材料の性質と用語 | ものづくりの解説書

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【スーパー鉄鋼材料】ハイテンとは？どんな材料なのか徹底解説！

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遅れ破壊とは？
どんな部品で起こる？
遅れ破壊が起こる条件
遅れ破壊の発生メカニズム
1. 水素の侵入経路
遅れ破壊の対策
おわりに

遅れ破壊とは？

遅れ破壊とは、材料や部品がある時間経過後に突然破壊する現象のことです。

その名の通り、材料や部品を使用し始めてから遅れて破壊がやってくるため、遅れ破壊と呼ばれています。英語では「Delayed Fracture」と呼ばれます。

金属材料の破壊は普通、材料に急速な衝撃荷重が加わったときや、変動荷重によって疲労したときなどに起こります。

後者の破壊は「疲労破壊」と呼ばれており、金属材料の代表的な破壊現象として知られています。材料に繰り返し変動荷重が加わることで材料の弱い部分からき裂が発生し、き裂が広がることで起こります。

遅れ破壊と疲労破壊はどちらも時間が経ってから生じるため、似ている現象と言えます。

しかし大きな違いは、遅れ破壊は静的な負荷条件で生じるという点です。

材料に負荷している荷重が一定で変動性がないのに、材料がもろくなって突然破壊します。そのため、遅れ破壊は別名「静的疲労破壊」とも呼ばれています。

どんな部品で起こる？

遅れ破壊は、高強度鋼を使用した部品で起こりやすい現象です。

遅れ破壊が起こりやすい部品として有名なものが、橋梁や建築物において部材どうしを接合するために使用される高力ボルトです。

高力ボルトの遅れ破壊では、締め付け後、数か月～数年経ってから突然破壊します。ボルトの頭部首下やナットとの境界部などからポッキリと折れてしまいます。

遅れ破壊を起こした箇所は、脆性（ぜいせい）的な破壊を生じています。

つまり、材料がガラスのようにもろくなって破壊したことを意味します。

また破壊を生じた箇所には、腐食した痕跡がよく見受けられます。

そのため、遅れ破壊は腐食によって生じるものと思われがちです。しかし、腐食は遅れ破壊の直接の原因ではありません。

のちほど詳しく解説しますが、腐食などによって生じた水素の侵入が深く関与しています。

過去には遅れ破壊が相次いだことにより、製造や使用が禁止となった高力ボルトもあります。遅れ破壊が原因でF13Tの製造が禁止となった話はあまりにも有名です。

F13Tの遅れ破壊問題とは？

F13Tは、かつて日本に存在した1,300MPa級の引張強さをもつ高力ボルトです。1964年にJISに制定されてほどなくして、橋梁に使用されたF13Tの遅れ破壊が相次いだことから製造禁止となりました。

1967年にはJISからF13Tが除外され、使用可能な高力ボルトの上限はF11T（1,100MPa級）となりました。しかし、F11Tにおいても同様の遅れ破壊が認められたことから、1979年のJIS改定時にはF11Tをなるべく使用しないよう明示されました。

現在は主にF10TやF8Tが使用されており、遅れ破壊は生じていません。しかし、F11Tが使用されたままの橋は全国に約7,000橋あると報告されており、対策が迫られています。

近年は、自動車用ハイテンにおいて遅れ破壊の発生が懸念されています。

ハイテンとは高い引張強さをもつ鋼板のことであり、薄くて軽いのに高い強度を誇ります。車体を軽量化できるため、燃費の向上とCO₂の削減に効果的な材料として多くの自動車に採用されています。

いま自動車業界では、燃費の向上を図るためにハイテンの高強度化が進んでいます。1,500MPa級の超高強度のハイテンも登場しており、遅れ破壊の懸念も高まっています。

ハイテンについては以下の記事で詳しく解説していますので、ぜひあわせてご覧ください。

「ハイテン」と呼ばれる高機能材料を知っていますか？あまり聞いたことがないかもしれませんが、ハイテンは身近な“あるもの”に欠かせない材料であり、社会課題の解決に大きく貢献しています。また日本はハイテンで世界最高水準の技術力を持っており、他国を圧倒しています。しかし、その凄さは一般にはあまり知られていま...

高力ボルトやハイテンに限らず、使用中に遅れ破壊が発生すると大きな事故につながりかねません。そのため、遅れ破壊が起こりやすい部品に対しては遅れ破壊対策を講じることが必要です。

知らなかったでは済まされない事態が起こらぬよう、高強度鋼を扱うエンジニアは遅れ破壊に対する知識を持っておくこと大切です。

遅れ破壊が起こる条件

一般的に遅れ破壊は、３つ要素が重なったときに起こるとされています。

３つの要素とは、「材料・応力・環境」です。これらの要素が相互的に作用することで遅れ破壊が起こります。

より具体的に言うと、次の３条件が当てはまるときに遅れ破壊が起こります。

材料が高強度である（材料）
材料に荷重が負荷している（応力）
材料中に水素が存在する（環境）

詳しく見ていきましょう。

① 材料が高強度である

遅れ破壊は、材料の強度が高いものほど起こりやすいという特徴があります。

具体的には、引張強さが1,200MPa以上の鋼材において遅れ破壊の発生リスクが高まります。

下の図は、各種鋼材の引張強さと遅れ破壊の影響を示した図です。引張強さが1,200MPa程度までは遅れ破壊の影響が生じませんが、1,200MPaを超えると急激に遅れ破壊の影響が生じることが分かります。

耐遅れ破壊強さに及ぼす引張強さレベルの影響（引用元：こべるにくすVol.12／高強度鋼の遅れ破壊特性評価）

1,200MPa以上の引張強さをもつ鋼材には、焼入れを行ったクロムモリブデン鋼（SCM）、ニッケルクロムモリブデン鋼（SNCM）、マルエージング鋼などがあります。

また高強度の部類に入る部品としては、高力ボルト、PC鋼材、ハイテンなどが挙げられます。

② 材料に荷重が負荷している

遅れ破壊は、材料に荷重が負荷しているときに起こります。

運用中の機械や構造物では、材料には常に荷重が負荷しています。先ほど例を示した高力ボルトで見ると、高力ボルトは締め付け中に引張荷重が負荷しています。

荷重が動的で変動性があるときは、材料は繰り返し荷重を受けることによって疲労し、疲労破壊します。一方の遅れ破壊は、荷重が一定状態の静的荷重のときに起こります。

また、通常時の破壊応力（引張強さ）よりもはるかに低い応力で破壊します。

③ 材料中に水素が存在する

遅れ破壊が起こる条件の中でもっとも特徴的と言えるのが、この「材料中に水素が存在すること」です。

遅れ破壊の一番の原因は「水素」と言っても過言ではありません。

水素は材料の外部から侵入し、材料の内部にとどまります。内部に水素があると材料はもろくなり、そこに荷重が負荷すると遅れ破壊が生じます。

水素によって遅れ破壊が生じるメカニズムは、以下に詳しく解説します。

遅れ破壊の発生メカニズム

遅れ破壊は、材料内に侵入した水素が材料をもろくすることによって起こるとされています。

金属にとって水素はとてもやっかいな存在です。金属内にたやすく侵入して金属をもろくし、劣化させます。

水素が金属をもろくする現象は「水素脆化」と呼ばれ、金属材料界隈ではよく知られています。

水素脆化については以下の記事で詳しく解説していますので、ぜひあわせてご覧ください。

【エンジニアなら知らなきゃまずい！】金属の水素脆化とは？

水素がもたらす金属の劣化現象として「水素脆化（すいそぜいか）」が知られています。水素脆化は、金属内部に水素が入り込むことで起こります。水素脆化を起こした金属は強度が低下するため、低い応力下で破壊を起こす危険性があります。日本ではいま水素利用社会の構築が進められていますが、金属設備が水素と接触する機会...

水素によって遅れ破壊が起こるメカニズムは、こうです。

①材料内に水素が侵入する
②水素が材料内で拡散し、応力集中部に濃化する
③応力集中部からき裂が生じ、進展する

このように、外部から侵入した水素が応力集中部に集まり、そこからき裂が発生・進展することで遅れ破壊が生じます。

ここで応力集中部とは、以下のような箇所が該当します。

穴（孔）
急激な形状変化部
溶接部
介在物、ボイドなどの材料欠陥部

ボルトでは頭部首下やねじ谷底が応力集中部となるため、き裂はたいていそこから生じて破壊します。

水素によってき裂が発生する理由は、水素が鉄同士の原子間結合力を低下させる、水素が局所的な塑性変形を促進するなど、学者によって色々な説が唱えられています。しかし、詳しいメカニズムはまだ解明されていません。

水素の侵入経路

ここまで読んで、「水素はいったいどこからやってくるの？」と疑問に思われたのではないでしょうか。

水素は、主に次の２つの経路で材料内に侵入します。

① 部品の製造工程で侵入する

１つ目は、部品の製造工程で水素が侵入するという経路です。

部品の製造時には、部品に対してさまざまな処理が行われることとなります。その中に水素の侵入が生じる処理があります。

代表的なものは、電気めっき処理です。

電気めっき処理は前処理工程を含めると、酸洗、電解脱脂、電気めっきの工程からなります。これらのいずれの工程においても水素が発生し、材料内に侵入します。

また、線材をボルトなどに圧造するさいに行われるりん酸亜鉛処理も水素侵入に影響をおよぼします。圧造後の熱処理時に材料が浸りんを起こし、遅れ破壊を助長させることが知られています。

このように、材料内に水素が侵入する可能性がある処理を行うさいは注意が必要です。

② 部品の使用中に侵入する

２つ目は、部品の使用中に水素が侵入するという経路です。

どうやって部品内に水素が侵入するかと言うと、主に腐食による侵入が挙げられます。

腐食とはいわゆる「サビ」のことですが、サビは金属に雨水がかかったときや、結露したときなどに生じます。

金属は腐食を起こすと、水素が発生します。そして発生した水素が材料の内部に侵入していきます。

そのため、雨水がかかりやすい場所や結露が発生しやすい場所などでは、遅れ破壊に注意が必要と言えます。

金属の腐食メカニズムについては次の記事で詳しく解説していますので、ぜひあわせてご覧ください。

エンジニアが知っておきたい金属材料の「腐食」と「耐食性」の知識

鉄鋼などの金属材料は構造用材料として優れた材料ですが、大きな欠点があります。それは、腐食を起こすということです。腐食が起こると材料は劣化し、強度低下をもたらします。機械装置や構造物などでそれが起こると破壊に至り、大きな事故につながる可能性があります。そこで重要になってくる材料の性質こそが“耐食性”で...

