JP2019196918A - 鋼材破断起点推定方法、鋼材破断起点推定装置及び鋼材破断起点推定プログラム - Google Patents

鋼材破断起点推定方法、鋼材破断起点推定装置及び鋼材破断起点推定プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】水素脆化による鋼材の破断起点を高精度に推定する。【解決手段】鋼材破断起点推定装置１は、水素脆化により推定対象鋼材が破断したときの鋼材内の水素濃度分布を計算する水素濃度分布計算部１１と、水素脆化により推定対象鋼材が破断するときの限界水素量を計算する局所限界水素量計算部１２と、水素濃度分布を記憶部３から読み出して、水素濃度分布から限界水素量の水素濃度が分布する鋼材内の位置を計算し、鋼材内の位置を推定対象鋼材の破断起点とする破断起点推定部１３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水素脆化による高強度鋼材の破断起点を推定する技術に関する。
高強度鋼材は、鋼材の内部に侵入した水素により延性が失われ、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）。
水素脆化による鋼材の破断は、局所的に集積した水素により引き起こされると考えられており、鋼材内の局所的な水素量が閾値以上となった際に発生すると言われている。例えば、表面に溝のある切り欠き付き試験片を用いる場合、切り欠き底に水素が集積して局所的な応力集中部になり、当該応力集中部が鋼材の破断起点になるとされている（非特許文献２）。
また、水素脆化による鋼材の破断後に破断起点を調べる場合には、顕微鏡などにより破断面の観察を行い、破面形態から破断起点を推定する方法が用いられている（非特許文献３）。
白神、"鉄鋼材料における水素脆化"、材料と環境、2011年、p.236-p.240 高木、外５名、"高強度鋼における水素割れ感受性の評価パラメータ"、鉄と鋼、Vol.86、No.10、2000年、p.689- p.696 水口、外２名、"高強度鋼の遅れ破壊における脆性破壊条件について"、日本機械学会論文集（A編）、56巻、522号、1990年2月、p.304-p.309 萩原、外５名、"CSRT 法による高強度鋼の遅れ破壊特性の評価"、鉄と鋼、Vol.94、No.6、2008年、p.215-p.221
しかしながら、実環境内の高強度鋼材は様々な形態を備えており、切り欠きのない平滑試験片を用いる場合、水素が集積し得る切り欠き底がなく、応力集中部は不明であるため、破断起点を推定することは困難である。また、顕微鏡により破断面を観察する方法を用いる場合であっても、破断起点とみなす筋状の波面の収束点を明確に確認することは困難であり、破断起点を粗い精度でしか推定することができない。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、水素脆化による鋼材の破断起点を高精度に推定することを目的とする。
以上の課題を解決するため、請求項１に係る鋼材破断起点推定方法は、鋼材の破断起点を推定する鋼材破断起点推定方法において、コンピュータが、水素脆化により推定対象鋼材が破断したときの鋼材内の水素濃度分布を計算する第１のステップと、水素脆化により前記推定対象鋼材が破断するときの限界水素量を計算する第２のステップと、前記水素濃度分布を記憶部から読み出して、前記水素濃度分布から前記限界水素量の水素濃度が分布する鋼材内の位置を計算し、前記鋼材内の位置を前記推定対象鋼材の破断起点とする第３のステップと、を行うことを特徴とする。
請求項２に係る鋼材破断起点推定方法は、請求項１に記載の鋼材破断起点推定方法において、前記第１のステップでは、水素は鋼材内で拡散するとみなし、鋼材内の水素量の経時変化から前記推定対象鋼材の水素拡散係数を計算し、前記水素拡散係数を用いた拡散方程式を用いて前記水素濃度分布を計算することを特徴とする。
