JP6544220B2 - Hydrogen embrittlement evaluation apparatus and hydrogen embrittlement evaluation method - Google Patents
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Description
本発明は、水素脆性評価装置および水素脆性評価方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen embrittlement evaluation apparatus and a hydrogen embrittlement evaluation method.
高強度鋼、ニッケル合金またはチタン合金等の金属材料では、環境から侵入した水素により破壊が生じることが知られている（水素脆化）。このときの破壊形態は、結晶粒界での破壊となる場合が多い。また、介在物などの第２相と母相の境界（異相界面）が破壊起点になる場合も報告されている。したがって、耐水素脆化性を向上させるには、結晶粒界または異相界面の剥離強度に及ぼす水素の影響を評価する技術が必要とされている。なお、以下の説明において、結晶粒界（双晶界面、ランダム粒界等も含む。）および異相界面等の金属組織内に現れる境界面を総称して、「ミクロ組織界面」ということがある。 In metallic materials such as high strength steels, nickel alloys or titanium alloys, it is known that hydrogen intruding from the environment causes destruction (hydrogen embrittlement). The form of fracture at this time is often fracture at grain boundaries. In addition, it has also been reported that the boundary between the second phase such as inclusions and the parent phase (different phase interface) becomes the fracture origin. Therefore, in order to improve the resistance to hydrogen embrittlement, a technique for evaluating the influence of hydrogen on the peel strength of grain boundaries or heterophase interfaces is required. In the following description, boundaries appearing in the metal structure such as grain boundaries (including twin boundaries, random boundaries and the like) and heterophase interfaces are sometimes collectively referred to as “microstructure interface”.
例えば、特許文献１には、粒界を含む柱状の支持梁部を備えた測定用試験片に荷重を加えて曲げ試験を行い、測定用試験片が破壊された時の荷重から破壊特性を算出する結晶粒界破壊特性の測定方法が開示されている。
For example, in
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、主にセラミックス試料を対象としたものであり、水素脆化性の評価については一切検討がなされていない。
However, the method described in
本発明は、上記の問題を解決し、ミクロ組織界面の剥離強度に及ぼす水素の影響を評価することが可能な水素脆性評価装置および水素脆性評価方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a hydrogen embrittlement evaluation apparatus and a hydrogen embrittlement evaluation method capable of solving the above problems and evaluating the influence of hydrogen on the peel strength of a microstructure interface.
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、下記の水素脆性評価装置および水素脆性評価方法を要旨とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and the gist of the following hydrogen embrittlement evaluation apparatus and hydrogen embrittlement evaluation method.
（１）固定端から自由端に向かって一方向に延びる微小片持ち梁が形成された試験片の水素脆化特性を評価する装置であって、
前記試験片は、前記微小片持ち梁の前記固定端と前記自由端との間を通るミクロ組織界面を１つのみ有し、
前記ミクロ組織界面が前記一方向に略垂直であり、
前記微小片持ち梁は、前記試験片の表面に形成された上面を有し、
前記微小片持ち梁を電解液に浸漬する電解液槽と、
前記電解液に浸漬される対極と、
前記試験片と前記対極との間に電位差を生じさせる外部電源と、
前記上面の前記ミクロ組織界面より自由端側に、前記上面と略垂直な方向に荷重を負荷する圧子と、
前記圧子の変位および荷重を測定する測定部と、
を備える、水素脆性評価装置。
(1) An apparatus for evaluating hydrogen embrittlement characteristics of a test piece having a micro cantilever beam extending in one direction from a fixed end toward a free end,
The test piece has only one microstructure interface passing between the fixed end and the free end of the micro cantilever beam,
Said microstructure interface being substantially perpendicular to said one direction,
The micro cantilever has an upper surface formed on the surface of the test piece,
An electrolytic solution tank for immersing the micro cantilever beam in an electrolytic solution;
A counter electrode immersed in the electrolyte;
An external power supply that generates a potential difference between the test piece and the counter electrode;
An indenter for applying a load to the free end side of the upper surface from the microstructure interface in a direction substantially perpendicular to the upper surface;
A measuring unit that measures displacement and load of the indenter;
A hydrogen embrittlement evaluation device comprising:
（２）前記試験片が、前記微小片持ち梁の長さ方向中心点より固定端側に前記ミクロ組織界面を有する、上記（１）に記載の水素脆性評価装置。 (2) The hydrogen embrittlement evaluation apparatus according to (1), wherein the test piece has the microstructure interface on the fixed end side with respect to the center point in the lengthwise direction of the micro cantilever.
（３）前記上面と前記ミクロ組織界面との交線に沿って、前記交線の一端から他端まで延びるように切欠きが形成されている、上記（１）または（２）に記載の水素脆性評価装置。 (3) The hydrogen according to the above (1) or (2), wherein a notch is formed to extend from one end to the other end of the intersection along the intersection between the upper surface and the microstructure interface. Brittleness evaluation device.
（４）前記上面が鏡面加工されている、上記（１）から（３）までのいずれかに記載の水素脆性評価装置。 (4) The hydrogen embrittlement evaluation apparatus according to any one of (1) to (3), wherein the upper surface is mirror-finished.
（５）前記試験片に前記微小片持ち梁が複数形成され、
各微小片持ち梁を通る前記ミクロ組織界面が同一である、上記（１）から（４）までのいずれかに記載の水素脆性評価装置。
(5) A plurality of the micro cantilevers are formed on the test piece,
The hydrogen embrittlement evaluation apparatus according to any one of the above (1) to (4), wherein the microstructure interface passing through each micro cantilever is the same.