遅れ破壊の対策

高強度鋼の遅れ破壊を防止するには、どのような対策が有効となるのでしょうか。

ポイントとなる対策方法は、以下の通りです。

製造時の水素の侵入を阻止する
使用時の水素の侵入を阻止する
応力集中を阻止する
耐水素脆化特性が優れた材料を使用する

詳しく見ていきましょう。

① 製造時の水素の侵入を阻止する

遅れ破壊をもたらす主犯格は水素であるため、製造中の水素の侵入を阻止することが遅れ破壊対策に有効です。

電気めっき処理を行うときは、水素の侵入量をおさえるためにできるかぎり処理の時間を短くします。

電気めっき処理を行ったあとは、ベーキング処理を行います。ベーキング処理とは、材料中に侵入・拡散してしまった水素を除去するための熱処理のことです。部品を190～230℃の温度で4時間以上加熱します。

りん酸亜鉛被膜処理を行ったときは、熱処理前にりん酸亜鉛を除去します。もしくは、りんを含まない被膜剤を使用することで遅れ破壊の発生リスクを低減できます。

② 使用時の水素の侵入を阻止する

使用時に生じる部品の腐食は、水素の侵入をもたらします。そのため、使用時の腐食を防止することが遅れ破壊対策に有効です。

部品に結露が発生しないように通気をよくし、また、雨水などがかからないような構造とします。

表面塗装による防錆処理や、防水コーティングなどを行うことも水素侵入対策に有効です。

③ 応力集中を阻止する

遅れ破壊は応力集中部から生じるため、一箇所に応力が集中しない部品形状とすることが遅れ破壊対策に有効です。

例えば高力ボルトでは、頭部首下やねじ谷底に大きなアールを取り、応力集中しないようにします。

また、穴や切り欠きが生じない形状とすることも有効です。

④ 耐水素脆化特性が優れた材料を使用する

材料メーカーでは、耐水素脆化特性に優れた材料の開発が精力的に行われています。そのような材料を使用することが遅れ破壊対策に有効と言えます。

材料の耐水素脆化特性を確保するため、以下のような対策が取られています。

材料中の不純物（P、Sなど）を低減する
Ti、Nb、Vなどの合金元素の添加によって結晶粒を微細化する
Mo、Vなどの合金炭化物を析出させて水素トラップ能力を向上させる

これらの対策により、高強度鋼において侵入した水素を無害化することが可能となってきました。

メーカーの努力もあり、今では14T（1,400MPa級）の超高力ボルトが開発され、実際に使用されています。現在、18T（1,800MPa級）の高力ボルトの開発も進められています。

おわりに

本記事では、高強度鋼の遅れ破壊について解説してきました。

金属材料の構造や特性にかかわる話であったため、ちょっと理解しづらいと感じた方もいると思います。

ただ、ものづくりではこのように金属材料の知識が必要となる場面が多くあります。

もっと根本的に金属材料の勉強をしたいという方のために、おすすすめの書籍を紹介しておきます。ぜひ参考になさってください。

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【エンジニアなら知らなきゃまずい！】金属の水素脆化とは？

ひろ — Sun, 16 Mar 2025 12:55:44 +0000

水素がもたらす金属の劣化現象として「水素脆化（すいそぜいか）」が知られています。

水素脆化は、金属内部に水素が入り込むことで起こります。水素脆化を起こした金属は強度が低下するため、低い応力下で破壊を起こす危険性があります。

日本ではいま水素利用社会の構築が進められていますが、金属設備が水素と接触する機会が増えつつあります。そのため、エンジニアは水素脆化の知識を持っておくことが大切です。

本記事では、水素脆化について知らないエンジニアのために、水素脆化の基礎知識を分かりやすく解説しています。

この記事を読んで分かること

水素脆化を起こした金属で起こること
水素脆化のメカニズム
水素脆化の対策

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この記事は、現役の材料エンジニアが書いています！

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【材料の知識】機械的性質の基礎をわかりやすく解説！

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水素脆化とは？
1. どのような現象なのか
2. 水素脆化で起こること
水素脆化のメカニズム
水素脆化の対策
1. 高まる水素脆化の懸念
2. 水素脆化の対策方法
おわりに

水素脆化とは？

どのような現象なのか

水素脆化（すいそぜいか）は、金属の内部に水素が侵入し、水素が金属の機械的性質を低下させる現象を言います。

脆化は“もろくなる”ことを意味します。水素脆化は、まさに金属が陶器のようにもろくなる現象です。

金属の脆化現象としては低温環境下で起こる「低温脆化」が有名ですが、この水素脆化は雰囲気中の水素が関与する脆化現象となりなます。

金属で水素脆化が起こる現象は、古くから知られています。1960年代にはNASAが水素脆化による水素貯蔵タンクの破壊事故を経験しており、そこから水素脆化の研究が盛んに行われるようになりました。

水素脆化は鉄、銅、アルミニウムなどのほとんどの金属で起こりえる現象であり、「水素環境脆化」や「水素脆性」とも呼ばれています。

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水素脆化で起こること

水素脆化した金属ではどのようなことが起こるかと言うと、次のようなことが起こります。

材料の延性（えんせい）や靭性（じんせい）が低下する
材料の破断強度が低下する
遅れて破壊がやってくる

ここで一度、金属の性質について整理しておきましょう。

金属は普通、引っぱったときに伸びる性質を持っています。この性質は「延性（えんせい）」と呼ばれ、材料のもろさや粘り強さにかかわっています。

どういうことかと言うと、いま、材料を強い力で引っぱり続けたとします。材料には応力が生じます。

材料は伸びていき、限界の応力を超えたときに材料が破断します。破断するまでの間、伸びて破断に抵抗するような材料＝粘り強い材料ということになります。

逆に伸びることなく、突然プツッと破断してしまうような材料＝もろい材料となります。このように材料のもろい性質のことを「脆性」と言います。

材料に延性や粘り強さがあるおかげで、実際の機械や構造物では衝撃的な荷重を受けたとき、急速に破壊することがなくなります。材料の延性や粘り強さは、装置の安全性にかかわっていると言えます。

なお、材料の粘り強さのことを「靭性（じんせい）」と言います。

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では水素脆化した材料はどのような状態になるかと言うと、材料の延性や靭性が低下します。

これにより、普通の状態であれば延性を示していた材料であっても、強い応力が生じたときに脆性的な破壊を起こします。

下の写真は、水素脆化していない材料（b）と水素脆化した材料（c）の比較写真です。低ひずみ速度引張試験（SSRT）と呼ばれる試験により、材料を水素雰囲気中とそうでない雰囲気（アルゴン雰囲気）中でゆっくり引っぱり、破断させたときの写真を示しています。水素脆化した材料は伸びがなく、脆性的に破断しているのが分かります。

引用元：高圧ガス保安協会HP

水素脆化は脆性破壊の一種だと思われがちですが、実際にはミクロ的な塑性変形をともなった破壊形態です。そのため、延性破壊の特徴であるディンプルが認められることもあります。

また水素脆化した材料は、通常よりも低い破壊応力で破壊します。

下の図は、汎用的なステンレス鋼であるSUS304を大気中と水素中でそれぞれ引張試験し、得られた応力ー伸び線図です。材料を引っぱり、ある伸び量の時点で発生した応力と、破断時の応力を知ることができます。

青い線を見て分かるように、大気中では約800MPaの応力が加わったときに材料が破断しています。一方で赤い線を見て分かるように、水素中では約550MPaの応力で材料が破断しています。このように、水素脆化した材料は低い応力で破壊します。

水素および大気中で引張試験したSUS304の応力－伸び線図（引用元：日鉄テクノロジー）

水素脆化した材料で起こるもう一つの特徴的な現象は、遅れて破壊がやってくるという点です。

先ほど示した応力－伸び線図を見て分かるように、通常は伸びと応力が増大し、応力が限界値を超えたときに材料が破壊します。発生している応力が低く、一定（静的）であれば材料は破壊することはありません。

