Research Results 研究成果
高強度アルミニウム合金の破壊防止法を確立
～そのさらなる高性能化、軽量化の実現に道～ 2022.02.09研究成果Materials
- 金属に水素が入り込むと、その強度が低下します。「水素脆化」と呼ばれるこの現象により、航空機や鉄道などに用いられる高強度アルミニウム合金のさらなる高強度化は、３四半世紀の間、停滞しています。
- 最近解明された水素脆化のナノレベルの機構に基づき、水素脆化が有効に防止できることが分かりました。これは、ありふれた元素からなる化合物の粒子に水素を吸蔵させ、水素脆化の元となるナノ粒子の水素を低減するというものです。
- 安価な添加元素で済むため、提案法は、アルミニウムの水素脆化を防止できる工業的手法となり得ます。これにより、高強度アルミニウム合金のさらなる高性能化や構造部材の軽量化が期待できます。また、リサイクル材の利用などと組み合わせることで、資源やエネルギーの節減、コスト削減なども期待されます。
高強度アルミニウム合金は、航空・宇宙分野や、新幹線、スポーツ用品などに広く使われてはいるものの、水素脆化(※1)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、そのさらなる高性能化が阻まれていました。
九州大学大学院工学研究院の戸田裕之主幹教授、王亜飛特任助教らは、岩手大学、京都大学、高輝度光科学研究センターと共同で、大型放射光施設SPring-8(※2)でのX線CT(※3)を利用した4D(※4)観察を活用し、高強度アルミニウム合金にある種の粒子を生成させることで、水素脆化を有効に防止できることを見出しました。
研究グループは、これまで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てきました。これにより、金属材料中の水素の分布を精密に求め、高強度アルミニウム合金の水素脆化のメカニズムを解明しました（※5令和2年4月７日プレスリリース）。
これに基づき、水素脆化防止のためには、水素脆化をもたらすナノ粒子よりも水素を引き付け易いミクロ粒子から成る「水素脆化防止剤」をアルミニウム中に作り、ナノ粒子に水素が行かないようにすれば良いと発想しました。しかし、水素を蓄えたミクロ粒子そのものが水素脆化を起こし、アルミニウムの強度がかえって低下してしまう懸念がありました。そこで研究グループは、大型放射光施設SPring-8での4D観察を行い、ミクロ粒子の水素脆化は生じず、ミクロ粒子による水素脆化防止が有効に機能することを明らかにしました。
この手法は、アルミニウム合金の高強度化・高延性化をもたらすものとして工業的に利用できるようになると期待できます。ミクロ粒子は、アルミニウム、鉄、銅という3元素から成ります。アルミニウムのリサイクル時には、一緒にリサイクルされた鉄などが混入し、これらの元素の濃度が上昇してアルミニウムの特性が低下する事が問題となっています。提案する手法は、リサイクル時の鉄濃度上昇というマイナスの効果を、水素脆化防止というプラスの効果に転じることができる可能性もあります。
本研究成果は、金属材料工学分野で最も権威のある国際誌である『Acta Materialia』のオンライン速報版に2月9日（水）（日本時間）に掲載されました。
大型計算機で解析した材料各部位の水素濃度。ミクロ粒子（Al7Cu2Fe）が水素を引き付け、多くの水素を蓄える
ミクロ粒子添加前後（左：前、右：後）でのナノ粒子、ミクロ粒子の水素量変化
用語解説
（※1）水素脆化
金属材料に水素が入り、破壊が促進されて強度が低下するなどし、伸びが減少する現象。アルミニウム合金や鉄鋼材料をはじめ、多くの金属材料で報告されています。そのメカニズムには不明な点が多く、未だに多くの研究者が精力的に研究に取り組んでいます。
（※2）大型放射光施設SPring-8
理化学研究所が所有する、播磨科学公園都市（兵庫県）にある世界最高性能の放射光を生み出すことができる大型放射光施設で、利用者支援等は高輝度光科学研究センター(JASRI)が行っています。放射光とは、電子を光速とほぼ等しい速度まで加速し、磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、超強力な電磁波のことです。SPring-8では、放射光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーなど幅広い研究が行われています。
（※3）CT
Computed Tomography（コンピューター断断層撮影法）の略語。病院では骨や臓器を3Dで観察するのに用いられます。一方、SPring-8では、金属材料の組織の超高分解能3D観察が可能で、病院のCT装置に比べて、千～１万倍も高い解像度での観察ができます。
（※4）4D
四次元。3D（三次元）に時間軸を足したものです。4D観察は、一眼レフカメラの連写の様に3D画像を連続的に取得することです。現実の物体は全て3Dであり、4D観察ではその変化を克明に記録することができるため、様々な現象の理解や解明に非常に有効な手段となります。
（※５）令和2年4月７日プレスリリース
アルミニウムの自発的破壊現象の解明
～水素でアルミがもろくなる原因の解明と、計算科学による高強度合金への期待～https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/439
- 本研究についての詳細はこちら
論文情報
| タイトル： | In-situ 3D observation of hydrogen-assisted particle damage behavior in 7075 Al alloy by synchrotron X-ray tomography |
| 著者名： | Yafei Wang, Hiroyuki Toda, Yuantao Xu, Kazuyuki Shimizu, Kyosuke Hirayama, Hiro Fujihara, Akihisa Takeuchi, and Masayuki Uesugi |
| 掲載誌： | Acta Materialia |
| DOI： | 10.1016/j.actamat.2022.117658 |