（６）前記圧子が球形圧子であり、前記球形圧子の先端の曲率半径が０．１〜１００μｍである、上記（１）から（５）までのいずれかに記載の水素脆性評価装置。 (6) The hydrogen embrittlement evaluation apparatus according to any one of (1) to (5), wherein the indenter is a spherical indenter and the radius of curvature of the tip of the spherical indenter is 0.1 to 100 μm.
（７）前記電解液槽が、底部に貫通孔を有し、前記貫通孔の裏面を囲繞するシール材を介して、前記試験片の前記表面の上に載せられ、前記微小片持ち梁を電解液に浸漬する、上記（１）から（６）までのいずれかに記載の水素脆性評価装置。 (7) The electrolytic solution bath has a through hole at the bottom, and is mounted on the surface of the test piece via a sealing material surrounding the back surface of the through hole, and the micro cantilever is electrolyzed. The hydrogen embrittlement evaluation apparatus in any one of said (1) to (6) which is immersed in liquid.
（８）前記試験片の温度を調整する温度調整部をさらに備える、上記（１）から（７）までのいずれかに記載の水素脆性評価装置。 (8) The hydrogen embrittlement evaluation apparatus according to any one of (1) to (7), further including a temperature control unit that adjusts the temperature of the test piece.
（９）試験片の水素脆化特性を評価する方法であって、
（ａ）固定端から自由端に向かって一方向に延び、前記試験片の表面に形成された上面を有する微小片持ち梁を、前記試験片が有するミクロ組織界面が前記固定端と前記自由端との間を１つのみ通り、かつ、前記ミクロ組織界面が前記一方向に略垂直となるように形成する工程と、
（ｂ）前記微小片持ち梁を電解液に浸漬する工程と、
（ｃ）前記試験片と、前記試験片と電気的に接続された対極との間に電位差を生じさせて、前記微小片持ち梁に電気化学的に水素を導入する工程と、
（ｄ）圧子を用いて、前記上面の前記ミクロ組織界面より自由端側に、前記上面と略垂直な方向に荷重を負荷する工程と、
（ｅ）前記圧子の変位および荷重を測定する工程と、
を備える、水素脆性評価方法。
(9) A method for evaluating hydrogen embrittlement characteristics of a test piece,
(A) A microcantilever beam extending in one direction from the fixed end toward the free end and having an upper surface formed on the surface of the test piece, wherein the microstructure interface of the test piece is the fixed end and the free end And forming the microstructure interface so as to be substantially perpendicular to the one direction.
(B) immersing the micro cantilever in an electrolytic solution;
(C) creating a potential difference between the test piece and a counter electrode electrically connected to the test piece to electrochemically introduce hydrogen into the micro cantilever beam;
(D) applying a load to the free end side of the upper surface from the microstructure interface in a direction substantially perpendicular to the upper surface using an indenter;
(E) measuring the displacement and load of the indenter;
A hydrogen embrittlement evaluation method comprising.
（１０）前記（ａ）の工程において、前記微小片持ち梁を形成する前に前記試験片の前記表面に対して鏡面加工を施す、上記（９）に記載の水素脆性評価方法。 (10) The hydrogen embrittlement evaluation method according to (9) above, wherein, in the step (a), the surface of the test piece is mirror-finished before the micro cantilever beam is formed.
（１１）前記（ａ）の工程において、前記上面と前記ミクロ組織界面との交線に沿って、前記交線の一端から他端まで延びるように切欠きを形成する、上記（９）または（１０）に記載の水素脆性評価方法。 (11) The process according to (9) or (9), wherein in the step (a), a notch is formed to extend from one end of the intersection line to the other end along the intersection line between the upper surface and the microstructure interface The hydrogen embrittlement evaluation method as described in 10).
（１２）前記（ａ）の工程において、前記試験片に複数の前記微小片持ち梁を、各微小片持ち梁を通る前記ミクロ組織界面が同一となるように形成する、上記（９）から（１１）までのいずれかに記載の水素脆性評価方法。 (12) In the step (a), a plurality of the micro cantilevers are formed on the test piece such that the microstructure interface passing through the micro cantilevers becomes the same. 11) The hydrogen embrittlement evaluation method according to any one of the above.
（１３）前記複数の微小片持ち梁のうちの一の微小片持ち梁について、前記（ａ）〜（ｅ）の工程を経て測定された変位および荷重と、
前記複数の微小片持ち梁のうちの他の微小片持ち梁について、前記（ａ）、（ｄ）および（ｅ）の工程によって測定された変位および荷重とを比較して、
試験片の水素脆化特性を評価する、上記（１２）に記載の水素脆性評価方法。
(13) The displacement and load measured through the steps (a) to (e) for one of the plurality of micro cantilevers;
Comparing the displacement and load measured by the steps (a), (d) and (e) for the other micro cantilever among the plurality of micro cantilevers,
The hydrogen embrittlement evaluation method as described in said (12) which evaluates the hydrogen embrittlement characteristic of a test piece.
（１４）前記複数の微小片持ち梁のうちの一の微小片持ち梁について、前記（ａ）〜（ｅ）の工程によって測定された変位および荷重と、
前記複数の微小片持ち梁のうちの他の微小片持ち梁について、前記（ａ）、（ｂ）、（ｄ）および（ｅ）の工程によって測定された変位および荷重とを比較して、
試験片の水素脆化特性を評価する、上記（１２）または（１３）に記載の水素脆性評価方法。
(14) The displacement and load measured in the steps (a) to (e) for one of the plurality of micro cantilevers;
Comparing the displacement and load measured by the steps (a), (b), (d) and (e) for other micro cantilevers among the plurality of micro cantilevers,
The hydrogen embrittlement evaluation method as described in said (12) or (13) which evaluates the hydrogen embrittlement characteristic of a test piece.
