Abstract: 本稿は炭素鋼の水素脆化について述べたものである。

水素脆化とは、金属が水素原子または分子を吸収することにより、延性を失い、耐荷重性が低下することである。

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Embrittlement process
室温で、水素原子は炭素鋼合金の中に吸収されることがあります。 吸収された水素は、原子状または分子状で存在することがあります。 十分な時間があれば、水素は金属粒界まで拡散し、金属粒界に気泡を形成する。 この気泡が金属粒に圧力をかける。

Situation leading to hydrogen absorption

室温でも水素は鋼中に侵入し拡散することがあります。 これは、さまざまな製造および組み立て作業、または操作上の使用中、つまり金属が原子状または分子状の水素と接触する場所であればどこでも起こりうる

水素の吸収の可能性があるプロセスには、酸洗および電気めっきが含まれる。 酸洗浴には水素が含まれる。 電気めっきでは、めっきされる金属の表面で水素が発生する。 酸洗は鋼材表面の酸化スケールを除去するために用いられ、電気めっきは鋼材のガルバニック腐食防止のために鋼材のナット、ボルト、ネジなどの締結部品に亜鉛を付着させるために一般的に用いられている。

水素吸収は、部品が使用中に酸にさらされたり、鋼の腐食が起こったりした場合にも起こります。

粒界破壊

水素脆性による破壊例を下の図に示します。 左は亜鉛メッキされた鋼製ボルトの破断面をマクロ的に見たものである。 右は破断面の走査型電子顕微鏡像です。 この画像では、金属の破断面の個々の粒が確認でき、粒界破壊であることが分かります。

粒界割れは、金属中の弱くなった粒界に沿って亀裂が発生し成長することで起こります。 水素脆化の場合、粒界の水素バブルが金属を弱める。

水素脆化による破壊の要件

水素脆化による破壊の要件は3つある：

• 感受性材料
• 水素を含む環境への暴露
• 部品に引張り応力が存在すること水素脆化した部品に、引張り応力が存在すること

  水素脆化した部品は、引張り応力が存在しない。

引張強度が約145ksi（1000MPa）以上の高強度鋼は、水素脆化に対して最も脆弱な合金である。

先に述べたように、水素への暴露は酸洗や電気めっきなどの表面仕上げ工程で、また鋼が酸にさらされたり腐食が発生したりすると使用中に起こる。

破壊を引き起こすストレスについては、部品内の引張残留ストレスでさえ、脆化材料の破壊を引き起こすのに十分であると考えられる。

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Preventing hydrogen embrittlement

水素脆化を避けるための措置としては、電気めっきなど水素吸収につながる処理を行った後に水素暴露やベーキングを減らすことが挙げられます。 電気メッキ部品の水素脆化は、電気メッキ処理後数時間以内に375～430°F（190～220℃）でベーキングすることにより防止できる。

部品が使用されている間に水素吸収がある用途では、低強度鋼の使用と残留応力および付加応力の低減が、水素脆性による破壊を回避する方法です。

• ASTM F1940 Standard Test Method for Process Control Verification to Prevent Hydrogen Embrittment in Plated or Coated Fasteners
• ASTM F519 Standard Test Method for Mechanical Hydrogen Embrittment Evaluation of Plating Processes and Service Environments

これらの試験について、2点紹介します。