JP5986126B2

JP5986126B2 - 水素脆化評価方法

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Publication number: JP5986126B2
Application number: JP2014042731A
Authority: JP
Inventors: 憲宏藤本; 齋藤　博之; 博之齋藤; 孝澤田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2016-09-06
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: JP2015169466A

Description

本発明は、鋼材における水素脆化を評価する水素脆化評価方法に関する。

鋼材は、ある使用環境において水素を含むと延性が失われ、強度が著しく低下する（非特許文献１参照）。この現象は、水素脆化と呼ばれている。鋼材の水素脆化特性の評価法の１つとして、試験片に水素を吸蔵させた状態で荷重をかけ、破断する最低荷重を比較する方法がある。破断しない荷重値を確認するための試験時間として、２００時間を推奨している例がある（非特許文献２参照）。水素脆化特性評価試験は、結果にばらつきがあり、ばらつきを抑えるために試験条件について議論がなされている（非特許文献２参照）。また、鋼材などに対して水素を吸蔵させる手法には、電位制御による陰極チャージ法がある（非特許文献３参照）。

南雲道彦他、「鋼の力学的挙動に及ぼす水素の影響」、鉄と鋼、第９巻、第１０号、２００４年。２０％チオシアン酸アンモニウム溶液中でのＰＣ鋼材の水素脆化試験方法、社団法人腐食防食協会、JSCE S 1201、２０１２年。 Y. HAGIHARA, "Evaluation of Delayed Fracture Characteristics of High-strength Bolt Steels by CSRT", ISIJ International, Vol. 2, No.2, pp.292-297, 2012. P. Ghods et al. , "Microscopic investigation of mill scale and its proposed effect on the variability of chloride-induced depassivation of carbon steel rebar", Corrosion Science, vol.53, pp.946-954, 2011. P. Ghods et al. , "Electrochemical investigation of chloride-induced depassivation of black steel rebar under simulated service conditions", Corrosion Science, vol.52, pp.1649-1659, 2010.

しかしながら、上述した鋼材の水素脆化評価では、評価に多大な時間を要すると言う問題があった。上述した水素脆化試験の結果にはばらつきが出るため、６回試験することが推奨されている。このため、破断しない荷重を確認するなどの評価を実施するためには、２００時間×６＝１２００時間を必要とすることになる。

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、より短時間で、鋼材の水素脆化評価が実施できるようにすることを目的とする。

本発明に係る水素脆化評価方法は、鋼材を電解質水溶液に浸漬し、鋼材が腐食しない電気化学条件で、電解質水溶液に浸漬している鋼材に負電位を印加して鋼材の表面に水素を発生させた状態で、鋼材に所定の荷重値の引っ張り荷重を第１の時間加え、引っ張り荷重を加えている時間の経過において鋼材に流れる電流密度の変化を測定して基準変化とする第１ステップと、鋼材と同じ組成の試験鋼材を電解質水溶液に浸漬し、電気化学条件で、電解質水溶液に浸漬している試験鋼材に負電位を印加して試験鋼材の表面に水素を発生させた状態で、試験鋼材に所定の荷重値の引っ張り荷重を、第１の時間より短い第２の時間加え、引っ張り荷重を加えている試験鋼材に流れる電流密度を測定して評価対象測定値とする第２ステップと、基準変化の第２の時間における値と評価対象測定値との比較により、試験鋼材の水素脆化を評価する第３ステップとを備え、第１の時間は、鋼材に負電位を印加して鋼材の表面に水素を発生させながら鋼材に所定の荷重値の引っ張り荷重を加えた状態で、鋼材が破断しない範囲の時間とする。

上記水素脆化評価方法において、電解質水溶液はアルカリ水溶液であればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、より短時間で、鋼材の水素脆化評価が実施できるようにな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脆化評価方法を説明するためのフローチャートである。図２は、本発明の水素脆化評価方法を実施するために用いる装置の構成を示す断面図である。図３は、定電位制御により鋼材に対して水素を吸蔵させながら引っ張り荷重を加えた状態における鋼材に流れる電流の時間変化を示す特性図である。図４は、本発明の実施例における引っ張り試験とともに実施している電流測定で測定された電流変化を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における水素脆化評価方法を説明するためのフローチャートである。

まず、ステップＳ１０１で、鋼材に負電位を印加して鋼材の表面に水素を発生させながら鋼材に所定の荷重値の引っ張り荷重を第１の時間加え、引っ張り荷重を加えている時間の経過において鋼材に流れる電流密度の変化を測定して基準変化とする（第１ステップ）。鋼材を電解質水溶液に浸漬し、鋼材が腐食しない電気化学条件で、電解質水溶液に浸漬している鋼材に負電位を印加して鋼材の表面に水素を発生させる。引っ張り荷重を加えてから上記水素の発生をさせてもよく、水素を発生させた状態としてから、引っ張り荷重を加えるようにしてもよい。