（１５）前記圧子の前記変位を制御することによって、試験片の水素脆化特性を評価する、上記（９）から（１４）までのいずれかに記載の水素脆性評価方法。 (15) The hydrogen embrittlement evaluation method according to any one of (9) to (14), wherein the hydrogen embrittlement property of the test piece is evaluated by controlling the displacement of the indenter.
（１６）前記圧子の前記荷重を制御することによって、試験片の水素脆化特性を評価する、上記（９）から（１４）までのいずれかに記載の水素脆性評価方法。 (16) The hydrogen embrittlement evaluation method according to any one of (9) to (14) above, wherein the hydrogen embrittlement property of the test piece is evaluated by controlling the load of the indenter.
本発明によれば、結晶粒界または異相界面等の境界面における剥離強度に及ぼす水素の影響を定量的に評価することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to quantitatively evaluate the influence of hydrogen on the peel strength at the interface such as grain boundary or heterophase interface.
添付した図面を参照して、本発明の一実施形態に係る水素脆性評価装置およびそれを用いた評価方法について、詳細に説明する。 A hydrogen embrittlement evaluation apparatus and an evaluation method using the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
図１は、本発明の一実施形態に係る水素脆性評価装置１００の一例を模式的に示した図である。また、図２に微小片持ち梁１０の形状を模式的に示す。本発明の一実施形態に係る水素脆性評価装置１００は、固定端１０ａから自由端１０ｂに向かって一方向（図２中におけるＡ方向）に延びる微小片持ち梁１０が形成された試験片１の水素脆化特性を評価する装置である。微小片持ち梁１０は試験片１の表面１ａに形成された上面１０ｃを有する。試験片１の材質については特に制限は設けず、例えば、鋼材、合金材等を用いることができる。
FIG. 1 is a view schematically showing an example of a hydrogen
図１に示すように、水素脆性評価装置１００は、電解液槽２と対極３と外部電源４と圧子５と測定部６とを備える。すなわち、本発明の一実施形態に係る評価方法では、上述の上面１０ｃを有する微小片持ち梁１０を形成した後（工程ａ）、微小片持ち梁１０を電解液槽２内の電解液２０に浸漬し（工程ｂ）、外部電源４を用いて試験片１と対極３との間に電位差を生じさせて、微小片持ち梁１０に電気化学的に水素を導入した状態において（工程ｃ）、上面１０ｃに対して、圧子５で上面１０ｃと略垂直な方向に荷重を負荷し（工程ｄ）、圧子５の変位および荷重を測定部６によって測定することで（工程ｅ）、試験片の水素脆化特性を評価することが可能である。各構成要素について以下に詳しく説明する。
As shown in FIG. 1, the hydrogen
図２に示すように、微小片持ち梁１０は、試験片１が有するミクロ組織界面１ｂが、固定端１０ａと自由端１０ｂとの間を１つのみ通り、かつ、ミクロ組織界面１ｂがＡ方向に略垂直となるように形成されている。試験片１が有するミクロ組織界面１ｂは、微小片持ち梁１０の長さ方向中心点より固定端１０ａ側に存在することが好ましく、固定端部に存在することがより好ましい。
As shown in FIG. 2, in the
ここで、本発明における「ミクロ組織界面」とは、鋼材または合金材等の金属組織内に現れる不連続面を意味し、例えば、結晶粒界（双晶界面、ランダム界面等を含む。）、異相界面等が含まれる。 Here, the "microstructure interface" in the present invention means a discontinuous surface appearing in a metal structure such as a steel material or an alloy material, and, for example, a grain boundary (including a twin interface, a random interface, etc.), It includes heterophase interfaces and the like.
