応力腐食割れとは
おうりょくふしょくわれ
感受性のある材料に引張応力がかかり、特定の腐食環境にさらされたとき、降伏応力より低い応力でき裂が進む現象。
「応力腐食割れ」は、1分野の1問の練習問題に出てきます(腐食と表面処理など)。
この用語の分野: 腐食と表面処理
材料と環境の組み合わせで起こる
応力腐食割れ(SCC)は、どの環境でも起こるわけではなく、材料と環境の特定の組み合わせで起こります。代表例は、塩化物を含む高温の水とオーステナイト系ステンレス鋼(およそ60℃以上で起こりやすいとされます)、アンモニアと黄銅(時期割れ)、濃いアルカリと炭素鋼(アルカリぜい化)、湿った大気や塩化物と高強度アルミニウム合金です。塩化物によるステンレス鋼の割れは粒の内部を枝分かれしながら進む粒内割れ、黄銅の時期割れは粒界に沿った粒界割れになることが多く、割れの形も手がかりになります。
破壊力学で見るSCC
SCCのき裂の進展の速さ da/dt を、き裂の先端の応力拡大係数 K に対して描くと、ある値 K_ISCC より下ではき裂がほとんど進まず、その上では急に速くなったあと、K によらずほぼ一定の速さになる領域が現れます。この領域の速さは、き裂の先端での腐食反応や水素の拡散の速さで決まります。K_ISCC は大気中の破壊靭性 K_IC よりずっと小さいことが多く、一定の荷重でもき裂が少しずつ伸び、最後に K_IC に達して一気に壊れます。設計では、K が K_ISCC を超えないように許容できるき裂の大きさを決めます。
溶解型と水素ぜい化型
SCCの機構は、大きく2つに分けて考えられます。1つは、き裂の先端で塑性変形が皮膜を破り、新しく現れた金属が溶けてき裂が進む溶解型(すべり溶解)です。もう1つは、腐食反応で生じた水素が先端の引張応力の高い領域に入り込んで材料をもろくする水素ぜい化型で、高強度鋼で問題になります。この区別は対策に直結し、溶解型では電気防食で金属をカソードにすると割れが抑えられますが、水素ぜい化型ではかえって水素の発生を増やし、割れを促すことがあります。
腐食疲労との違いと対策の考え方
繰返しの応力と腐食が重なって起こる割れは腐食疲労と呼ばれ、特定の環境でなくても起こり、疲労限度がはっきり現れなくなる点がSCCと違います。SCCの対策は、材料・応力・環境の3つのどれかを断つことです。材料では、Niの多い鋼種や二相ステンレス鋼に替える、7075合金を過時効させたT73のように強さを少し犠牲にして割れに強い組織にする、といった方法があります。応力では応力除去焼なましやショットピーニング、環境では塩化物や溶存酸素を減らす、温度を下げるといった方法をとります。
応力腐食割れの練習問題に挑戦
応力腐食割れについての説明として正しいものはどれか。
- Aショットピーニングで表面に圧縮の残留応力を入れた部分で起こりやすい
- Bかかる応力が材料の降伏応力を超えて塑性変形したときにだけ起こる
- C感受性のある材料に引張応力と特定の腐食環境が重なったときに起こる
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正解：C. 感受性のある材料に引張応力と特定の腐食環境が重なったときに起こる
応力腐食割れは、割れの感受性をもつ材料に引張応力(外からの荷重や、溶接や加工による残留応力)がかかり、特定の腐食環境にさらされたときに、降伏応力よりずっと低い応力でもき裂が進む現象です。代表例は、高温の塩化物の環境でのオーステナイト系ステンレス鋼、アンモニアを含む環境での黄銅(時期割れ)です。外見ではほとんど腐食していないのに突然割れるので危険です。3つの条件のどれかを除けば防げるため、応力除去焼なましで残留応力を下げたり、ショットピーニングで表面に圧縮の残留応力を入れたりします。圧縮応力はき裂を開かないので、圧縮の残留応力がかかった部分で起こりやすいとする選択肢は逆です。降伏応力を超えないと起こらないとする選択肢も誤りです。
よくある質問
応力腐食割れはなぜ危険なのですか?
外から見て腐食がほとんどないのに、降伏応力より低い応力で突然割れるからです。き裂は細く、表面に出ている部分も小さいので、浸透探傷などで探さないと見つけにくい損傷です。
応力腐食割れと水素ぜい化は同じですか?
重なる部分はありますが同じではありません。腐食で生じた水素によるき裂の進展はSCCの1つの形とされますが、水素ぜい化はめっきや溶接で入った水素でも起こり、腐食の環境がなくても起こります。
応力腐食割れはどんな試験で調べますか?
U字に曲げた試験片を環境に浸すUベンド試験、一定の荷重をかけ続ける定荷重試験、ゆっくり引っ張って延性の低下を調べる低ひずみ速度試験(SSRT)などがあります。
解説の中の「応力腐食割れ」
応力腐食割れは、割れの感受性をもつ材料に引張応力(外からの荷重や、溶接や加工による残留応力)がかかり、特定の腐食環境にさらされたときに、降伏応力よりずっと低い応力でもき裂が進む現象です。
応力腐食割れについての説明として正しいものはどれか。