水素利用機器用金属材料の高圧水素ガス環境中における疲労強度特性に関する研究

高压氢气环境下氢利用设备金属材料疲劳强度特性研究

基本信息

批准号：
16J02960
负责人：
小川祐平
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

前年度までの研究結果からBCC鉄鋼材料の水素ガス中疲労き裂進展特性への影響が示唆される，温度・周波数・固溶炭素量という3つの因子の中で，当該年度は特に固溶炭素量の影響に着目した．これまでに供試材として用いていた工業用純鉄には製造過程で除去できない微量の炭素が含まれているが，これに対して本年度は少量のTi添加によって材料中の炭素をTiCとして析出させたIF鋼を用い，固溶炭素量を極限まで低減させたフェライト組織における疲労き裂進展特性の評価を可能とした．0.7~90 MPa水素ガス中における疲労き裂進展試験から，マクロな疲労き裂進展速度およびミクロな破壊形態ともにIF鋼の挙動は工業用純鉄が示すものと全く同様であり，水素ガス中疲労き裂進展特性に対する固溶炭素の有無の影響は無視できるほど小さいことを明らかにした．この結果は，前年度までに純鉄を用いて得られた知見を，より多量の炭素を含有する実用鋼中の挙動へと展開させるに際して極めて重要な事実である．また，最終年度である本年度は，対象材料をBCC鋼からFCC鋼へと拡大させ，水素ガス中（外部水素）および水素チャージ状態（内部水素）におけるオーステナイト系ステンレス鋼の疲労き裂進展挙動の解明にも取り組んだ．従来から，FCC鋼ではき裂先端部におけるひずみ誘起マルテンサイト変態が疲労き裂進展加速の支配要因であることが提案されてきたが，本研究では同理論を明確化するとともに，内部水素がオーステナイトの相安定性を向上させ，外部水素の場合よりもき裂進展加速を低減させる効果を持つことを明らかにした．水素チャージに伴うオーステナイトの安定化は近年の水素脆化研究でも数例の報告があるが，本研究では同様の現象がマルテンサイト変態に起因した水素脆性破壊に対し，極めてポジティブな役割を発揮することを世界で初めて実証した．

前一年的研究结果表明，温度、频率和固溶碳量三个因素对BCC钢材在氢气中的疲劳裂纹扩展特性有影响，我们重点关注数量的影响。迄今为止用作试验材料的工业纯铁含有微量的碳，在制造过程中无法去除，但今年通过添加少量Ti，材料中的碳以TiC的形式析出。使用IF钢，可以评价固溶碳量最大限度减少的铁素体组织中的疲劳裂纹扩展特性。在0.7～90 MPa氢气中进行的疲劳裂纹扩展试验表明，IF钢的宏观疲劳裂纹扩展速率和微观断口形貌与工业纯铁的表现完全相同。溶质碳的存在或不存在对裂纹扩展特性的影响可以忽略不计。当将前一年使用纯铁获得的知识应用于含有大量碳的实际钢的行为时，该结果是一个极其重要的事实。此外，今年，即最后一年，我们将目标材料从BCC钢扩展到FCC钢，阐明奥氏体不锈钢在氢气（外部氢）和充氢状态（内部氢）下的疲劳裂纹扩展行为。还致力于此前曾提出裂纹尖端应变诱导马氏体相变是加速FCC钢疲劳裂纹扩展的主导因素，事实证明其具有提高氢相稳定性、降低裂纹扩展加速度的作用。对于外部氢气的情况。最近几项关于氢脆的研究报道了由于充氢而使奥氏体稳定化，但在这项研究中，同样的现象在马氏体相变引起的氢脆断裂中发挥了极其积极的作用，这在世界上首次得到证实。。

项目成果

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专利数量（0）

The roles of internal and external hydrogen in the deformation and fracture processes at the fatigue crack tip zone of metastable austenitic stainless steels

DOI：
10.1016/j.scriptamat.2018.08.003
发表时间：
2018-12
期刊：
Scripta Materialia
影响因子：
6
作者：
Yuhei Ogawa;S. Okazaki;O. Takakuwa;H. Matsunaga
通讯作者：
Yuhei Ogawa;S. Okazaki;O. Takakuwa;H. Matsunaga

Unified evaluation of hydrogen-induced crack growth in fatigue tests and fracture toughness tests of a carbon steel

DOI：
10.1016/j.ijfatigue.2017.06.006
发表时间：
2017-10-01
期刊：
INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE
影响因子：
6
作者：
Ogawa, Y.;Matsunaga, H.;Matsuoka, S.
通讯作者：
Matsuoka, S.

水素ガス中における純鉄の疲労き裂進展加速機構に関する微視的検討

纯铁在氢气中疲劳裂纹扩展加速机理的微观研究

DOI：
发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
0
作者：
Y. Ogawa;D. Birenis;H. Matsunaga;O. Takakuwa;J. Yamabe;小川祐平，Domas Birenis，松永久生，高桑脩，山辺純一郎;小川祐平，Domas Birenis，松永久生，高桑脩，山辺純一郎;小川祐平，Domas Birenis，松永久生，山辺純一郎;小川祐平，Domas Birenis，松永久生，高桑脩，山辺純一郎
通讯作者：
小川祐平，Domas Birenis，松永久生，高桑脩，山辺純一郎

Hydrogen-assisted fatigue crack propagation in a pure BCC iron. Part II: Accelerated regime manifested by quasi-cleavage fracture at relatively high stress intensity range values

纯 BCC 铁中的氢辅助疲劳裂纹扩展。

DOI：
10.1051/matecconf/201816503010
发表时间：
2018
期刊：
MATEC Web of Conferences
影响因子：
0
作者：
Birenis Domas;Ogawa Yuhei;Matsunaga Hisao;Takakuwa Osamu;Yamabe Junichiro;Prytz Oystein;Thogersen Annett
通讯作者：
Thogersen Annett

Interpretation of hydrogen-assisted fatigue crack propagation in a pure BCC iron based on crack tip plasticity evolution

基于裂纹尖端塑性演化的纯 BCC 铁中氢辅助疲劳裂纹扩展的解释