微小片持ち梁１０を形成する方法について特に制限はないが、例えば、レーザー加工、集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工等を用いることができる。また、微小片持ち梁１０の断面形状についても特に制限は設けないが、上記の方法を用いて形成する場合、図２に示すように、下に凸の三角形にすると、加工時間を短縮できるため好ましい。
Although there is no restriction | limiting in particular about the method to form the
さらに、微小片持ち梁１０の寸法についても制限は設けない。上述のように、微小片持ち梁１０の固定端１０ａと自由端１０ｂとの間を通るミクロ組織界面１ｂが１つのみとなる必要があるため、試験片１の結晶粒径または介在物等の第２相の大きさに応じた寸法とすることが好ましい。
Furthermore, there is no restriction on the dimensions of the
曲げ試験の際にミクロ組織界面１ｂでの剥離が生じやすくなるように、上面１０ｃとミクロ組織界面１ｂとの交線に沿って、交線の一端から他端まで延びるように切欠き１０ｅが形成されていてもよい。切欠き１０ｅを形成する方法についても特に制限はなく、例えば、レーザー加工、ＦＩＢ加工等を用いることができる。
A
また、上面１０ｃは、鏡面加工されていることが好ましい。上面１０ｃに凹凸があると凹凸が割れ発生の起点になり、ミクロ組織界面１ｂの剥離強度を評価できないことがあるためである。試験片１の表面１ａを鏡面加工した上で微小片持ち梁１０を形成することによって、上面１０ｃを鏡面加工された面とすることができる。なお、鏡面加工する方法については特に制限はなく、アルミナ砥粒等を用いて研磨してもよいし、さらに電解研磨等を行ってもよい。
Moreover, it is preferable that the
電解液槽２は、微小片持ち梁１０を電解液２０に浸漬し、微小片持ち梁１０に電気化学的に水素を導入するためのものである。電解液槽２の構造について特に制限はないが、図１に示すように、底部に貫通孔２ａを有し、貫通孔２ａの裏面を囲繞するシール材２ｂを介して、試験片１の表面１ａの上に載せられ、微小片持ち梁１０を電解液２０に浸漬する構成とすることができる。
The
対極３は、電解液２０に浸漬され、試験片１と電気的に接続されている。そして、外部電源４を用いて試験片１と対極３との間に電位差を生じさせ、試験片１を対極３に対して負電位にすることによって、微小片持ち梁１０に電気化学的に水素を導入する。対極３の材質について特に制限はないが、例えば白金を用いることができる。
The
図１に示すように、必要に応じて、参照極７を対極３とともに電解液２０に浸漬させてもよい。対極３のみでは電流制御でしか微小片持ち梁１０に水素を導入できないが、参照極７を用いることによって、電位制御でも水素を導入することが可能となる。なお、水素を導入するタイミングについては特に制限はない。例えば、曲げ試験を行う前から水素を導入しておいてもよいし、微小片持ち梁に荷重を負荷しておき、その後、水素を導入してもよい。
As shown in FIG. 1, the reference electrode 7 may be immersed in the
試験片１、対極３および参照極７はそれぞれ導線４０を介して外部電源４に接続されている。水素の導入を電位制御で行う場合には、外部電源４にポテンショスタットを用いる。一方、水素の導入を電流制御で行う場合には、外部電源４にガルバノスタットを用い、参照極７は省略する。
The
そして、圧子５を用いて微小片持ち梁１０の上面１０ｃに対して、上面１０ｃと略垂直な方向に荷重を負荷することによって、曲げ試験を実施する。ミクロ組織界面１ｂにおける剥離強度を評価することを目的としているため、上面１０ｃのミクロ組織界面１ｂより自由端１０ｂ側に荷重を負荷する必要がある。
Then, a load is applied to the
圧子５の先端形状について特に制限はないが、例えば、先端の曲率半径が０．１〜１００μｍである球形圧子を用いることが好ましい。先端の曲率半径が０．１μｍ未満であると表面１ａの圧子接触部が局所的に塑性変形してしまい、精確に微小片持ち梁１０のたわみ量を得られないおそれがあり、１００μｍを超えると表面１ａの意図した位置に精度よく圧子５を押込めないおそれがあるためである。また、圧子５の材質についても特に制限はなく、例えば、ダイヤモンド製またはセラミックス製の圧子を用いることができる。
Although there is no restriction | limiting in particular about the tip shape of the
曲げ試験の際の圧子５の変位および荷重は、測定部６によって測定される。そして、得られた荷重−圧子変位曲線に基づき、ミクロ組織界面１ｂの剥離強度に及ぼす水素の影響を評価する。曲げ試験は、圧子の変位を制御することによって行ってもよいし、荷重を制御することによって行ってもよい。
The displacement and load of the
具体的には、変位制御を採用する場合、例えば、荷重を測定しながら所定の速度で圧子を変位させ、荷重に急激または不連続な低下が生じた時点で、ミクロ組織界面で剥離が発生したと判断することができる。また、荷重制御を採用する場合、例えば、図３に示すように一定値の荷重を負荷した状態で圧子の変位を測定し、変位に急激または不連続な増加が生じた時点で、ミクロ組織界面で剥離が発生したと判断することができる。 Specifically, in the case of employing displacement control, for example, the indenter is displaced at a predetermined speed while measuring the load, and exfoliation occurs at the microstructure interface at the time when the load suddenly or discontinuously decreases. It can be judged. When load control is employed, for example, as shown in FIG. 3, the displacement of the indenter is measured under a load of a fixed value, and when a sudden or discontinuous increase occurs in the displacement, the microstructure interface It can be determined that peeling has occurred.
なお、本発明の一実施形態に係る装置は、試験片１の温度を調整する図示しない温度調整部をさらに備えていてもよい。温度調整部を備えることによって、全ての実験において温度を同一として、実験条件を揃えたり、または、温度を変えて種々の実験を繰り返すことによって、ミクロ組織界面１ｂの剥離強度に及ぼす温度の影響を評価したりすることが可能となる。
In addition, the apparatus which concerns on one Embodiment of this invention may further be equipped with the temperature control part which is not shown in figure which adjusts the temperature of the
試験片１の表面１ａには、微小片持ち梁１０が複数形成されていてもよい。複数の微小片持ち梁１０について上記の曲げ試験を実施することによって、例えば、同一の実験を複数回実施した場合における結果のばらつきを調査して分析精度の検証を行ったり、または、異なる環境下での試験結果を比較することで、水素の影響をより詳細に評価したりすることが可能となる。ただし、複数の微小片持ち梁１０を形成する場合には、実験条件を統一するため、各微小片持ち梁１０を通るミクロ組織界面１ｂが同一の境界面となるようにする必要がある。
Multiple
例えば、上記のように複数の微小片持ち梁を形成した場合においては、そのうちの１つの微小片持ち梁については、電解液に浸漬し水素を導入した状態（上記の工程ａ〜ｅを経た状態）で曲げ試験を実施し、他の微小片持ち梁については、大気中（上記の工程ａ、ｄおよびｅを経た状態）または電解液に浸漬するだけで水素を導入しない状態（上記の工程ａ、ｂ、ｄおよびｅを経た状態）で曲げ試験を実施し、それぞれの試験で測定された変位および荷重を比較することによって試験片の水素脆化特性をより詳細に評価することが可能となる。 For example, in the case where a plurality of micro cantilevers are formed as described above, one of the micro cantilevers is immersed in an electrolytic solution and hydrogen is introduced (a state after the above steps a to e) The bending test is carried out, and for the other micro cantilever beams, a state in which hydrogen is not introduced without being introduced into the air (in the above steps a, d and e) or in the electrolyte (step a above) , B, d and e) to evaluate the hydrogen embrittlement characteristics of the test piece in more detail by comparing the displacement and load measured in each test. .