しかし水素脆化した材料は、静的状態の応力下で突如破壊することがあります。材料を使用して時間が経ってから破壊を起こすため、「遅れ破壊」とも呼ばれます。

このように水素脆化は材料の強度低下をもたらし、材料に致命的な損傷を与えます。

機械や構造物などでこれが起こった場合、大きな事故や災害をもたらす危険性があります。そのため、水素と接触する金属設備では水素脆化に注意する必要があります。

水素脆化のメカニズム

では、水素脆化はどのようなメカニズムによって起こるのでしょうか。

水素脆化は、大きく４つのステップをたどって起こります。

① 水素が金属に固溶し、拡散する

金属の周囲に水素分子があるとき、水素分子が金属表面に物理吸着します。

その一部が乖離し、水素原子として化学吸着します。さらにその一部が固溶熱を超えて金属内部に侵入し、固溶します。

金属内部に固溶した水素は、金属格子のすき間を拡散します。水素は全元素の中でもっとも小さな原子をもつ元素であるため、金属中の原子のすき間を自由に動き回ることができます。

②原子配列が乱れたサイトに水素が捕獲される

金属は結晶構造体であり、金属原子が規則正しく配列した結晶構造となっています。

しかし転位や原子空孔により、原子配列が乱れた箇所（サイト）が存在します。また析出物、介在物、ボイドなどが存在し、それらの界面や結晶粒界なども原子配列が乱れたサイトとなります。

金属に固溶した水素は拡散途中で、原子配列が乱れたサイトに捕獲（トラップ）されます。

③水素が凝集してボイドが形成される

実際の機械や構造物では、応力が負荷された状態で使用されます。金属が塑性変形をともなっている場合、金属結晶中に空孔が作られます。

トラップされた水素は空孔に凝集して空孔ー水素クラスターとなり、ボイドを形成します。

④き裂が成長・伝搬する

応力の負荷とともにボイドはき裂となって成長し、伝搬していきます。最終的に金属は破壊を起こします。

これが水素脆化のメカニズムです。と言っても、水素脆化はいまだ詳しいメカニズムの解明に至っていません。

水素はもっとも小さい原子であり、拡散速度が速く、その動きを捉えるのが難しいからです。ただし、今のところは次の３つの説が有力な水素脆化のメカニズムとして唱えられています。

有力説１：格子脆化説

格子間に固溶した水素が鉄同士の原子間結合力を低下させ、微視的なき裂の発生や進展を促進し、大域的な破壊をもたらす。

有力説２：水素助長局所塑性変形説

水素が転位の発生や移動を助長し、局所的な塑性変形を促進して延性破壊をもたらす。

有力説３：水素助長ひずみ誘起空孔説

塑性変形によって生じた空孔が水素によって安定化し、空孔がクラスター化して凝集し破壊を助長する。

（画像引用元：山陽特殊製鋼技報第22巻『鉄鋼材料の水素脆化研究における基盤構築と最近の展開』）

どの説が正しいかは、今のところ決着が付いていません。多くの研究者が追求しているところであり、今後の解明が期待されます。

水素脆化の対策

高まる水素脆化の懸念

ここまで解説してきたように、水素は金属内に侵入して金属を劣化させてしまう恐ろしい存在です。

しかし水素自体は、有害な物質ではありません。

燃やしてもCO₂などの温室効果ガスが発生しないことから、化石燃料に代わる次世代のエネルギー源として注目されています。そして日本では今、水素利用社会の構築が進められています。

水素利用社会のイメージ図（引用元：【エコチル特集】水素社会でゼロカーボン北海道！）

水素利用社会の実現に向け、水素を燃料とした燃料電池自動車（FCV）や、FCVに水素を供給するための水素ステーションなどが今後普及するものと思われます。そこでは水素を輸送したり、貯蔵したりするための金属設備が必要となります。

そのため、これらの金属設備には水素脆化に対する安全性が求められます。

水素脆化に対する安全性が求められる金属設備の例

水素製造装置
水素圧縮機
水素蓄圧器
水素冷却装置（プレクーラー）
水素充填機（ディスペンサー）

特に水素ステーションでは、水素が圧縮機によって82MPaもの高圧状態に圧縮されるため、金属に多大な負荷が生じます。

高圧水素ガス環境では、金属は通常の場合よりもき裂の進展速度が早まるため、水素脆化による破壊の危険性が増すとされています。

さらにFCVへの水素充填時は、水素タンクの温度上昇を防ぐために水素がマイナス40℃にまで冷却されます。

金属は低温環境でも脆化することが知られているため、これらの金属設備では低温脆化と水素脆化の両方の対策が求められます。

水素脆化の対策方法

では、水素環境に晒される金属はどのように水素脆化対策する必要があるのでしょうか。

何度も言うように、水素脆化を起こさない金属は存在しません。どの金属も水素環境では水素脆化を起こす危険性があります。

ただし、これまで盛んに行われてきた研究によって水素脆化を起こさない条件があることが解明されています。

そのため、水素環境では水素脆化を起こさない条件のもとに金属を使用することが前提となっています。

使用条件は高圧ガス保安法などの法令や基準で定められているため、設備の製造者はそれに従って設計、材料選定を行う必要があります。

ここでは、基本的な水素脆化対策の考え方について述べたいと思います。

以下は、基本的な水素脆化対策の方法です。

高強度鋼を使用しないこと
水素脆化感受性が低い材料を使用すること

これらのことについて、詳しく解説したいと思います。

① 高強度鋼を使用しないこと

鉄鋼材料は、機械や構造物においてもっとも多く適用されている材料となります。

鉄鋼材料の場合、強度が高い材料ほど水素脆化が起こりやすいことが知られています。そのため、水素ガス設備などでは高強度鋼の使用が避けられています。

具体的には、引張強さが1,200MPaを超えると、水素脆化による材料特性の低下が顕著になります。過去には建築分野で1,300MPa級高力ボルト（F13T）の水素脆化による遅れ破壊が多発し、製造禁止となったこともあります。

高圧水素ガス設備では、引張張強さが900MPa以下の低合金鋼を使用するなどの対策が取られています。

② 水素脆化感受性が低い材料を使用すること

水素脆化感受性とは、水素脆化の起こしやすさのことです。

これまでの研究によって、水素脆化感受性は材料の種類によって異なることがわかっています。水素脆化感受性が低い材料であれば、水素ガス環境化でも使用が可能となります。

水素脆化感受性が低い材料を以下に紹介します。なお、ここで紹介する材料は使用を推奨するものではないため、ご注意ください。

高圧ガス保安法などの法令や基準では、設備の条件ごとに使用可能な材料が例示されています。実際に材料を選定するさいは、それらの法令や基準等を確認するようにしてください。

SUS316

SUS316は、高ニッケル（Ni）・高モリブデン（Mo）系のオーステナイト系ステンレス鋼です。

SUS304と並ぶ代表的なステンレス鋼としても知られています。

SUS316は炭素含有量や製法の違いなどにより、SUS316L、SUSF316、SUSF316Lなどの種類があります。これらの材料は水素環境中の疲労限度が大気中と同程度で、水素の影響が少ないことが認められています。

SUS316の水素脆化感受性が低い理由は、ニッケル当量の高さにあります。ニッケル当量とは材料成分から求められる指数のことであり、水素脆化感受性の指標として活用されています。

ニッケル当量（質量%）＝12.6×C＋0.35×Si＋1.05×Mn＋Ni＋0.65×Cr＋0.98×Mo

高圧ガス保安法では、SUS316のニッケル当量ごとに使用できるガス設備の条件が定められています。

常用の圧力（82MPa）における常用の温度	SUS316のニッケル当量
-45～250℃	28.5以上（伸びが42%以上にあっては、26.9以上）
-10～250℃	27.4以上（伸びが42%以上にあっては、26.9以上）
20～250℃	26.3以上

引用元：一般高圧ガス保安規則関係例示基準

SUS316の強度や硬さは比較的低い部類に入りますが、圧縮水素の蓄圧器、液体水素が通る配管・弁など、多くの部位に採用されています。ただし、冷間加工して使用することや溶接することはできません。

なお、同じオーステナイト系ステンレス鋼でもSUS304は高圧水素ガス設備には使用できません。SUS304は塑性変形したときにマルテンサイト組織に変態し、結晶構造が変化するためです。

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【ステンレス鋼とは？】種類と材質をわかりやすく解説！

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SCM435

SCM435は、クロム（Cr）とモリブデン（Mo）を主要成分とした低合金鋼です。代表的な機械構造用鋼としても知られています。

SUS316ほど水素脆化感受性は高くないものの、900MPa程度の高い強度を有することから、蓄圧器用の材料に採用されています。

高圧ガス保安法では、超音波探傷試験により傷、割れ等の有害な欠陥がないものに限り、常用の圧力が40MPa以下での使用が認められています。

SUH660

SUH660は、析出硬化型のオーステナイト系ステンレス鋼です。耐熱性が非常に高く、使用温度が700℃のガスタービンや蒸気タービン用の材料としても知られている材料です。

この材料は1,000MPaを超える高い強度を持ち、耐水素脆化特性も良好です。設計上、SUS316では強度や硬さが不足するディスペンサーや、水素圧力計器用部材などに採用されています。

高圧ガス保安法では、固溶化熱処理を965～995℃で実施し、時効処理をしたものに限り、常用の圧力が82MPa以下、常用の温度が-253～120℃での使用が認められています。