ここで、上述した負電位を印加して引っ張り荷重を加えている第１の時間は、鋼材に負電位を印加して鋼材の表面に水素を発生させながら鋼材に所定の荷重値の引っ張り荷重を加えた状態で、鋼材が破断しない範囲の時間とするとよい。また、加える引っ張り荷重は、対象とする鋼材の弾性領域応力範囲（降伏応力以下）とするとよい。

次に、ステップＳ１０２で、鋼材と同じ組成の試験鋼材を用意し、試験鋼材に上述と同じ負電位を印加して試験鋼材の表面に水素を発生させながら試験鋼材に上述と同じ所定の荷重値の引っ張り荷重を第２の時間加え、引っ張り荷重を加えている試験鋼材に流れる電流密度を測定して評価対象測定値とする（第２ステップ）。第２の時間が経過した時点で電流密度の測定を実施して評価対象測定値を得る。前述同様に、試験鋼材を電解質水溶液に浸漬し、試験鋼材が腐食しない電気化学条件で、電解質水溶液に浸漬している鋼材に負電位を印加して試験鋼材の表面に水素を発生させる。引っ張り荷重を加えてから上記水素の発生をさせてもよく、水素を発生させた状態としてから、引っ張り荷重を加えるようにしてもよい。例えば、鋼材（試験鋼材）の破壊荷重の０．９倍の荷重とした定荷重試験とすればよい。ここで、第２の時間は、第１の時間より短い条件とする。

以上のようにして基準変化および評価対象測定値が得られたら、ステップＳ１０３で、基準変化の第２の時間における値と評価対象測定値との比較により、試験鋼材の水素脆化を評価する（第３ステップ）。この評価では、第２の時間における評価対象測定値が、第２の時間における基準変化の電流密度より低い範囲となっていれば、試験鋼材は、基準変化の測定条件において、第１の時間が経過した後でも、水素脆化による破断が発生しないと判断する。

従来の評価においては、２００時間を推奨している例もあり（非特許文献２参照）、第１の時間を少なくとも１００時間とすることが必要とされている。このため、試験鋼材を評価する場合、試験鋼材毎に最低でも１００時間の試験時間を必要としていた。例えば、２つの試験鋼材を評価する場合、１００×２時間＝２００時間が必要となっていた。

これに対し、本発明によれば、試験鋼材の測定においては、第１の時間より短い第２の時間をかければよく、第２の時間は、１０時間程度で十分である。このため、例えば２つの試験鋼材を評価する場合、基準変化を求める時間を含め、１００時間＋１０×２時間＝１２０時間であればよく、より短時間で鋼材の水素脆化評価が実施できるようになる。

ここで、上述した測定は、例えば、図２に示す装置を用いて実施すればよい。この装置は、アクリル樹脂などから構成された容器２０１と、同様にアクリル樹脂から構成された蓋２０２と、容器２０１に収容された電解質溶液２０３とを備える。電解質溶液２０３は、例えば１％チオシアン酸アンモニウムを添加した０．１Ｍの水酸化ナトリウム水溶液である。電解質溶液２０３は、アルカリ水溶液であればよい。また、この装置は、電解質溶液２０３中に配置された参照極２０４，対極２０５を備える。参照極２０４は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）電極であり、対極２０５は、Ｐｔ電極である。また、対象となる鋼材２０６は、容器２０１の底部から蓋２０２を貫通して電解質溶液２０３に接触する状態とされている。

鋼材２０６は、直径９ｍｍ、長さ４５０ｍｍの棒状とし、容器２０１の底部の貫通部では、シリコーンゴムによる栓２０７により電解質溶液２０３が漏れないようにシールされている。また、参照極２０４は、蓋２０２を貫通して先端部が電解質溶液２０３に接触する状態としており、蓋２０２に栓２０８で固定されている。

この状態で、ポテンショスタット（不図示）を用い、鋼材２０６を作用極とし、参照極２０４および対極２０５を用いた３極構成で、鋼材２０６に、参照極２０４に対して負の電位を印加する。この電位印加により、電解質溶液２０３に触れている鋼材２０６の表面には、水素が発生する。印加する電位は、電解質溶液２０３に触れている鋼材２０６の表面が、腐食しない電気化学条件の電位とすればよい。また、このように電位を印加している状態で、対極２０５と鋼材２０６との間に流れる電流を測定し、鋼材２０６の寸法などにより、電流密度を得る。

本発明は、定電位制御により鋼材に対して水素を吸蔵させながら引っ張り荷重を加え、図３に示すように、予め決めた測定時間（ｔ₀）の電流値（ｉ₀）を読み取ることで、実施した試験条件で予め決めた試験時間内に破断するかどうかを早期に判断し、試験時間を飛躍的に短縮するようにしたものである。

以下、本発明の実施例について説明する。以下では、実施例として、引っ張り強度σＢ１４５０ＭＰａ、φ９ｍｍの一般的な高強度鋼（Ｆｅ−０．２５％Ｓｉ）を対象の鋼材として、本発明の水素脆化評価方法を実施した評価結果について説明する。