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be more specifically described by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.
表１の化学組成を有するＪＩＳ ＳＣＭ４３５鋼の旧オーステナイト（γ）粒界、ならびにＪＩＳ ＳＵＳ３１６Ｌ鋼およびＮｉ−Ｃｒ合金の双晶界面について、剥離強度に及ぼす水素の影響を評価した。ＳＣＭ４３５鋼は旧γ粒径が４０μｍで引張強度が１４８８ＭＰａのものを、ＳＵＳ３１６Ｌ鋼は粒径が２０μｍで引張強度が５９５ＭＰａのものを、そして、Ｎｉ−Ｃｒ合金は粒径が５０μｍで引張強度が６００ＭＰａのものを用いた。各試験片の測定面は、アルミナ砥粒で鏡面研磨後、さらに電解研磨で平坦化した。 The influence of hydrogen on the peel strength was evaluated for the prior austenite (γ) grain boundary of JIS SCM 435 steel having the chemical composition of Table 1 and the twin interface of JIS SUS 316 L steel and Ni—Cr alloy. SCM 435 steel has a former γ grain size of 40 μm and a tensile strength of 1488 MPa, SUS316L steel has a grain size of 20 μm and a tensile strength of 595 MPa, and a Ni-Cr alloy has a grain size of 50 μm and a tensile strength of 600 MPa The one of The measurement surface of each test piece was mirror-polished with alumina abrasives and then planarized by electropolishing.
電子線後方散乱回折およびＦＩＢ装置を用いて、試験片の表面と垂直に交差する旧γ粒界・双晶界面を探した。そして、それぞれの試験片について、ＦＩＢ装置を用いて、同一の旧γ粒界・双晶界面のみが含まれるように複数の微小片持ち梁を加工した。加工した微小片持ち梁の寸法を図４に示す。微小片持ち梁の自由端から固定端までの長さは４．９μｍとし、微小片持ち梁の断面形状は底辺２．５μｍ、高さ１．２５μｍの直角三角形とした。また、旧γ粒界・双晶界面と微小片持ち梁の固定端との距離は０．９μｍとし、微小片持ち梁への切欠きの付与はなしとした。 Electron backscattering diffraction and FIB equipment were used to search for old gamma grain boundaries / twin interfaces perpendicular to the surface of the specimen. Then, for each of the test pieces, a plurality of micro cantilevers were processed using an FIB apparatus so as to include only the same old γ grain boundary / twin interface. The dimensions of the processed micro cantilever are shown in FIG. The length from the free end of the microcantilever to the fixed end was 4.9 μm, and the cross-sectional shape of the microcantilever was a right triangle having a base of 2.5 μm and a height of 1.25 μm. In addition, the distance between the old γ grain boundary / twin interface and the fixed end of the micro cantilever was 0.9 μm, and no notch was added to the micro cantilever.
試験片への水素の導入は電解液に白金の対極を浸漬することで行った。電流密度は５．１Ａ／ｍ２とし、試験前に２０分間、水素を事前導入した。また、圧子には、先端の曲率半径が１μｍのダイヤモンド製の球形圧子を用いた。微小片持ち梁の先端から１μｍの梁の中央部に、３３ｎｍ／ｓの速度で、変位制御で、最大変位２μｍまで圧子を押込み、押込み荷重と圧子変位の関係を測定した。曲げ試験はそれぞれの試験片において、大気雰囲気および水素導入下で実施した。 Hydrogen was introduced into the test piece by immersing a platinum counter electrode in the electrolyte. The current density was 5.1 A / m 2 and hydrogen was preintroduced for 20 minutes before the test. In addition, as the indenter, a spherical indenter made of diamond having a tip radius of curvature of 1 μm was used. An indenter was pushed into the central part of a 1 μm beam from the tip of a micro cantilever beam at a velocity of 33 nm / s to a maximum displacement of 2 μm by displacement control, and the relationship between indented load and indenter displacement was measured. The bending test was performed on each test piece under an air atmosphere and hydrogen introduction.
表２に曲げ試験によるき裂発生の有無を示す。ＳＣＭ４３５鋼では、大気雰囲気で曲げを付与した場合には、最大変位までき裂の発生は認められず、水素導入下で曲げを付与した場合には、弾性領域で旧γ粒界にき裂が発生した。一方、ＳＵＳ３１６Ｌ鋼およびＮｉ−Ｃｒ合金では、大気雰囲気および水素導入下の双方において最大変位までき裂の発生は認められなかった。このように、ＳＣＭ４３５鋼の旧γ粒界は、水素により剥離強度が低下することが判明した。また、ＳＵＳ３１６Ｌ鋼およびＮｉ−Ｃｒ合金の双晶界面は、水素導入下でも十分に高い剥離強度を有することが判明した。 Table 2 shows the presence or absence of a crack by the bending test. In the case of SCM 435 steel, when bending is applied in the atmosphere, generation of cracks is not observed up to the maximum displacement, and when bending is applied under hydrogen introduction, cracks occur in the old γ grain boundaries in the elastic region. Occurred. On the other hand, in the case of SUS316L steel and Ni-Cr alloy, no crack was observed up to the maximum displacement both in the air atmosphere and under hydrogen introduction. Thus, it was found that hydrogen reduces the peel strength of the old γ grain boundary of SCM 435 steel. Moreover, it turned out that the twin interface of SUS316L steel and a Ni-Cr alloy has sufficiently high exfoliation strength, even under hydrogen introduction.