SUH660は高いポテンシャルを持つ材料ですが、ニッケル含有量が約25%と高いために高価であるというデメリットがあります。

XM-19，TPXM-19

XM-19とTPXM-19は、どちらも窒素強化型の高強度オーステナイト系ステンレス鋼です。先に紹介した３材料はJIS材ですが、本材料はASME材となります。

本材料は耐水素脆化特性に優れると同時に、SUS316よりも高い強度を有しています。圧縮水素や液体水素が通る配管や弁で採用されています。

高圧ガス保安法では、常用の圧力が82MPa以下、常用の温度が-253～200℃での使用が認められています。

なお、日本製鉄は本材料と同等成分の「HRX19」を高圧水素ガス設備用材料として販売しています。

C3604，C3771

C3604とC3771はどちらも、黄銅に鉛を添加した銅合金です。別名「快削黄銅」と呼ばれ、切削性に優れた銅合金としても知られています。

本材料は高い耐食性を持ち、耐水素脆化特性にも優れるため、水素チャンバーのハーメチックコネクタで採用されています。

高圧ガス保安法では、常用の圧力が25MPa以下、常用の温度が-40～100℃での使用が認められています。

A6061-T6

A6061-T6は、Al-Mg-Si系アルミニウム合金です。

本材料は耐水素脆化特性が高く、高圧水素中のSSRTや疲労試験において大気中と特性に大差がないことが確認されています。35MPaのFCV用圧縮水素容器に採用されています。

おわりに

本記事では、エンジニアの方々に「水素脆化」の重要性を知っていただきたく、その現象や対策等を解説してきました。

あまり金属材料に詳しくない方でも理解できるよう、なるべく難しい用語を避けて執筆しました。そのため、中には物足りなさを感じた方もおられるかもしれません。

そこで根本的な金属材料の知識を身に付けたい方や、より専門的な水素脆化の知識を学びたいという方に役立つ書籍を掲載しておきます。

きっとあなたのエンジニアスキル向上につながりますので、ぜひ参考になさってください。

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シャルピー吸収エネルギーとは何のこと？誰にでも分かりやすく解説！

ひろ — Sun, 23 Feb 2025 13:12:54 +0000

材料の強さは単に「硬さ」や「引張強さ」だけで決まるものではなく、「靭性（じんせい）」と呼ばれる性質が重要となってきます。

靭性とは衝撃を受けても破壊しまいとする材料の性質のことであり、機械や溶接構造物などで重視されています。

材料がもつ靭性を評価するときにカギとなるのが「シャルピー吸収エネルギー」です。

この記事ではシャルピー吸収エネルギーについて理解したい人のために、分かりやすく解説しています。

この記事で分かること

シャルピー吸収エネルギーとは？
シャルピー吸収エネルギーの測定方法
シャルピー吸収エネルギーはどう役立つのか

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現場で役立つ材料試験環境試験: 試験方法や装置構造をわかりやすく解説

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【材料の知識】機械的性質の基礎をわかりやすく解説！

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シャルピー吸収エネルギーとは？
シャルピー衝撃試験とは？
シャルピー吸収エネルギーはどう役立つ？
1. 脆性破壊とは？
2. リバティー船折損事故とは？
おわりに

シャルピー吸収エネルギーとは？

シャルピー吸収エネルギーは、シャルピー衝撃試験によって求められる材料の機械的性質の一種です。

機械的性質とは外からの力に対して材料が示す力学的な反応の程度のことであり、例えば「硬さ」や「引張強さ」がその代表的な性質です。

硬さ・・・押されたときに材料が変形しまいとする抵抗力のこと
引張強さ・・・引っ張られたときに材料が破断しまいとする抵抗力のこと

これらの機械的性質は、機械や構造物などを設計するときに重視されています。

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シャルピー吸収エネルギーはそういった機械的性質の一種であり、衝撃を受けたときに材料が破壊しまいとする抵抗力（＝靭性）を数値化したものです。

一部の材料規格では、その材料が有するべきシャルピー吸収エネルギーの量を規定しています。

例えばSFVQ材と呼ばれる圧力容器用の鍛造合金鋼は、規格内で次のように機械的性質を規定しています。

圧力容器用調質型合金鋼鍛鋼品の機械的性質規定値（引用元：JIS G 3204）

SFVQ1Aでは、0℃の試験温度においてシャルピー吸収エネルギー（3個の平均）が40J以上あることが規定されています。ここで「3個の平均」とは3個の試験片による平均値を、「個別の値」とは試験片1個あたりの値を意味します。

つまりSFVQ1Aは、0℃で3回試験したときにシャルピー吸収エネルギーの平均値が40J以上あれば、規格上は認められた破壊強さを持っていることを示しています。

では、そのシャルピー吸収エネルギーを求めるシャルピー衝撃試験とは、一体どのような試験方法なのでしょうか？

シャルピー衝撃試験とは？

シャルピー衝撃試験は、材料から切り出した試験片に対して振り子式のハンマーで打撃を与え、試験片を破断させる試験方法です。

1901年にフランスのG. Charpyによって試験方法が提唱されたことから、そのような試験名称となっています。

なお、衝撃試験には「アイゾット衝撃試験」と呼ばれる試験方法もあります。アイゾット衝撃試験は、あまり一般的ではありません。

シャルピー衝撃試験の方法は、ISOやASTMといったさまざな国際規格において規格化されています。

日本では日本産業規格内で「金属材料のシャルピー衝撃試験方法（JIS Z 2242）」が規格化されており、広く普及しています。ここでは、JIS Z 2242で規定された内容に基づいてシャルピー衝撃試験方法を解説します。

試験片は通常、長さ（L）が55mmで、一辺（W, B）が10mmの正方形断面をもった形状の試験片が使用されます。

また、試験片の中央部には「ノッチ」と呼ばれる切り欠きが加工されます。ノッチの形状には「Vノッチ」と「Uノッチ」があり、関係する材料規格などによって使用する形状が異なります。

Vノッチ試験片の形状（引用元：JIS Z 2242）

Uノッチ試験片の形状（引用元：JIS Z 2242）

かつて衝撃試験片は、ノッチの形状と深さに応じて３号～５号に分類されていました。今でもその分類を使用している所があります。

衝撃試験片の種類（旧JIS名称）	3号試験片	4号試験片	5号試験片
ノッチ形状	Uノッチ	Vノッチ	Uノッチ
ノッチ深さ	2mm	2mm	5mm

また、材料から切り出せる試験片の物量や試験機の容量などに応じて、厚さが7.5mm、5mmまたは2.5mmのサブサイズ試験片が使用されることがあります。

シャルピー衝撃試験機の構造（引用元：昭和製作所HP）

上の図は、シャルピー衝撃試験機の構造を示しています。

ハンマーには「衝撃刃」と呼ばれる刃が付いており、これを高い位置から振り子のように振り下ろして試験片に打撃を与えます。

試験片は下の図のように配置され、ノッチが付いた面とは反対面の方向から打撃されます。

試験片の配置図（引用元：昭和製作所）

ハンマーは、振り下ろされるときの高さ（持上げ角）に応じて位置エネルギーを持っています。

ハンマーが試験片を打撃すると、ハンマーのエネルギーによって試験片が真っ二つに破断します。このとき、ハンマーがもつエネルギーは試験片によって吸収され、減少します。その結果、試験片打撃後のハンマー振上げ角は、持上げ角よりも小さくなります。

試験前後の衝撃試験片の外観（引用元：昭和製作所）

シャルピー衝撃試験では、ハンマーの持上げ角と振上げ角の差から、試験片が吸収したエネルギーを求めます。これこそが「シャルピー吸収エネルギー」です。単位は「J（ジュール）」となります。

試験片を破壊するのに大きなエネルギーを要した場合は、シャルピー吸収エネルギーの値も大きくなります。つまりシャルピー吸収エネルギーは、試験片を破断するのに要したエネルギーと言えます。

ただし、ハンマーは試験中に回転軸受の摩擦抵抗や空気抵抗を受けてわずかにエネルギーを失うため、損失エネルギーを補正したものが正確なシャルピー吸収エネルギーとなります。

シャルピー吸収エネルギーを求める計算式：

E ＝ mgl(cosβ－cosα)ーL

ここで、
E：シャルピー吸収エネルギー（J）
m：ハンマーの質量（kg）
g：重力加速度（m/s²）
l：ハンマー回転中心からハンマー重心までの距離（m）
α：持上げ角（°）
β：振上げ角（°）
L：空気抵抗や軸受の摩擦などによる損失エネルギー（J）

なお、シャルピー吸収エネルギーを試験片中央部の断面積（破断する前の状態）で除したものを「シャルピー衝撃値」と言います。材料の評価ではこちらが使用されることもあるため、混同しないように注意しましょう。

シャルピー衝撃値（J/cm²）＝　シャルピー吸収エネルギー（J）　÷　試験片中央部の断面積（cm²）

シャルピー衝撃試験ではシャルピー吸収エネルギーだけでなく、以下の項目も求めることができます。

横膨出・・・・打撃によって幅方向に増加した試験片の破面の長さ

引用元：JIS Z 2242

延性破面率・・・試験片の破面の全面積に対する延性破面の面積の比率
脆性破面率・・・試験片の破面の全面積に対する脆性破面の面積の比率

（引用元：JIS Z 2242）

破面遷移温度・・・各温度で衝撃試験したとき、破面が延性から脆性に変化する温度

シャルピー吸収エネルギーはどう役立つ？

シャルピー吸収エネルギーとは、シャルピー衝撃試験によって求められる数値でしたね。これが分かると何が分かるのでしょうか？

基本情報として、求められたシャルピー吸収エネルギーから次のことが分かります。

シャルピー吸収エネルギーの値が大きい　→　材料の靭性が高い
シャルピー吸収エネルギーの値が小さい　→　材料の靭性が低い

靭性とは、材料の破壊に対する抵抗力のことです。

シャルピー吸収エネルギーの値が大きいということは、衝撃によって試験片を破断させるのに大きなエネルギーを要したということになります。つまりその材料は衝撃に耐える力があり、靭性が高い材料ということになります。