請求項３に係る鋼材破断起点推定方法は、請求項１又は２に記載の鋼材破断起点推定方法において、前記第１のステップでは、一定の引張応力が与えられた状態で前記推定対象鋼材が破断したときの前記水素濃度分布を計算し、前記第２のステップでは、前記推定対象鋼材に水素を飽和するまでチャージして行われ、チャージした水素の量を変えて繰り返し行われた引張試験による破断時の引張応力の測定データを用いて、前記一定の引張応力に対応する水素量を計算し、当該水素量を局所的な前記限界水素量とすることを特徴とする。
請求項４に係る鋼材破断起点推定装置は、鋼材の破断起点を推定する鋼材破断起点推定装置において、水素脆化により推定対象鋼材が破断したときの鋼材内の水素濃度分布を計算する水素濃度分布計算部と、水素脆化により前記推定対象鋼材が破断するときの限界水素量を計算する局所限界水素量計算部と、前記水素濃度分布を記憶部から読み出して、前記水素濃度分布から前記限界水素量の水素濃度が分布する鋼材内の位置を計算し、前記鋼材内の位置を前記推定対象鋼材の破断起点とする破断起点推定部と、を備えることを特徴とする。
請求項５に係る鋼材破断起点推定装置は、請求項４に記載の鋼材破断起点推定装置において、前記水素濃度分布計算部は、水素は鋼材内で拡散するとみなし、鋼材内の水素量の経時変化から前記推定対象鋼材の水素拡散係数を計算し、前記水素拡散係数を用いた拡散方程式を用いて前記水素濃度分布を計算することを特徴とする。
請求項６に係る鋼材破断起点推定装置は、請求項４又は５に記載の鋼材破断起点推定装置において、前記水素濃度分布計算部は、一定の引張応力が与えられた状態で前記推定対象鋼材が破断したときの前記水素濃度分布を計算し、前記局所限界水素量計算部は、前記推定対象鋼材に水素を飽和するまでチャージして行われ、チャージした水素の量を変えて繰り返し行われた引張試験による破断時の引張応力の測定データを用いて、前記一定の引張応力に対応する水素量を計算し、当該水素量を局所的な前記限界水素量とすることを特徴とする。
請求項７に係る鋼材破断起点推定プログラムは、請求項４乃至６のいずれかに記載の鋼材破断起点推定装置としてコンピュータを機能させることを特徴とする。
本発明によれば、水素脆化による鋼材の破断起点を高精度に推定できる。
鋼材破断起点推定装置の構成を示す図である。 鋼材内の水素量の経時変化を示す図である。 破断発生時の鋼材内の水素濃度分布を示す図である。 鋼材内の水素量を変化させて引張試験を行った際の破断応力の変化を示す図である。 破断起点の推定方法を示す図である。
以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。
＜鋼材破断起点推定装置の構成＞
図１は、本実施形態に係る鋼材破断起点推定装置１の構成を示す図である。鋼材破断起点推定装置１は、水素濃度分布計算部１１と、局所限界水素量計算部１２と、破断起点推定部１３と、を備える。鋼材破断起点推定装置１は、自装置に備わる通信インタフェースを介して記憶部３及び表示部５と通信可能に接続されている。
水素濃度分布計算部１１は、水素脆化により推定対象の高強度鋼材（以下、推定対象鋼材又は鋼材）が破断したときの鋼材内の水素濃度分布を計算し、記憶部３に記憶する機能を備える。水素濃度分布計算部１１は、水素は鋼材内で拡散するとみなし、鋼材内の水素量の経時変化から推定対象鋼材の水素拡散係数を計算し、計算した水素拡散係数を用いた拡散方程式を用いて鋼材内の水素濃度分布を計算する機能を備える。水素濃度分布計算部１１は、一定の引張応力が与えられた状態で推定対象鋼材が破断したときの鋼材内の水素濃度分布を計算する機能を備える。
局所限界水素量計算部１２は、水素脆化により推定対象鋼材が破断するときの限界水素量（局所限界水素量）を計算する機能を備える。局所限界水素量計算部１２は、推定対象鋼材に水素を飽和するまでチャージして行われ、チャージした水素の量を変えて繰り返し行われた引張試験による破断時の引張応力の測定データを用いて、上記一定の引張応力に対応する水素量を計算し、計算した水素量を局所限界水素量とする機能を備える。
