られているように、上述した電流値（電流密度）の変化により、水素拡散係数を求めることができる（特許文献１など参照）。

ところで、鋼材などにおける水素脆化は、ある引張応力未満では発生しないと考えられており、この引張応力を下限界応力と呼ぶ。下限界応力を超える引張応力を付与した状態で鋼材に水素を侵入させると、鋼材は水素脆化により破断する。この場合、水素脆化破断以前のごく短時間の水素侵入挙動データしか得ることができず、定常状態での水素拡散係数または水素透過速度を測定することができない。

このため、応力印加部１０３により印加する引張応力は、金属試料１０４の水素脆化による下限界応力未満となる範囲で変化させ、この条件で、金属試料１０４を透過する水素の状態（水素拡散係数または水素透過速度）を測定する。この測定結果を外挿し、図３に示すような、引張応力と水素透過速度との関係を得る。このようにして得た引張応力と水素透過速度との関係の中で、水素による脆化下限界応力以上の範囲で、水素拡散係数または水素透過速度を評価する（求める）。

ところで、水素透過試験装置は、図４，図５に示すように、金属試料１０４を挟む状態に、水素侵入部１０１と水素検出部１０２とを配置してもよい。第１槽１１１の第１開口部１１６形成面と、第２槽１２１の第２開口部１２６形成面とにより、金属試料１０４を挾む。第１電解質溶液１１２、第２電解質溶液１２２が漏れないようにするために、金属試料１０４と第１槽１１１との接触部（第１試料固定部１１５）、金属試料１０４と第２槽１２１との接触部（第２試料固定部１２５）の各々に、ゴム材より構成されたシール部１０５を設け、各々を密着させるとよい。この構成とすることで、同じ長さの金属試料１０４であっても、第１開口部１１６および第２開口部１２６の面積を、金属試料１０４の延在方向に広げることが容易である。このように、電解質溶液が接して水素が検出される面積を大きくすることで、測定感度（Ｓ／Ｎ比）を向上させることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、金属試料に引張応力を加えた状態で金属試料を透過する水素の状態を測定するようにしたので、引張応力が付与された鋼材の水素侵入挙動が測定できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…水素侵入部、１０２…水素検出部、１０３…応力印加部、１０４…金属試料、１１１…第１槽、１１２…第１電解質溶液、１１３…参照電極、１１４…第１対極、１１５…第１試料固定部、１１６…第１開口部、１１７…電源制御部、１２１…第２槽、１２２…第２電解質溶液、１２３…参照電極、１２４…第２対極、１２５…第２試料固定部、１２６…第２開口部、１２７…測定部。

Claims

測定対象の金属試料に引張応力を加える第１工程と、
前記金属試料に引張応力を加えた状態で前記金属試料を透過する水素の状態を測定する第２工程と、
前記第２工程の測定結果により前記金属試料における水素透過挙動を評価する第３工程と
を備えることを特徴とする水素透過試験方法。
請求項１記載の水素透過試験方法において、
前記第２工程では、前記引張応力を前記金属試料の水素脆化による下限界応力未満となる範囲で変化させて水素拡散係数または水素透過速度を測定し、
前記第３工程では、前記第２工程の測定結果を外挿して水素脆化下限界応力以上での水素拡散係数または水素透過速度を評価する
ことを特徴とする水素透過試験方法。
測定対象の金属試料に水素を侵入させるための水素侵入部と、
前記金属試料を透過してきた水素を検出するための水素検出部と、
前記金属試料に引張応力を加える応力印加部と
を備えることを特徴とする水素透過試験装置。
請求項３記載の水素透過試験装置において、
前記水素侵入部は、
第１電解質溶液が収容された第１槽と、
前記第１槽に前記第１電解質溶液とともに収容されている第１対極と、
前記第１槽の一部に設けられて作用電極となる前記金属試料が固定される第１試料固定部と、
前記第１試料固定部の前記第１槽に形成されて前記第１試料固定部に固定された前記金属試料に前記第１電解質溶液を接触可能とする第１開口部と、
前記金属試料と前記第１対極との間に電流を流すための電源と
を備え、
前記水素検出部は、
第２電解質溶液が収容された第２槽と、
前記第２槽に前記第２電解質溶液とともに収容されている参照電極と、
前記第２槽に前記第２電解質溶液とともに収容されている第２対極と、
前記第２槽の一部に設けられて前記金属試料が固定される第２試料固定部と、
前記第２試料固定部の前記第２槽に形成されて前記第２試料固定部に固定された前記金属試料に前記第２電解質溶液を接触可能とする第２開口部と、
前記金属試料の電位を前記参照電極に対して一定に制御して前記金属試料と前記第２対極と間に流れる電流を測定する測定部と
を備えることを特徴とする水素透過試験装置。