逆にシャルピー吸収エネルギーの値が小さいということは、衝撃によって試験片を破断させるのにあまりエネルギーを要しなかったということになります。つまりその材料は衝撃に耐える力がなく、靭性が低い材料ということになります。

例えばSCM440などの低合金鋼は、焼入れを施した材料は非常に硬く、強度があります。しかし靭性は低く、シャルピー吸収エネルギーは低い数値となります。その材料を高温で焼戻しすると、軟化して靭性が生まれます。シャルピー吸収エネルギーは高い数値を示します。

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このように、シャルピー吸収エネルギーを求めると材料がもつ靭性の程度が分かるのですが、これが構造物やその溶接物の脆性破壊の起こしにくさを評価するのに役立ちます。

脆性破壊とは？

脆性破壊とは、材料が衝撃を受けたときにほとんど塑性変形せず、割れが一気に進展していく破壊のことです。

陶器が割れる様子をイメージすると分かりやすいかと思います。陶器は衝撃などによってき裂が入ると、またたく間もなくき裂が進展して真っ二つに割れます。

衝撃によって瞬時に割れる茶わん

このような破壊の仕方がまさしく「脆性破壊」です。脆性破壊は、材料に次の３つの条件が揃ったときに起こります。

き裂状の欠陥が存在している
応力が発生している
材料の靭性が低い

実際の構造物では、経年的に起こる腐食や疲労によって材料にき裂が生じることがあります。あるいは溶接不良（溶接割れ）を起こしていると、そこにき裂が存在します。

材料のどこかにき裂があると、そこに応力が集中することとなります。そして材料の靭性が低いと、そこを起点として瞬時に材料全体にき裂が伝搬し、脆性破壊を起こします。

構造物で脆性破壊が起こると大事故につながる恐れがあるため、対策が施されなければなりません。

もし材料の靭性が高ければ、き裂があっても脆性破壊を防げる可能性があります。そこで材料のシャルピー吸収エネルギーが分かれば、材料の靭性を評価することができます。

このように、シャルピー吸収エネルギーは構造物やその溶接部の脆性破壊を回避する保証値として活用されています。

実際、シャルピー吸収エネルギーは「リバティー船折損事故」をきっかけに使われるようになりました。

リバティー船折損事故とは？

リバティー船折損事故は、第二次世界大戦中のアメリカにおいて、リバティー船を主とした戦時標準船の折損が多発した事故です。約5,000隻建造された船のうち、約1,000隻で3m以上のき裂が発生し、200隻以上が折損して沈没するなど、重大な損害を受けました。

下の写真は、そのうちの1隻のスケネクタディー号が岸壁に係留中、突然真っ二つに折損したときの様子を収めた写真です。

真っ二つに折損したスケネクタディー号（引用元：Wikipedia）

事故の発生原因として考えられているのが、「鋼材の溶接性不良」と「構造設計不良」です。

リバティー船は、船体を鋼材で全溶接する構造を採用していました。これは当時としては新しい製造方法でした。

しかし溶接技術が未熟であったため、溶接部には溶接割れや残留応力などの欠陥を起こしていました。また全溶接構造は、発生した応力が溶接欠陥部などに集中しやすい構造でした。これにより応力が溶接欠陥部に集中し、これが起点となってガラスが割れるように船体全般にき裂が伝搬し、脆性破壊をもたらしました。

その後の調査で、脆性破壊とシャルピー吸収エネルギーに関係性があることなどが明らかにされました。具体的に得られた知見は以下の通りです。

鋼材は低温において靭性が低下する「低温脆性」が発生する。
鋼材のシャルピー吸収エネルギーが13～27Jあれば、脆性破壊を起こさない。

当時得られたこれらの知見は、脆性破壊防止の目安として現在の材料技術でも活かされています。

例えば日本産業規格の「溶接構造用圧延鋼材（JIS G 3106）」ではグレードBの鋼種に対し、0℃の試験温度でシャルピー吸収エネルギーが27Jとなることを規定しています。

このような歴史背景のもと、シャルピー吸収エネルギーは低温脆性、脆性破壊防止のために活用されています。

おわりに

本記事では、シャルピー吸収エネルギーについて解説してきました。ご理解いただけたでしょうか？

シャルピー吸収エネルギーの解説には「靭性」や「脆性破壊」と言った用語が飛び交うため、少し理解が大変だったかもしれません。

しかし、これらの用語は材料を扱う上で重要な用語であるため、ものづくりエンジニアであれば理解しておきたいところです。

材料の評価方法、材料の破壊現象、もしくは材料の基礎そのものを勉強したいという方のために、筆者おすすめの参考書を紹介しておきます。ぜひ手に取ってみてください。

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エンジニアが知っておきたい金属材料の「腐食」と「耐食性」の知識

ひろ — Sat, 01 Feb 2025 13:24:30 +0000

鉄鋼などの金属材料は構造用材料として優れた材料ですが、大きな欠点があります。

それは、腐食を起こすということです。

腐食が起こると材料は劣化し、強度低下をもたらします。機械装置や構造物などでそれが起こると破壊に至り、大きな事故につながる可能性があります。

そこで重要になってくる材料の性質こそが“耐食性”です。

ものづくりを行うとき、材料の耐食性について理解していると腐食について対策を講じることができます。

本記事では、エンジニアが知っておきたい金属材料の腐食と耐食性について分かりやすく解説しています。

本記事で分かること

腐食のメカニズム
材料の耐食性に関与する不動態皮膜とは？
各種金属材料の耐食性

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この記事は、現役の材料エンジニアが書いています！

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腐食の基礎知識
耐食性の基礎知識
各種金属材料の耐食性
おわりに

腐食の基礎知識

まず初めに、腐食とはどのような現象のことなのかを押さえておきましょう。

腐食とは？

腐食は主に金属材料において起こる材料の劣化現象であり、材料の表面が水溶液と電気化学的に反応し、溶けて無くなる現象です。

室外に放置していた鉄に赤茶色の錆（サビ）が発生していた、という経験をお持ちでないでしょうか。サビも、腐食の形態の一種です。

腐食した箇所は変色してボロボロになり、簡単に剥がれ落ちます。腐食の程度がひどい場合には減肉したり、穴が空いたりして部材の強度が低下します。それが構造物の一部で発生した場合には、構造物の安全性が損なわれてしまいます。

腐食によって朽ちた鋼製の手すり

金属材料の腐食は特定の空間で起こるものと思われがちですが、特定の場所に限らず、自然下でも起こりえる現象です。また、時間をかけてゆっくりと進行していきます。

腐食は長期スパンで材料にダメージを与えるため、かなり年月が経ってから問題が深刻化することもあります。

日本では、高度経済成長期に多くの橋梁やトンネルが建設されました。今、これらが建設から50年もの年月を経とうとしているため、金属部材の腐食によって部品落下や倒壊などの発生が危惧されています。

このように、材料の腐食は大きな社会問題に発展する可能性があるため、見過ごすことはできません。エンジニアならば、腐食という現象を理解しておくことが大切です。

腐食のメカニズム

下の図は、鉄の一般的な腐食メカニズムを表した図です。鉄の腐食は、表面に「水」と「酸素（溶存酸素）」があるときに起こります。自然界で起こる鉄の腐食パターンは、ほとんどがこれです。

鉄の腐食は、外部との電子の受け渡しをともなった電気化学的反応によって起こります。すなわち、鉄の表面で電池のような作用が働いた結果、鉄が溶けて腐食が起こります。

電位が高い鉄側では、鉄（Fe）がイオン化（Fe²⁺となる）し、水中に溶け出します。このとき、鉄は電子（2e^–）を放出します。

電位が低い水側では水（H₂O）と溶存酸素（1/2O₂）が反応し、さらに鉄が放出した電子を受け取って水酸化物イオン（2OH^–）が生じます。

水酸化イオンは鉄イオンと反応し、水酸化第一鉄（Fe(OH)₂）を生成します。水酸化第一鉄は不安定なため酸化して酸化第二鉄（2Fe(OH)₃）となり、さらに酸化して酸化第二鉄（Fe₂O₃・3H₂O）となります。これがいわゆる「サビ」と呼ばれるものです。

鉄の腐食では、これらの反応が同時に起こります。その反応式は、次式によって表すことができます。

Fe → Fe²⁺ ＋ 2e^–（アノード反応）
H₂O ＋ 1/2O₂ ＋ 2e^– → 2OH^–（カソード反応）
Fe²⁺ ＋ 2OH^– → Fe(OH)₂ → 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃・3H₂O（サビの生成）

ここで説明した鉄の腐食メカニズムは、水（中性水溶液）との反応によるものです。酸性水溶液や海水でも、同様のメカニズムによって腐食が起こります。

特に、塩酸や希硫酸などの酸性水溶液は、鉄を著しく腐食させます。そのような薬品類が鉄に付着すると、たちまち腐食してしまいます。

なお、材料の腐食速度は水溶液のpH、溶存酸素量、溶解物質、温度、流速などによって決まります。水溶液のpHが低いほど、もしくは水溶液中の溶存酸素量が多いほど腐食が早まるイメージを持っておくとよいでしょう。