まず、１ｗｔ％チオシアン酸アンモニウムを添加した１ＭのＮａＨＣＯ₃水溶液を電解質水溶液として用いた。また、参照極として銀塩化銀電極、対極として白金線を用い、前述したように、鋼材（試験片）は作用極とした。これらの電極構成で、−１０００ｍＶｖｓ．ＳＳＥに電位を制御した。陰極チャージすることで試験片表面に水素を発生させる。これにより、試験片に水素が吸蔵（吸収）する状態となる。定荷重による引っ張り試験で加える荷重は、０．９０σＢ、０．８８σＢとし、各々の条件で３回ずつ測定を実施した。

以下の表１に、引っ張り試験の結果を示す。

表１に示すように、測定時間内に破断したのは、０．９０σＢでは３回中３回、０．８８σＢでは３回中１回であった。破断時間は、上記荷重条件の差により倍以上の差があることもあった。

次に、上述した引っ張り試験とともに実施している電流測定で測定された電流変化について図４に示す。いずれの試験片においても、測定時間とともに電流値が低下しているが、電流値は、試験片によって異なった。また、０．９０σＢの測定では、電流値が大きいほど定荷重測定の破断時間が短い。また、０．８８σＢの測定では、唯一破断したときの電流値は、３回の測定で最大であった。

これらのことから、同じ測定条件であれば、予め決めた測定時間において検出された電流値を、予め実施してある測定の電流値（基準値）と比較することで、以下の表２に示すように、より長い測定時間の後で破断するかしないかを判断することができると推察される。

結果が未破断になる測定は、従来では測定を最低１００時間継続しなければならないが、本発明により、測定中に読み取った電流値（電流密度）より、これまで未破断であったときの電流値の方が大きい場合に即座に未破断と判定し、測定を終了させることができ、飛躍的に測定時間を短縮することができる。電流値を読み取る測定時間については、予め決めることができるが、黒皮が形成されたままの試験片では、電位印加により黒皮がほとんど還元されるチャージ開始６時間後の電流値を読むとよい。

ここで、鉄筋コンクリートなどに用いられる鋼材の表面には、熱処理工程をしたときに黒皮と呼ばれる酸化膜が形成されている。この黒皮は、鋼材の化学組成が同一であっても、製造者によって厚さや均一性が異なり、必ずしも制御されているわけではない（非特許文献４参照）。このような状態の黒皮であるが、黒皮を研磨することにより、塩化物イオンに対する感受性が低下し、さらに評価結果も安定するとの報告がある（非特許文献５参照）。しかしながら、黒皮が形成されたままの試験片では従来技術に記載したとおり測定結果の変動が多く、条件によっては測定回数をさらに増やす必要があり、さらに測定時間が長期化する。これに対し、本発明によれば、測定時間の長期化が防げるようになる。

以上に説明したように、本発明によれば、水素を吸蔵させている状態で引っ張り試験を行う測定において、より短い測定時間の結果を、同じ測定時間における基準変化と比較するようにしたので、対象となる鋼材（試験鋼材）の評価を、より短い測定時間の結果で行えるようになる。このように、本発明によれば、より短時間で、鋼材の水素脆化評価が実施できるようになる。

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。例えば、第２の時間が経過した時点の電流密度に限るものではなく、第２の時間の間の電流密度の変化を評価対象測定値として用いるようにしてもよい。

２０１…容器、２０２…蓋、２０３…電解質溶液、２０４…参照極、２０５…対極、２０６…鋼材、２０７…栓、２０８…栓。

Claims

鋼材を電解質水溶液に浸漬し、前記鋼材が腐食しない電気化学条件で、前記電解質水溶液に浸漬している前記鋼材に負電位を印加して前記鋼材の表面に水素を発生させた状態で、前記鋼材に所定の荷重値の引っ張り荷重を第１の時間加え、引っ張り荷重を加えている時間の経過において前記鋼材に流れる電流密度の変化を測定して基準変化とする第１ステップと、
前記鋼材と同じ組成の試験鋼材を前記電解質水溶液に浸漬し、前記電気化学条件で、前記電解質水溶液に浸漬している前記試験鋼材に負電位を印加して前記試験鋼材の表面に水素を発生させた状態で、前記試験鋼材に前記所定の荷重値の引っ張り荷重を、前記第１の時間より短い第２の時間加え、引っ張り荷重を加えている前記試験鋼材に流れる電流密度を測定して評価対象測定値とする第２ステップと、
前記基準変化の前記第２の時間における値と前記評価対象測定値との比較により、前記試験鋼材の水素脆化を評価する第３ステップと
を備え、
前記第１の時間は、前記鋼材に前記負電位を印加して前記鋼材の表面に水素を発生させながら前記鋼材に前記所定の荷重値の引っ張り荷重を加えた状態で、前記鋼材が破断しない範囲の時間とする
ことを特徴とする水素脆化評価方法。
請求項１記載の水素脆化評価方法において、
前記電解質水溶液はアルカリ水溶液であることを特徴とする水素脆化評価方法。