続いて、上記のＮｉ−Ｃｒ合金を用いて、水素導入下での荷重−圧子変位曲線が精確に測定されているか検討するため、ヤング率を計算し確認を行った。さらに、曲げ試験時に双晶界面に働く最大応力を計算し、双晶界面の剥離強度を調査した。ここで、図５を参照して、微小片持ち梁のたわみ量δ、ヤング率Ｅｒおよび荷重Ｗには、下記（ｉ）式で示される関係がある。 Then, in order to investigate whether the load-indenter displacement curve under hydrogen introduction was measured accurately using said Ni-Cr alloy, Young's modulus was calculated and confirmed. Furthermore, the maximum stress acting on the twin interface during bending test was calculated, and the peel strength of the twin interface was investigated. Here, referring to FIG. 5, the deflection amount δ, the Young's modulus E r and the load W of the microcantilever have a relationship represented by the following equation (i).
上記（ｉ）式において、Ｌは圧子の押込み位置から微小片持ち梁の固定端までの距離であり、Ｉは微小片持ち梁の断面２次モーメントである。Ｉは、底辺ａ、高さｂの三角形状の断面では、下記（ii）式で与えられる。 In the equation (i), L is the distance from the indented position of the indenter to the fixed end of the micro cantilever, and I is the moment of inertia of area of the micro cantilever. In the triangular cross section of base a and height b, I is given by the following equation (ii).
また、微小片持ち梁内の双晶界面に働く引張応力は、梁の表面で最大となり、この最大応力σｍａｘは、下記（iii）式で与えられる。 The tensile stress acting on the twin interface in the microcantilever beam is maximum at the surface of the beam, and this maximum stress σ max is given by the following equation (iii).
なお、上記（iii）式において、Ｌ’は圧子の押込み位置から双晶界面までの距離である。 In equation (iii), L 'is the distance from the indentation position of the indenter to the twin interface.
図６に、水素導入下で測定されたＮｉ−Ｃｒ合金の荷重−圧子変位曲線を示す。荷重が２００μＮ未満では弾性変形となり、荷重は圧子変位に対して線形的に変化していることが分かる。 FIG. 6 shows the load-indenter displacement curve of the Ni-Cr alloy measured under hydrogen introduction. It can be seen that when the load is less than 200 μN, elastic deformation occurs and the load changes linearly with indenter displacement.
荷重−圧子変位曲線の弾性領域の勾配（１７３０μＮ／μｍ）、および片持ち梁の形状（ａ＝２．５μｍ、ｂ＝１．２５μｍ、Ｌ＝３．９μｍ、Ｌ´＝３μｍ）より、ヤング率の値は２５２ＧＰａと計算された。これは、既知のＮｉのヤング率（２００ＧＰａ）とＣｒのヤング率（２７９ＧＰａ）に近い値であり、水素下において精確に荷重−圧子変位曲線が得られていることが確認された。 Young's modulus from the gradient (1730 μN / μm) of the elastic region of the load-indentor displacement curve and the shape of the cantilever (a = 2.5 μm, b = 1.25 μm, L = 3.9 μm, L ′ = 3 μm) The value of was calculated to be 252 GPa. This is a value close to the known Young's modulus (200 GPa) of Cr and the Young's modulus of Cr (279 GPa), and it was confirmed that a load-indenter displacement curve was accurately obtained under hydrogen.
さらに、曲げ試験時の弾性限界の荷重（２００μＮ）から、曲げ試験中に双晶界面に働く最大応力は、１８４３ＭＰａ以上と計算された。水素下のＮｉ−Ｃｒ合金の双晶界面の剥離強度は１８４３ＭＰａ以上であり、双晶界面が剥離するより先に結晶粒内の塑性変形が生じることが判明した。 Furthermore, from the elastic limit load (200 μN) during the bending test, the maximum stress acting on the twin interface during the bending test was calculated to be 1843 MPa or more. The peel strength of the twin interface of the Ni-Cr alloy under hydrogen was 1843 MPa or more, and it was found that plastic deformation in the grains occurs before the twin interface peels off.
実施例１と同様に、表１の化学組成を有するＪＩＳ ＳＣＭ４３５鋼の旧オーステナイト（γ）粒界およびＮｉ−Ｃｒ合金の双晶界面について、剥離強度に及ぼす水素の影響を評価した。ＳＣＭ４３５鋼は旧γ粒径が４０μｍで引張強度が１４８８ＭＰａのものを、Ｎｉ−Ｃｒ合金は粒径が５０μｍで引張強度が６００ＭＰａのものを用いた。各試験片の測定面は、アルミナ砥粒で鏡面研磨後、さらに電解研磨で平坦化した。 Similar to Example 1, the influence of hydrogen on the peel strength was evaluated for the prior austenite (γ) grain boundary of JIS SCM 435 steel having the chemical composition of Table 1 and the twin interface of the Ni—Cr alloy. The SCM 435 steel used had a former γ grain size of 40 μm and a tensile strength of 1488 MPa, and the Ni-Cr alloy used a grain size of 50 μm and a tensile strength of 600 MPa. The measurement surface of each test piece was mirror-polished with alumina abrasives and then planarized by electropolishing.