破断起点推定部１３は、水素濃度分布のデータを記憶部３から読み出して、水素濃度分布から限界水素量（局所限界水素量）の水素濃度が分布する鋼材内の位置を計算し、計算した鋼材内の位置を推定対象鋼材の破断起点として、表示部５に出力する機能を備える。
＜鋼材破断起点推定装置等の動作＞
次に、鋼材破断起点推定装置１で行う鋼材破断起点推定方法について説明する。鋼材破断起点推定装置１は、下記の工程（ステップ）を行う。高強度鋼材の破断起点を推定するため、予め同一形状及び同一材質である複数の高強度鋼材を用意する。
工程１；
工程１では、水素脆化により鋼材が破断したときの鋼材内の水素濃度分布を計算する。以下、工程１について具体的に説明する。
工程１−１；
まず、水素脆化により鋼材が破断するまでの時間を測定する。以下、工程１−１について具体的に説明する。
本実施の形態では、棒状の鋼材に対して水素チャージを行いながら一定の引張応力を与える定荷重試験を行い、鋼材が破断するまでの時間を測定する。つまり、棒状の鋼材に対して、与える引張応力を一定に維持しつつ、水素チャージを継続して行うことにより、水素量の増加に起因する鋼材の破断時間を測定する。
例えば、鋼材の試験片として、長さ５０ｃｍ、直径７ｍｍの丸棒平滑材を用いる。水素チャージを行う方法としては、鋼材を電解質水溶液に浸漬させて負電位を印加する陰極チャージ法を用いる。定荷重の値（引張応力）としては、鋼材の引張強さの０．７倍の応力を用いる。電解質水溶液としては、１ｍｏｌ／Ｌの炭酸水素ナトリウム水溶液を用いる、印加電位としては、−１Ｖ ｖｓ．ＳＳＥを用いる。
棒状の鋼材に対して水素チャージを行いながら、鋼材の引張強さの０．７倍の引張応力を与える定荷重試験を行った結果、鋼材の破断時間は、水素チャージを開始してから１．５時間であった。測定者は、測定した鋼材の破断時間を記憶部３に記憶させる。
工程１−２；
次に、水素は鋼材内で拡散するとみなし、鋼材内の水素量の経時変化から鋼材の水素拡散係数を計算し、計算した水素拡散係数を用いた拡散方程式を用いて、工程１−１で測定した鋼材の破断時間の際における鋼材の水素濃度分布を計算する。以下、工程１−２について具体的に説明する。
まず、水素拡散係数を計算するため、鋼材内の水素量の経時変化を測定する。本実施の形態では、定荷重試験の応力として水素脆化による破断が発生しない応力（例えば、鋼材の引張強さの０．５倍）を用い、上述と同様の方法により鋼材に対して水素チャージを行い、鋼材内の水素量の経時変化を測定する。例えば、水素量の測定には、昇温脱離法（ＴＤＳ：Thermal Desorption Spectroscopy）を用いる。ＴＤＳの測定条件は、例えば、昇温速度１０℃／ｍｉｎで５００℃までの測定とする。
図２は、測定結果である鋼材内の水素量の経時変化を示す図である。横軸は、水素チャージ時間ｔであり、縦軸は、水素チャージ時間ｔに対する鋼材内の水素量Ｃである。図２より、水素チャージ時間ｔが大きくなるほど、鋼材内の水素量Ｃが多くなることを把握できる。
続いて、上述したように鋼材内の水素は拡散により鋼材内部へ侵入すると考えられるので、拡散初期時における鋼材内の水素量Ｃは、式（１）で近似することができる。測定者は、式（１）を記憶部３に記憶させる。
Figure 2019196918
Ｃは鋼材内の水素量、Ｃｓは飽和水素量、ａは鋼材の半径、Ｄは水素拡散係数、ｔは水素チャージ時間である。また、図２より、飽和水素量Ｃｓは、式（２）となる。
Figure 2019196918
測定者は、式（２）の値及び鋼材の半径ａ等の値を記憶部３に記憶させる。水素濃度分布計算部１１は、記憶部３から式（１）、式（２）、鋼材の半径ａ等の値を読み出して、式（２）の値及び鋼材の半径ａ等の値を式（１）に代入して計算する。計算した結果、水素拡散係数Ｄは、式（３）となる。
Figure 2019196918
