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研究成果

公開日:2019.07.30

アルミニウム合金の水素脆化メカニズムを解明-今後の高強度化に期待-

研究成果 工学

 九州大学大学院工学研究院の戸田裕之主幹教授、清水一行特任助教らの研究グループは、大型シンクロトロン放射光施設SPring-8(※1)での4D(※2)観察を活用し、航空機用などとして広く使われている高強度アルミニウム合金の破壊メカニズムを解明しました。高強度アルミニウム合金は、既に航空宇宙や、スポーツ用品などに広く使われているものの、水素脆化(※3)や応力腐食割れと呼ばれる、水素が関係する破壊現象のため、さらなる高性能化が阻まれていました。研究グループは、高強度アルミニウム合金の破壊過程を4D観察し、得られた画像を詳細に解析しました。その結果、金属材料中の水素の分布を精密に求めることに成功しました。
 これまで、アルミニウム合金の水素脆化は、転位と呼ばれるミクロな欠陥に起因して生じるとされていました。しかし、解析の結果、これまで水素を引きつけないとされてきた材料中の微細粒子にほとんどの水素が存在し、微細な粒子とアルミニウムの界面が剥離することでアルミニウム合金の水素脆化が生じることがわかりました。また、従来は邪魔者と考えられていた粗大な粒子が水素を蓄えるため、適切な粗大粒子を生成させることで、微細な粒子の水素量を減らしてアルミニウム合金の水素脆化を抑制できることも分かりました。
 この研究により、アルミニウム合金の高強度化・高延性化などの高性能化が期待できます。さらに、今後も様々な解析を行うことで、簡便で低コストな、産業的にも応用可能な技術につながることが期待されます。
 本研究成果は、金属材料工学分野で最も権威のある英文誌である『Acta Materialia』のオンライン速報版に7月3日(水)に掲載されました。正式には9月1日(日)発行の第176巻に掲載される予定です。

図1 この100年間の材料強度の向上の歴史

図2 アルミニウム(図中Al)、鉄(Fe)、銅(Cu)の水素の溶解度の温度依存性。アルミニウムのみが融点(670℃程度)で水素の溶解度が大きく変化するため、固体のアルミニウムには水素が多量に含まれる。実際、黄色のバンドは、実用材料の常温での水素濃度。液体アルミニウム並の多量の水素が含まれることが分かる。

図3 アルミニウム合金の延性~脆性の破壊挙動を制御できる水素のヘテロ分散制御の概念図。図中の格子間、固溶原子、空孔、析出物などの表記は、アルムニウム合金のナノ構造、ナノ欠陥の種類を指す

研究者からひとこと

国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)の研究成果展開事業(産学共創基礎基盤研究プログラム)を実行することで、アルミニウムで真の破壊の様子が分かりました。プロジェクトに携わった研究者達にとっても、全く予想外の結果でした。これは、単なる学術研究ではなく、材料の高性能化を通して社会に貢献できる成果になると期待します。

論文情報

Assessment of hydrogen embrittlement via image-based techniques in Al–Zn–Mg–Cu aluminum alloys ,Acta Materialia,
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.06.056

研究に関するお問い合わせ先

工学研究院 戸田裕之 主幹教授

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