水素脆化の理解：原因、影響、防止策
水素脆化は、感受性のある金属が水素を吸収することで生じ、延性の喪失と耐荷重能力の低下をもたらします。脆化した材料の降伏応力以下の応力でも、クラック発生と壊滅的な脆性破壊を引き起こす可能性があります。水素脆化は、水素誘起割れまたは水素アタックとも呼ばれます。
常温では、水素原子が金属格子に吸収され、結晶粒を通じて拡散します。吸収された水素は原子状または結合した分子状のいずれかで存在し得ます。形態に関わらず、原子や分子が結合して金属結晶粒界に小さな気泡を形成します。これらの気泡は圧力集中器として働き、金属粒間の圧力を高めます。圧力は金属の延性を低下させるレベルまで上昇し、材料内部に微細なクラックを形成させます。この割れは粒界割れです。すなわち、クラックは金属結晶粒界に沿って成長します。（詳細：水素ブリスターと水素脆化：原因と防止策）
水素脆化による故障例を下図に示します。左画像は破断したクロムめっき鋼ボルトのマクロ視野、右画像は破断面の走査型電子顕微鏡像です。破断面のファセット状外観は粒界破壊を示唆しています。このボルトはクロム電気めっきプロセス中に脆化しました。
破断ボルトと破断面の走査型電子顕微鏡像。
水素脆化による故障には3つの必要要因があります。
- 感受性材料
- 水素を含む環境への曝露
- 残留および/または印加応力による引張応力の存在
高強度炭素鋼と低合金鋼が、水素脆化に対して最も脆弱な合金です。極限引張強度が1000 MPa未満、または硬度が30 HRC未満の鋼は、一般的に水素脆化感受性があるとは見なされません。（別の例：亜鉛における水素脆化問題：新ガイダンスの議論を参照）
水素は常温または高温で金属表面に侵入し拡散します。これはさまざまな製造・組立工程や運用中——金属が原子状または分子状水素と接触するあらゆる場所——で発生し得ます。
水素脆化を引き起こす可能性のあるプロセスには、リン酸塩処理、酸洗い、電気めっき、アーク溶接があります。これらのプロセスでは、材料による水素吸収の可能性があります。例えば、アーク溶接では、水分（溶接棒被覆材中など）から水素が放出されます。これを最小限に抑えるため、高強度鋼溶接には特殊な低水素系溶接棒が使用されます。
使用中、腐食、金属と酸の化学反応、または他の化学物質——特に硫化水素による硫化物応力割れ——の結果として水素が金属に導入されることがあります。
破壊を引き起こす応力としては、コンポーネント内の残留応力だけでも十分です。
水素脆化を回避するための対策には、水素曝露の低減、めっきおよび水素吸収を引き起こすその他のプロセス後のベーキングが含まれます。ベーキングにより水素が金属から拡散・放出されます。ベーキングが選択肢にない場合、より低強度の鋼を使用し、残留および印加応力を低減することが、水素脆化による破壊を回避するための可能な方法です。これらは、コンポーネントが使用中に水素吸収を引き起こす状況では最良の選択肢となり得ます。
本記事と画像は以前、 https://www.imetllc.com/hydrogen-embrittlement-steel/ に掲載されていました。許可を得て再掲載。Copyright Industrial Metallurgists, LLC.
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