そして、試験片の表面と垂直に交差する旧γ粒界・双晶界面を探した後、それぞれの試験片について、ＦＩＢ装置を用いて、同一の旧γ粒界・双晶界面のみが含まれるように複数の微小片持ち梁を加工した。加工した微小片持ち梁の寸法を図７に示す。微小片持ち梁の自由端から固定端までの長さは１５μｍとし、微小片持ち梁の断面形状は底辺４μｍ、高さ２μｍの直角三角形とした。また、旧γ粒界・双晶界面と微小片持ち梁の固定端との距離は２μｍとした。そして、微小片持ち梁の上面とミクロ組織界面との交線に沿って、交線の一端から他端まで延びるように、幅が約１００ｎｍ、深さが約１５０ｎｍの矩形状の切欠きを形成した。微小片持ち梁は同一のミクロ組織界面に複数加工した。 Then, after searching for the previous γ grain boundary / twin interface perpendicular to the surface of the test piece, only the same previous γ grain boundary / twin interface is included using an FIB apparatus for each test piece I processed several micro cantilevers. The dimensions of the processed microcantilever are shown in FIG. The length from the free end to the fixed end of the micro cantilever is 15 μm, and the cross sectional shape of the micro cantilever is a right triangle having a base of 4 μm and a height of 2 μm. In addition, the distance between the old γ grain boundary / twin interface and the fixed end of the micro cantilever is 2 μm. Then, along the line of intersection between the top surface of the microcantilever and the microstructure interface, a rectangular notch having a width of about 100 nm and a depth of about 150 nm is formed to extend from one end of the intersection to the other end. did. The micro-cantilever was processed multiple times at the same microstructure interface.
試験片への水素の導入は電解液に白金の対極を浸漬することで行った。電解液にはホウ酸緩衝液（ｐＨ：８．６）を用い、電流密度は５．１Ａ／ｍ２とした。また、圧子には、先端の曲率半径が１μｍのダイヤモンド製の球形圧子を用いた。微小片持ち梁の先端から３μｍの梁の中央部に、荷重制御で圧子を押込み、押込み荷重と圧子変位の関係を測定した。押込み荷重は、それぞれ微小片持ち梁の弾性限界の３０％、６０％および９０％の一定値とし、最長２時間保持した。曲げ試験はそれぞれの試験片において、大気雰囲気および水素導入下で実施した。水素の導入は曲げ試験の２０分前より開始した。
Hydrogen was introduced into the test piece by immersing a platinum counter electrode in the electrolyte. A boric acid buffer solution (pH: 8.6) was used as the electrolytic solution, and the current density was 5.1 A / m 2 . In addition, as the indenter, a spherical indenter made of diamond having a tip radius of curvature of 1 μm was used. An indenter was pressed under load control into the central portion of the
図８に水素導入下で測定されたＳＣＭ４３５鋼およびＮｉ−Ｃｒ合金の荷重と剥離時間との関係を示す。なお、剥離時間とは、荷重の保持開始からミクロ組織界面の剥離が生じるまでの経過時間である（図５においてΔｔで示す。）。Ｎｉ−Ｃｒ合金の双晶界面では、いずれの荷重においても、荷重負荷から２時間以内に剥離は認められなかった。一方、ＳＣＭ４３５鋼の旧γ粒界では、降伏荷重の６０％と９０％の荷重において剥離が認められた。また、図示してはいないが、大気中では、Ｎｉ−Ｃｒ合金の双晶界面もＳＣＭ４３５鋼の旧γ粒界も、２時間以内に剥離は認められなかった。水素脆化の１つの発生形態に、水素を導入した金属材料に静的な弾性荷重を負荷したとき、一定時間経過した後に突然破壊が生じる現象（遅れ破壊）がある。測定された剥離時間より、Ｎｉ−Ｃｒ合金の双晶界面は、遅れ破壊への寄与は低く、ＳＣＭ４３５鋼の旧γ粒界は遅れ破壊への寄与が高いことが判明した。本発明によりミクロ組織界面の剥離に至るまでの経過時間を測定でき、本発明が耐水素脆化性（耐遅れ破壊性）の評価に役立つことが示された。 FIG. 8 shows the relationship between the load of the SCM 435 steel and the Ni-Cr alloy and the peeling time measured under hydrogen introduction. The peeling time is an elapsed time from the start of holding of the load to the peeling of the microstructure interface (indicated by Δt in FIG. 5). At the twin interface of the Ni-Cr alloy, no peeling was observed within 2 hours of the load at any load. On the other hand, in the former γ grain boundary of SCM 435 steel, peeling was observed at loads of 60% and 90% of the yield load. Further, although not shown in the drawings, in the atmosphere, neither the twin interface of the Ni—Cr alloy nor the old γ grain boundary of the SCM 435 steel was found to be exfoliated within 2 hours. One of the generation modes of hydrogen embrittlement is a phenomenon (delayed fracture) in which a sudden failure occurs after a certain time period when a static elastic load is applied to a metal material into which hydrogen is introduced. From the measured peeling time, it was found that the twin interface of the Ni-Cr alloy has a low contribution to the delayed fracture, and the old γ grain boundary of the SCM 435 steel has a high contribution to the delayed fracture. According to the present invention, it is possible to measure the elapsed time until peeling of the microstructure interface, and it has been shown that the present invention is useful for evaluation of hydrogen embrittlement resistance (delayed fracture resistance).