ちなみに「水中と海水中では、海水中のほうが鉄がサビやすい」というイメージをお持ちでないですか？

これは間違いではありません。水中よりも海水中のほうが腐食が早い理由は、導電率の高さにあります。海水には塩化ナトリウム（NaCl）が多く含まれているため導電率が上がり、水中よりも腐食速度が早まります。ただし、海水と大気（酸素）が混ざり合う海洋上では、もっと早く腐食します。

鉄が腐食しやすい場所とは？

鉄の表面に水溶液（例えば水と酸素）があれば、腐食の発生に必要な条件が揃います。そのため、以下のような場所では腐食の発生に注意が必要です。

雨水が溜まりやすい場所
湿気が高い場所
通気性が悪い場所
寒暖差が激しく、露が発生しやすい場所
酸性水溶液や酸性ガスに触れる場所
海水や海塩粒子に触れる場所

腐食の種類

腐食の形態にはいくつかの種類があります。ここでは代表的な腐食の形態について解説します。

① 全面腐食

全面腐食は、その名の通り、金属の表面全体にわたって均一に起こる腐食です。

全面腐食は、基本的な腐食の形態として知られています。大気下で発生する金属のサビのほとんどが、この全面腐食によるものです。塩酸や希硫酸などの弱い酸性水溶液に晒されたときにも全面腐食が起こります。

② 孔食

全面腐食が金属の表面全体で起こる腐食であるのに対し、孔食は、局部的に起こる腐食です。腐食した箇所は虫食いのようなくぼみが形成されます。最悪の場合、材料が貫通することがあります。

孔食は、表面に不動態皮膜と呼ばれる酸化皮膜を持つ金属（アルミ合金やステンレス鋼など）で起こる腐食です。不動態皮膜は材料を腐食から守る機能がありますが、海水などに含まれる塩化物イオン（Cl^–）などのハロゲンイオンは不動態皮膜を破壊する性質を持っています。つまり、孔食はハロゲンイオンに晒されたときに発生します。

③ すき間腐食

すき間腐食は、ナットとボルトのすき間やフランジ接合部など、構造的なすき間部で発生する腐食です。孔食と同じように、不動態皮膜を持つ金属（アルミ合金やステンレス鋼など）で起こる腐食です。

すき間腐食は孔食と同じく局部腐食の一種ですが、相手がたとの接触部の比較的広い範囲で腐食が起こります。その主たる原因はハロゲンイオンであり、海水などが入り込んだときにすき間のハロゲンイオン濃度が上昇するために起こります。

④ 微生物腐食

微生物腐食は、金属表面に付着した微生物の代謝作用によって起こる腐食です。微生物の代謝によって腐食性の物質が生成されたり、金属表面の電位が異常に上昇したりすることで腐食が起こります。

スプリンクラーの配管など、通常内部液が停滞している場合に微生物腐食が起こりやすくなります。

⑤ 異種金属接触腐食

異種金属接触腐食は、２つの異なる金属を電解質中で接触させたときに起こる腐食です。ガルバニック腐食とも呼ばれます。

２つの金属を接触させたとき、それぞれの金属の自然電位の違いにより、イオン化傾向が高いほうの金属が腐食します。一方、イオン化傾向が低い金属は腐食が抑えられます。亜鉛めっき鋼板はこのメカニズムを利用して腐食を防止している鋼板であり、自動車のパネルや建材などに広く活用されています。

耐食性の基礎知識

腐食について理解されたところで、ここからは金属材料の耐食性について解説していきます。

耐食性とは？

耐食性（たいしょくせい）とは、その材料が持っている腐食に対する抵抗力のことです。

金属材料は、どの材料も一様に腐食を起こすわけではありません。材料の種類によって腐食のしやすさが異なります。その程度を表しているものが耐食性です。

例えば、鉄と炭素の合金である「炭素鋼」はどうでしょうか。炭素鋼はもっとも代表的な構造用材料として知られていますが、基本的に耐食性が低い材料です。大気中で容易にサビます。

しかし、鋼にクロムを10.5%以上添加して作られている「ステンレス鋼」は耐食性が高く、大気中にずっと放置していてもサビることがありません。どちらも原料が同じ鉄なのに、組成によって耐食性が異なるのです。

軽金属の中では、「アルミニウム」が大気中で優れた耐食性を発揮します。しかし、「マグネシウム」は化学的に不安定なために簡単に腐食を起こします。

このように、金属材料は種類や成分によって耐食性の違いがあります。材料の耐食性は、不動態皮膜（ふどうたいひまく）と呼ばれる表面構造が関係しています。

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不動態皮膜とは？

不動態皮膜とは、金属の表面を覆っている薄い酸化皮膜のことです。

金や銀などのもともと化学的に安定な金属を除き、ステンレス鋼やアルミニウムなどの耐食性が高いとされる金属材料は、この不動態皮膜によって表面が覆われています。

不動態皮膜は非常に緻密な構造で、ステンレス鋼では厚さが1～3nm（ナノメートル）程度と極薄です。不動態皮膜は、金属中の元素が外部の酸素や水と反応することで形成されます。ステンレス鋼の場合はクロムがその働きをし、クロム酸化膜を形成します。

引用元：株式会社ベンカンHP

このような不動態皮膜が外部環境から金属を保護し、水や酸素などの侵入をバリアしています。これにより、金属材料は耐食性を発揮します。炭素鋼はこの不動態皮膜を形成する能力がないため、簡単にサビてしまいます。

不動態皮膜にはさらに驚くべき機能があり、自己修復機能があります。すなわち、破壊されても再び不動態化し、耐食性を維持しようとします。

そのため、ステンレス鋼の表面をドリルでガリガリ削っていっても、瞬時に不動態皮膜が作られるためにサビることはありません。

耐孔食指数とは？

かなり専門的な話になりますが、「耐孔食指数（たいこうしょくしすう）」について知っていると耐食性に対する理解をより深めることができるため、解説しておきます。

耐孔食指数とは、孔食の発生に対する抵抗力を表す指数のことです。英語表記は「Pitting Resistance Equivalent（ピッティング・レジスタンス・エクイバレント）」となるため、それぞれの頭文字を取って「PRE」とも呼ばれます。

耐孔食指数は、主にステンレス鋼の塩化物イオン（Cl^–）に対する耐食性を評価するときに使われています。

ステンレス鋼は耐食性が高い金属材料ですが、海水などに含まれる塩化物イオンに晒されると「孔食」や「すき間腐食」を起こすことがあります。しかし、耐孔食指数が高いステンレス鋼であばこれらの腐食が起こりにくくなります。

耐孔食指数は、ステンレス鋼中のクロム（Cr）含有率とモリブデン（Mo）含有率により、次の式によって求められます。

耐孔食指数（PRE）＝Cr（%）＋ 3.3Mo（%）

なお、この式は文献によって異なる場合があります。ただし、基本的にクロム濃度とモリブデン濃度が高いステンレス鋼ほど、耐孔食指数が高いことに変わりありません。

市場では、耐孔食指数が40以上の非常に高いステンレス鋼が販売されています。これらは「スーパーステンレス鋼」と呼ばれ、耐海水用材料として海洋構造物などに使用されています。

各種金属材料の耐食性

ここまでご覧になってお分かりいただけたかと思いますが、金属材料が腐食環境に晒されるときは、適切な耐食性を持った材料が使用される必要があります。

そうすることで材料を腐食から守り、機械装置や構造物などの寿命を延ばすことができます。そのため、どのような金属材料が耐食性を持っているかを知っておくことが大切です。

ここでは、各種金属材料の耐食性について解説します。

炭素鋼

炭素鋼製H形鋼（引用元：丸み興商HP）

炭素鋼は、もっとも一般的な鉄鋼材料です。適度な強度と延性を持ち、加工しやすいことから、建築物などの構造用材料として広く利用されています。鋼種名では「S45C」、「SS400」、「SPCC」などが有名です。

炭素鋼は耐食性が低く、大気中で容易にサビます。工場内で一晩放置していただけでもサビが発生することがあります。腐食の形態としては、「全面腐食」である場合がほとんどです。

当然、酸性水溶液や海水に対しても耐性がないため、それらに晒される環境でそのまま使用することはNGです。もし腐食環境で使用する場合は、適切な防食処理が必要となります。日常の保管においても、防錆剤を塗布するなどの対策が必要です。

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金属をサビさせない防食処理について分かりやすく解説！

鉄鋼、アルミなどの金属は、腐食（サビ）によって自然と劣化していきます。それらの金属が使用されている構造物で腐食が発生すると、強度低下をもたらし、崩壊の危険性が生じます。この国では腐食による経済損失が年間数兆円に達すると言われており、いかに腐食を防止するかが重要となっています。腐食を防止する技術は「防...