続いて、水素濃度分布計算部１１は、計算した水素拡散係数Ｄの値を拡散係数とし、拡散係数及び時間を変数に持つ既存の拡散方程式を用いて、例えば差分法を用いた一般的な数値計算方法により、鋼材に破断が発生した時間（工程１−１で求めた１．５時間）の際における鋼材内の水素濃度分布を計算する。
図３は、計算結果である破断発生時の鋼材内の水素濃度分布を示す図である。横軸は、丸棒鋼材の直径断面の深度位置であり、縦軸は、当該直径断面の断面位置に対する水素量である。横軸の左側（０ｍｍ側）は、鋼材内の中心側であり、右側（３．５ｍｍ側）は、鋼材の表面側である。鋼材の表面には内部よりも多くの水素が分布していることを把握できる。水素濃度分布計算部１１は、計算した水素濃度分布のデータを記憶部３に記憶させる。
工程２；
工程１により、水素脆化により鋼材が破断したときの鋼材内の水素濃度分布が求められた。工程２及び後述の工程３では、当該水素濃度分布から、水素脆化破断を発生させる水素量に対応する鋼材内の直径断面の深度位置を特定することにより、水素脆化による鋼材の破断起点を推定する。
そこで、工程２では、水素脆化破断が発生する局所的な水素量の閾値（局所限界水素量）を計算する。局所限界水素量の測定には、例えば、ＣＳＲＴ法（非特許文献４）を用いる。ＣＳＲＴ法では、鋼材内の水素が応力誘起拡散を起こさない短時間で引張試験を行うため、予め鋼材内に均一に吸蔵させた水素量が局所限界水素量と等しいとみなすことができる。
具体的には、鋼材に無負荷状態で水素量が飽和に達するまで水素チャージを行い、その後、１ｍｍ／ｍｉｎの引張速度で引張試験を行い、破断したときの引張応力を測定する。水素が飽和に達した際の水素量は、上記ＴＤＳ（昇温脱離法）を用いて測定する。当該引張試験を水素チャージの印加電位を変えることで飽和に達した際の水素量を変化させながら繰り返し行う。測定者は、引張試験の測定データを記憶部３に記憶させる。
図４は、鋼材内の水素量を変化させて引張試験を行った際の破断応力の変化を示す図である。横軸は、水素量であり、縦軸は、鋼材破断時の破壊応力（＝引張応力）である。水素量が多いほど、鋼材は小さい応力で破壊し、水素量が少ないほど、鋼材の破壊には大きい応力を要することが分かる。
局所限界水素量計算部１２は、図４に示した引張試験の測定結果を用いて、鋼材の引張強さの０．７倍の引張応力（＝工程１−１の定荷重試験で用いた引張応力）で破断が発生する水素量を計算し、計算した水素量の値を引張強さの０．７倍の応力条件下における局所限界水素量とする。局所限界水素量計算部１２は、計算した局所限界水素量を記憶部３に記憶させる。
工程３；
局所限界水素量の思考に基づけば、背景技術で述べた通り、水素脆化による鋼材破断は、鋼材内の局所的な水素量が局所限界水素量以上となった際に発生する。すなわち、破断が発生した際の水素濃度分布を示した図３において、水素量が局所限界水素量以上である鋼材の内部領域に破断起点が存在すると考えられる。
それ故、破断起点推定部１３は、水素濃度分布のデータ及び局所限界水素量を記憶部３から読み出して、図５に示すように、水素濃度分布から局所限界水素量の水素濃度が分布する鋼材内の位置を計算し、計算した鋼材内の位置を推定対象鋼材の破断起点として、表示部５に出力する。図５の場合、破断起点推定部１３は、丸棒鋼材の試験片表面から９０μｍ内部までの間に破断起点があると推定する。
以上より、本実施の形態によれば、鋼材破断起点推定装置１が、水素脆化により推定対象鋼材が破断したときの鋼材内の水素濃度分布を計算する水素濃度分布計算部１１と、水素脆化により推定対象鋼材が破断するときの限界水素量を計算する局所限界水素量計算部１２と、水素濃度分布を記憶部３から読み出して、水素濃度分布から限界水素量の水素濃度が分布する鋼材内の位置を計算し、鋼材内の位置を推定対象鋼材の破断起点とする破断起点推定部１３と、を備えるので、水素脆化による鋼材の破断起点を高精度に推定できる。