本発明によれば、結晶粒界または異相界面等の境界面における剥離強度に及ぼす水素の影響を定量的に評価することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to quantitatively evaluate the influence of hydrogen on the peel strength at the interface such as grain boundary or heterophase interface.
１．試験片
１ａ．表面
１ｂ．ミクロ組織界面
２．電解液槽
２ａ．貫通孔
２ｂ．シール材
３．対極
４．外部電源
５．圧子
６．測定部
７．参照極
１０．微小片持ち梁
１０ａ．固定端
１０ｂ．自由端
１０ｃ．上面
１０ｅ．切欠き
２０．電解液
４０．導線
１００．水素脆性評価装置
1.
Claims (16)
前記試験片は、前記微小片持ち梁の前記固定端と前記自由端との間を通るミクロ組織界面を１つのみ有し、
前記ミクロ組織界面が前記一方向に略垂直であり、
前記微小片持ち梁は、前記試験片の表面に形成された上面を有し、
前記微小片持ち梁を電解液に浸漬する電解液槽と、
前記電解液に浸漬される対極と、
前記試験片と前記対極との間に電位差を生じさせる外部電源と、
前記上面の前記ミクロ組織界面より自由端側に、前記上面と略垂直な方向に荷重を負荷する圧子と、
前記圧子の変位および荷重を測定する測定部と、
を備える、水素脆性評価装置。 An apparatus for evaluating the hydrogen embrittlement characteristics of a test piece in which a micro cantilever beam extending in one direction from a fixed end to a free end is formed,
The test piece has only one microstructure interface passing between the fixed end and the free end of the micro cantilever beam,
Said microstructure interface being substantially perpendicular to said one direction,
The micro cantilever has an upper surface formed on the surface of the test piece,
An electrolytic solution tank for immersing the micro cantilever beam in an electrolytic solution;
A counter electrode immersed in the electrolyte;
An external power supply that generates a potential difference between the test piece and the counter electrode;
An indenter for applying a load to the free end side of the upper surface from the microstructure interface in a direction substantially perpendicular to the upper surface;
A measuring unit that measures displacement and load of the indenter;
A hydrogen embrittlement evaluation device comprising:
各微小片持ち梁を通る前記ミクロ組織界面が同一である、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の水素脆性評価装置。 A plurality of the micro cantilevers are formed on the test piece,
The hydrogen embrittlement evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the microstructure interface passing through each micro cantilever is identical.
（ａ）固定端から自由端に向かって一方向に延び、前記試験片の表面に形成された上面を有する微小片持ち梁を、前記試験片が有するミクロ組織界面が前記固定端と前記自由端との間を１つのみ通り、かつ、前記ミクロ組織界面が前記一方向に略垂直となるように形成する工程と、
（ｂ）前記微小片持ち梁を電解液に浸漬する工程と、
（ｃ）前記試験片と、前記試験片と電気的に接続された対極との間に電位差を生じさせて、前記微小片持ち梁に電気化学的に水素を導入する工程と、
（ｄ）圧子を用いて、前記上面の前記ミクロ組織界面より自由端側に、前記上面と略垂直な方向に荷重を負荷する工程と、
（ｅ）前記圧子の変位および荷重を測定する工程と、
を備える、水素脆性評価方法。 A method of evaluating hydrogen embrittlement characteristics of a test specimen, comprising
(A) A microcantilever beam extending in one direction from the fixed end toward the free end and having an upper surface formed on the surface of the test piece, wherein the microstructure interface of the test piece is the fixed end and the free end And forming the microstructure interface so as to be substantially perpendicular to the one direction.
(B) immersing the micro cantilever in an electrolytic solution;
(C) creating a potential difference between the test piece and a counter electrode electrically connected to the test piece to electrochemically introduce hydrogen into the micro cantilever beam;
(D) applying a load to the free end side of the upper surface from the microstructure interface in a direction substantially perpendicular to the upper surface using an indenter;
(E) measuring the displacement and load of the indenter;
A hydrogen embrittlement evaluation method comprising.
前記複数の微小片持ち梁のうちの他の微小片持ち梁について、前記（ａ）、（ｄ）および（ｅ）の工程によって測定された変位および荷重とを比較して、
試験片の水素脆化特性を評価する、請求項１２に記載の水素脆性評価方法。 The displacement and load measured through the steps (a) to (e) for one of the plurality of microcantilever beams;
Comparing the displacement and load measured by the steps (a), (d) and (e) for the other micro cantilever among the plurality of micro cantilevers,
The hydrogen embrittlement evaluation method of Claim 12 which evaluates the hydrogen embrittlement characteristic of a test piece.
前記複数の微小片持ち梁のうちの他の微小片持ち梁について、前記（ａ）、（ｂ）、（ｄ）および（ｅ）の工程によって測定された変位および荷重とを比較して、
試験片の水素脆化特性を評価する、請求項１２または請求項１３に記載の水素脆性評価方法。 Displacement and load measured by the steps (a) to (e) of one of the plurality of micro cantilevers;
Comparing the displacement and load measured by the steps (a), (b), (d) and (e) for other micro cantilevers among the plurality of micro cantilevers,
The hydrogen embrittlement evaluation method of Claim 12 or 13 which evaluates the hydrogen embrittlement characteristic of a test piece.
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