合金鋼

合金鋼製ロータシャフト（引用元：日本製鋼所HP）

合金鋼は、ニッケル（Ni）、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）などの合金元素が添加されている鋼です。強靭性、耐摩耗性、耐熱性などの特性が優れていることから、シャフトや歯車などの機械構造用部品として広く用いられています。鋼種名では「SCM440」、「SNCM439」、「SKD11」などが有名です。

合金鋼は炭素鋼と同様、耐食性が低い金属の部類に入ります。大気中では炭素鋼と同レベルでサビが発生する他、酸性水溶液や海水に対しても容易に腐食します。

ただし、クロムやモリブデンなどの含有量が多い鋼種は、耐食性がやや高くなります。それでも、腐食環境で使用するときの防食処理は必要となります。

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ステンレス鋼

ステンレス鋼製シンク

ステンレス鋼は、クロムを10.5%以上添加している鋼です。構造用材料の中では、もっとも代表的な高耐食性材料として知られています。鋼種名では「SUS304」や「SUS316」などが有名です。

ステンレス鋼は一般的な鉄鋼材料と変わらない強度を持ちながら、大気中や水中では高い耐食性を示します。材料に耐食性が求められる場面では第一に選択されるほど、腐食に対する信頼性が高いです。厨房機器、飲料水貯蔵タンク、建材、化学プラント機器、医療用器具など、さまざまな製品に使用されています。

ただし、ステンレス鋼は鋼種によって耐食性の程度が異なります。マルテンサイト系とオーステナイト系を比較した場合は、オーステナイト系のほうが耐食性が高いなどの特性があります。

ステンレス鋼は、金属組織の違いによってフェライト系、オーステナイト系、マルテンサイト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系の５鋼種に大別できます。

また、ステンレス鋼は、塩化物イオン（Cl^–）による孔食の発生に注意が必要です。塩化物イオンは海水中に多く含まれるため、海水がかかる場所や海塩粒子が飛来する場所での使用には注意しなければなりません。ステンレス鋼を海洋環境で使用する場合は、耐孔食指数（PRE）が高いスーパーステンレス鋼が選択されます。

また、高温で保持したときなどに発生する「粒界腐食」や、応力がかかっているときに発生する「応力腐食割れ」にも注意が必要です。

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耐候性鋼

耐候性鋼で作られた鉄橋（引用元：Wikipedia）

耐候性鋼（たいこうせいこう）は、炭素鋼の約２倍以上の大気腐食抵抗性を示す鋼です。1930年代、アメリカのUSスチールによって開発され、コルテン（COR-TEN）鋼という商品名で販売されました。

大気中で長期間放置された場合、炭素鋼は10年以上経っても腐食が止まることなく、どんどん腐食量が増えていきます。一方の耐候性鋼は、10年以上経過すると表面に安定なさび層が形成され、その後は腐食が鈍化します。

その理由は、耐候性鋼に銅（Cu）、クロム（Cr）、ニッケル（Ni）などの大気腐食抑制元素が少量添加されているためです。大気中で使用するあいだに、表面に保護性のある安定さび層を形成していきます。

耐候性鋼を使用すると、サビの発生に対する補修や維持管理コストを抑えられるメリットがあるため、橋梁やビルの外装などに使用されています。

アルミニウム（アルミ合金）

すみだ北斎美術館のアルミ製外装パネル（引用元：菊川工業株式会社HP）

アルミニウム（アルミ合金）は、一般的に耐食性が高いとされる金属材料です。

表面が0.2～0.3μm（マイクロメートル）程度の厚さの不動態皮膜に覆われているため、大気や水に対して優れた耐食性を示します。

一方で塩素に対して弱く、塩害環境での使用には適していません。また酸性溶液やアルカリ性溶液に対しても腐食に反応します。

アルミニウムの耐食性を高めたい場合は、アルマイト処理が施工されます。アルマイト処理は「陽極酸化皮膜処理」のことで、表面の酸化皮膜を電気的に厚く成長させる表面処理です。

アルミニウムは鉄の1/3の重さでありながら、比較的強度のある金属材料です。軽量化を目的とした製品、例えば建材や航空機などに使用されています。

ニッケル（ニッケル合金）

高耐食性ニッケル合金MAT21製反応槽（引用元：東成GTEX HP）

ニッケル（ニッケル合金）は、高い耐食性と耐熱性を持つ金属材料です。

ニッケル合金はアルカリ溶液、ハロゲンガス、塩酸のような非酸化性酸に強いという特徴があります。特に「Alloy C-276」や「Alloy 22」に代表されるNi-Cr-Mo系のニッケル合金は、ステンレス鋼をはるかにしのぐ耐食性を持ちます。大部分の環境で優れた耐食性を示します。

またニッケル合金は高温特性にも優れており、高温中での酸化や腐食を起こしづらいという特徴があります。高温疲労強度や高温クリープ強度にも優れていることから、優れた耐熱性材料としての一面も持っています。そのため、火力発電所のボイラや航空機のジェットエンジンなどに使用されています。

チタン（チタン合金）

耐変色チタンが使用されている大分銀行ドーム（引用元：日本製鉄HP）

チタン（チタン合金）は、軽量かつ非常に高い耐食性を持つ金属材料です。

質量はステンレス鋼の半分程度で、海水に対する耐食性はステンレス鋼よりも高いという特徴があります。それでいて強度は、ステンレス鋼とそん色ありません。ただし、塩酸や硫酸には弱いため注意が必要です。

チタンはステンレス鋼と比べると高価なため、用途が限られています。ステンレス鋼でもサビてしまうような厳しい環境や、軽さが必要な場所で使用されています。

防食めっき材

防食めっき鋼板『スパングルジンク』（引用元：日本製鉄HP）

防食めっき材は、腐食を犠牲にした金属が表面に被覆されている金属材料です。

防食めっき材では、素地となる金属よりも電気化学的に碑（ひ）な金属が表面に被覆されています。すると、腐食環境に置かれたときに被覆金属が優先的に腐食され、素地の金属は腐食から守られます。

このように、被覆した金属を腐食させ、素地の金属を腐食しないようにする防食法を「犠牲防食」と言います。腐食のところで解説した「異種金属接触腐食」を応用した防食法です。

代表的な防食めっき材に、鋼に亜鉛を被覆させた「亜鉛めっき鋼板」があります。鋼に被覆されている亜鉛が犠牲防食の役割を果たします。

防食めっき加工が施された材料は見た目が美しくなる効果もあり、建材や自動車のパネルなど、多くの場所で使用されています。

おわりに

本記事では金属材料の腐食と耐食性について解説してきましたが、ご理解いただけましたでしょうか。

腐食や耐食性の話は化学的な知識をともなうため、少々理解しづらい点もあったかもしれません。しかしこれを頭に入れておけば、ものづくりの場面できっと役立つときが来るはずです。

金属材料の腐食や耐食性についてもっと詳しく知りたいと思われた方は、一度教材を手に取って勉強されることをおすすめします。

筆者オススメの書物を掲載しておきますので、ぜひ役立ててみてください。

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【材料の知識】機械的性質の基礎をわかりやすく解説！

ひろ — Wed, 07 Feb 2024 13:09:56 +0000

機械的性質とは、材料がもつ力学的な性質のことです。

「変形のしにくさ」や「壊れにくさ」などを表すものであり、製作物の安全性や耐久性などにかかわる重要な性質です。そのため、材料を使用するときは機械的性質の理解が必要不可欠です。

機械的性質について知りたいけど、難しくてよくわからないと思っていませんか？

本記事では、材料初心者さん向けに機械的性質の基礎をわかりやすく解説しています！

この記事を読んでわかること

機械的性質とは
主要な機械的性質、特殊な機械的性質
機械的性質の評価方法

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この記事は、現役の材料エンジニアが書いています！

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機械的性質とは
主要な機械的性質
特殊な機械的性質
おわりに

機械的性質とは

機械的性質とは、加わった力に対して材料が示す力学的な反応のことです。

鉄鋼、アルミなどの金属材料は、力を加えていくと変形を起こします。そのまま力を加え続けていくと、やがて負荷に耐えられなくなり、材料は破壊します。

これこそが材料が示す力学的な反応であり、機械的性質です。その反応の程度や挙動は、材料の種類や材質によって異なります。

力が加えれらたとき、大きな変形をともないながら破壊を起こす材料があれば、ほとんど変形せずに唐突に破壊する材料もあります。

このような材料特性は、機械構造物の設計において重要になります。例えば衝撃に対して強い構造物を製作したいのであれば、強度と粘り強さがある材料を使用する必要があります。

このように、材料の機械的性質は製作物の安全性や耐久性にかかわるため、材料を使用するさいは機械的性質を把握することが重要となります。

主要な機械的性質

材料の機械的性質には、さまざまな種類があります。

材料の用途や使用目的によって評価すべき機械的性質は異なりますが、主要な機械的性質は以下になります。

硬さ・・・材料の変形しにくさにかかわる性質
強度・・・材料の耐久力にかかわる性質
靭性（じんせい）・・・材料の持久力（粘り強さ）にかかわる性質
延性（えんせい）・・・材料のしなやかさにかかわる性質

それぞれ、詳しく見ていきましょう。

① 硬さ

硬さは、いわゆる「硬い」や「やわらかい」によって表現される材料の機械的性質です。

材料の硬さは、ものがぶつかったときの変形のしにくさや、傷つきにくさの指標として使用されます。一般的に硬い材料ほど変形しにくく、また傷がつきにくくなります。

材料の加工時には、この硬さが加工性の指標としても使用されます。やわらかい材料は加工しやすいですが、硬すぎる材料は加工しづらいため、加工者が嫌います。

一般的に材料の硬さは、次のいずれかの試験方法によって評価されます。これらの試験方法は、測定対象の大きさや測定シーンなどに応じて使いわけられます。

ブリネル硬さ試験・・・ブリネル硬さ（HB）を測定する
ショア硬さ試験・・・ショア硬さ（HC）を測定する
ロックウェル硬さ試験・・・ロックウェル硬さ（HR）を測定する
ビッカース硬さ試験・・・ビッカース硬さ（HV）を測定する