例えば、これまで困難であった水素脆化の破断起点の推定を１０μｍオーダーの高精度で行うことができるようになる。破断起点が推定できれば、水素チャージ条件（すなわちＣｓの値）を変えたときの破断時間を予測できるようになり、多くの試験を行わずに簡易に破断時間を把握できるようになる。
最後に、本実施の形態で説明した鋼材破断起点推定装置１は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも可能であり、通信ネットワークを通して提供することも可能である。
１…鋼材破断起点推定装置
１１…水素濃度分布計算部
１２…局所限界水素量計算部
１３…破断起点推定部
３…記憶部
５…表示部

Claims (7)

  1. 鋼材の破断起点を推定する鋼材破断起点推定方法において、
    コンピュータが、
    水素脆化により推定対象鋼材が破断したときの鋼材内の水素濃度分布を計算する第１のステップと、
    水素脆化により前記推定対象鋼材が破断するときの限界水素量を計算する第２のステップと、
    前記水素濃度分布を記憶部から読み出して、前記水素濃度分布から前記限界水素量の水素濃度が分布する鋼材内の位置を計算し、前記鋼材内の位置を前記推定対象鋼材の破断起点とする第３のステップと、
    を行うことを特徴とする鋼材破断起点推定方法。
  2. 前記第１のステップでは、
    水素は鋼材内で拡散するとみなし、鋼材内の水素量の経時変化から前記推定対象鋼材の水素拡散係数を計算し、前記水素拡散係数を用いた拡散方程式を用いて前記水素濃度分布を計算することを特徴とする請求項１に記載の鋼材破断起点推定方法。
  3. 前記第１のステップでは、一定の引張応力が与えられた状態で前記推定対象鋼材が破断したときの前記水素濃度分布を計算し、
    前記第２のステップでは、
    前記推定対象鋼材に水素を飽和するまでチャージして行われ、チャージした水素の量を変えて繰り返し行われた引張試験による破断時の引張応力の測定データを用いて、前記一定の引張応力に対応する水素量を計算し、当該水素量を局所的な前記限界水素量とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼材破断起点推定方法。
  4. 鋼材の破断起点を推定する鋼材破断起点推定装置において、
    水素脆化により推定対象鋼材が破断したときの鋼材内の水素濃度分布を計算する水素濃度分布計算部と、
    水素脆化により前記推定対象鋼材が破断するときの限界水素量を計算する局所限界水素量計算部と、
    前記水素濃度分布を記憶部から読み出して、前記水素濃度分布から前記限界水素量の水素濃度が分布する鋼材内の位置を計算し、前記鋼材内の位置を前記推定対象鋼材の破断起点とする破断起点推定部と、
    を備えることを特徴とする鋼材破断起点推定装置。
  5. 前記水素濃度分布計算部は、
    水素は鋼材内で拡散するとみなし、鋼材内の水素量の経時変化から前記推定対象鋼材の水素拡散係数を計算し、前記水素拡散係数を用いた拡散方程式を用いて前記水素濃度分布を計算することを特徴とする請求項４に記載の鋼材破断起点推定装置。
  6. 前記水素濃度分布計算部は、一定の引張応力が与えられた状態で前記推定対象鋼材が破断したときの前記水素濃度分布を計算し、
    前記局所限界水素量計算部は、
    前記推定対象鋼材に水素を飽和するまでチャージして行われ、チャージした水素の量を変えて繰り返し行われた引張試験による破断時の引張応力の測定データを用いて、前記一定の引張応力に対応する水素量を計算し、当該水素量を局所的な前記限界水素量とすることを特徴とする請求項４又は５に記載の鋼材破断起点推定装置。
  7. 請求項４乃至６のいずれかに記載の鋼材破断起点推定装置としてコンピュータを機能させることを特徴とする鋼材破断起点推定プログラム。
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