② 強度

強度は、加わった荷重に対し、材料がどれだけの荷重まで耐えられるかを示す機械的性質です。

強度が高い材料ほど、大きな荷重に耐えられる材料であることを意味します。その材料がもつ強度以上の荷重が加わった場合は、材料は破壊することになります。

一般的に材料の強度は、引張（ひっぱり）試験で求められる「引張強さ」や「降伏点」によって評価されます。特に引張強さは、材料の基本的な強度として使用されています。

なお、硬さと強度には高い相関性が認められています。硬い材料は、必然的に強度も高くなります。

引張試験とは？

引張試験は、材料から採取した試験片を一定の速度で引っぱり、破断させる試験です。このとき得られた応力や試験片の破断形状から、その材料の各種機械的性質を評価します。

引張試験では、主に次の項目を求めます。

引張強さ（単位は、N/mm²またはMPa）
降伏点（単位は、N/mm²またはMPa）
伸び（単位は、%）
絞り（単位は、%）

引張試験では、材料を引っぱって伸びた量＝歪（ひずみ）に対し、発生した応力を測定します。すると、次のようなチャートが得られます。このとき、もっとも高い応力が働いたときに材料が示す強度が、引張強さです。

引っぱられている材料は、破壊しまいとする力（応力）が働きます。つまり引張強さとは、破壊に対する抵抗力のことと言い換えることができます。

またチャート上では、引っぱり開始後、直線的に伸びていた線の傾きが変わるタイミングが現れます。このときの材料の強度が、降伏点です。

降伏点は、材料が塑性変形に耐えられる限界の強度を表します。機械構造物の設計において、変形防止の指標として使用されています。

鉄鋼をはじめとする金属材料は、荷重を加えていくと変形していきます。しかし、一定の荷重までは、荷重をゼロにすると材料が元の形に戻ります。

このように、荷重をゼロにしても材料が元の形に戻る段階の変形を「弾性変形」と言います。一定の荷重を超えると材料は「塑性変形」し、荷重をゼロにしても材料は元の形に戻らなくなります。

材料によってはチャート上で降伏点が明確に表れないため、暫定的に測定した「耐力」が使用されます。

③ 靭性（じんせい）

靭性（じんせい）は、加わった衝撃に対し、材料がどれだけ粘り強く耐えられるかを示す機械的性質です。

靭性が高い材料は、強い衝撃が加わってもその衝撃を吸収し、破壊を食い止めようとします。逆に靭性が低い材料は、強い衝撃が加わると急速に破壊します。

実際、機械に組み込まれている部材は、運転中にさまざまな衝撃を受けることになります。そのため、材料の靭性を評価することが重要となっています。

一般的に材料の靭性は、シャルピー衝撃試験で求められる「シャルピー吸収エネルギー」によって評価されます。

鉄鋼材料では、焼入れ・焼戻しされた炭素鋼や低合金鋼などが高靭性材料として知られています。

シャルピー衝撃試験とは？

シャルピー衝撃試験は、材料から採取して切り欠きを入れた試験片をハンマーで打撃し、破断させる試験です。このとき得られたシャルピー吸収エネルギーや試験片の破面形態から、材料の靭性を評価します。

シャルピー吸収エネルギーは「J（ジュール）」によって表されます。例えば、溶接構造用鋼材の「SM400B」は、試験温度0℃でシャルピー吸収エネルギーが27J以上と定められています。

④ 延性（えんせい）

延性は、力加わったときの伸びやすさを示す機械的性質です。

材料の延性は靭性とかかわりがあり、靭性とともに粘り強さの指標として使用されます。

延性が高い材料は、引っぱったときに粘り強さを見せるため、しなやかに伸びます。逆に延性が低い材料は、引っぱったときに粘り強さがなく、プツっと切れてしまいます。このようにプツっと切れるようなもろい性質のことを「脆性」と言います。

一般的に材料の延性は、引張試験で求められる「伸び」によって評価されます。

なお、材料の延性は、型を用いて部品に成形するときの成形のしやすさの指標としても使用されます。

延性が高い材料は成形したときにしなやかに伸びるため、型どおりにきれいに成形できます。逆に延性が低い材料は伸びにくいため、成形途中でシワや亀裂が発生してしまいます。

特殊な機械的性質

ここまでは、材料を扱うときに見るべき主要な機械的性質について解説しました。

ここからは、特定の条件や環境下で材料を使用するときに見るべき特殊な機械的性質について解説します。

① 耐摩耗性

耐摩耗性は、材料表面の摩耗のしにくさを表す機械的性質です。

この機械的性質は、材料がものとこすれ合う場面において特に重要視されている性質です。材料の耐摩耗性が低いと、部品のすり減りや欠損が起こりやすくなります。

例えば減速装置に使用される歯車は、歯が頻繁に他の歯車とこすれ合うため、歯車用部材に高い耐摩耗性が求められます。そのため、「浸炭処理」や「窒化処理」などの表面処理によって、耐摩耗性を向上させる処理が施されています。

歯車以外では、切削用工具や金型などの工具も高い耐摩耗性が求められる部材のひとつです。そのため、耐摩耗性のみならず、耐衝撃性や耐熱性にも優れたさまざまな工具用鋼材が開発されています。

なお、耐摩耗性と硬さには高い相関性が認められています。硬い材料は、耐摩耗性も高くなります。

② 疲れ強さ

疲れ強さは、疲労破壊に対して材料がどれだけ耐えられるかを示す機械的性質です。

ここまで、材料の基本的な強度は「引張強さ」であることを説明してきました。引張強さとは、受けた荷重に対し、材料が破壊しないように最大限応えることができる強度のことでした。

引張強さは、あくまでも静的な荷重に対しての強度となります。しかし現実的には、材料は引っぱられたり圧縮されたりと、動的な荷重を繰り返し受けます。

材料は繰り返し荷重を受け続けると、疲労を起こします。材料は疲労を起こすと、静的破壊時の荷重よりも低い荷重で破壊を起こします。これを「疲労破壊」と言います。

機械が破損する原因の約７割は、この疲労破壊であるとも言われています。材料の疲れ強さは、以下の試験によって評価されます。

回転曲げ疲労試験
平面曲げ疲労試験
引張圧縮疲労試験
熱疲労試験
ねじり試験

③ 高温特性

高温特性は、高温環境に置かれた材料が示す機械的性質です。

高温環境において荷重が加わった材料は、常温での反応と異なる反応を示します。主な反応は、次の２つです。

強度が低下する
クリープ現象が起こる

まず、高温では材料強度の低下が起こります。一般的な鉄鋼材料の場合、300℃を超えるとその傾向が現れはじめます。300℃以上では、常温での破断荷重よりも低い荷重で破断を起こします。

また高温では、一定の荷重が加わっていると、荷重の変動がなくても材料が伸び続ける現象が起こります。これが「クリープ現象」です。

クリープ現象が発生すると、材料は時間の経過とともに少しずつ伸びていきます。すぐに影響は出ませんが、長い年月をかけて破断に至ります。そのため、火力発電所のボイラや高温の蒸気が流れる配管などでは、クリープ現象が重要視されています。

このようなことから、高温環境で材料を使用する場合は、高温特性に優れた材料を使用する必要があります。高温特性は、以下の試験によって評価されます。

高温引張試験
引張クリープ試験
圧縮クリープ試験
クリープ破断試験

④ 低温特性

低温特性は、低温環境に置かれた材料が示す機械的性質です。

低温環境において力が加わった材料は、常温での反応と異なる反応を示します。特に鉄鋼材料の場合は、低温で靭性が低下し、もろくなる現象が起こります。低温で材料がもろくなる現象のことを「低温脆性（ていおんぜいせい）」と言います。

そのため、低温のガスを貯蔵する容器や、寒冷地で使用される材料などは、低温脆性に対して注意が必要となります。

材料の低温脆化は、シャルピー衝撃試験によって簡単に調べることができます。低温ではシャルピー吸収エネルギーの低下や、試験片破面の脆性的な破壊が見られます。

過去には、低温脆化が原因で起こった事故がいくつもあります。その代表的な事故が、タイタニック号沈没事故やリバティー船沈没事故です。

これらの事故では、鋼材で作られた船体が冷たい海水に晒されたことで鋼材の靭性が低下し、破壊をもたらしました。これらの事故が教訓となり、現在ではいくつかの構造用鋼材に低温におけるシャルピー吸収エネルギーの基準値が定められています。

このようなことから、低温環境で材料を使用する場合は、低温特性に優れた材料を使用する必要があります。

⑤ 破壊靭性

破壊靭性は、材料にき裂がある状態で力が加わったとき、き裂の進展にどれだけ耐えられるかを示す機械的性質です。

材料は、き裂が存在する状態で荷重を受けると、き裂の周囲に応力が集中します。このとき、材料の破壊靭性が低いとき裂は拡大し、最悪の場合は破壊に至ります。

そのため、大きな構造物やプラントの部材には、材料にき裂が生じたときにき裂がそれ以上拡大して破壊しないようにする性質、つまり破壊靭性が求められます。

破壊靭性は、次の試験によって評価されます。

線形弾性破壊靭性試験（K_IC試験）・・・線形弾性破壊力学に基づいて破壊靭性値を測定する
弾塑性破壊靭性試験（J_IC試験、CTOD試験）・・・弾塑性破壊力学に基づいて破壊靭性値を測定する

おわりに

本記事では、材料の機械的性質について解説してきました。

内容を要約して書いているため、本記事の内容だけでは物足りないと感じた方もおられるでしょう。

もっと詳しく知りたいという方は、オススメの参考書を掲載しておきますので、ぜひそちらをご覧になってください。

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