水素の影響を受けない新しい高強度アルミニウムの創製

• 金属に水素が入り込むと、その強度や延性が低下する水素脆化や、長期間使用したときに水素がアルミニウムを突然破壊する応力腐食割れと呼ばれる現象が生じる。本研究グループは、高強度アルミニウムに一般的に用いられるナノ粒子（η）が水素で損傷を受けることを最近報告している。
• この防止のため、アルミニウムの強度をかなり落とした状態で使う、特定の元素を添加して粒子を形成するなどの方法が実用的に用いられる。いずれも水素脆化の防止効果はある程度得られるものの、アルミニウムの強度や靱性（粘さ）を犠牲にせざるを得なかった。
• 今回、ηとは異なるナノ粒子であるTナノ粒子が水素を大量に吸蔵することを発見した。ηナノ粒子の一部をTナノ粒子に置き換えるだけで、アルミニウムの強度などを犠牲にすることなく、水素によって脆化しない高強度アルミニウムを創成することができることを見出した。

　高強度アルミニウム合金には、水素脆化(※1)や応力腐食割れ(※2)などの現象が生じて材料に環境の悪影響があり、また長期間使用する時の信頼性も問題になります。アルミニウムをさらに高強度化しようとすると、これらの現象が著しく生じ、高強度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、ワンヤフェイ特任助教、岩手大学の清水一行助教らは、原子レベルのシミュレーションを行い、これまで実用されていなかったナノ粒子（T相と呼ばれる）がその内部に水素を強力かつ大量に吸蔵できることを発見しました。また、現在アルミニウムの強化のために用いられているナノ粒子（η：イータと呼ばれる）の一部をTナノ粒子に置き換えることで、水素脆化などが有効に防止できました。これにより、アルミニウムの強度や靱性などを犠牲にすることなしに、水素によって脆化しない高強度アルミニウムを創成することができました。
　さらに研究グループは、高輝度光科学研究センターや京都大学の研究グループと共同で大型放射光施設SPring-8(※3)の高分解能X線CT(※4)を用いた実験を行い、高強度アルミニウム合金の破壊過程を4D(※5)観察することでシミュレーションの結果を検証しました。得られた画像に高度な画像解析を施すことで、アルミニウム中の水素の分布を精密に求めました。従来の高強度アルミニウムでは、水素がηナノ粒子の表面に集中して材料の損傷をもたらしていました。しかし、ηナノ粒子の一部をTナノ粒子に置き換えた場合、Tナノ粒子の内部に水素が大量に蓄えられ、これと引き替えにηナノ粒子に引きつけられる水素が劇的に減少しました。これにより、水素脆化の発生を効果的に防止することができました。また、仮に水素脆化により亀裂が発生したとしても、破壊の進行を強力に抑えることができました。これらは、水素によって脆化しない高強度アルミニウムを実現するための鍵を握る、重要な物理メカニズムです。
　Tナノ粒子の生成には新たな元素の添加は必要とせず、特殊な装置を用いることもありません。以前から用いられている安価な合金元素であるマグネシウムの濃度を現在より少し増やすか、熱処理の温度を少し引き上げるなどだけでηナノ粒子の一部をTナノ粒子に「切り替える」ことができます。したがって、Tナノ粒子の利用は、工業的にも実用可能な技術になると期待されます。 この研究成果は、11月18日（金）に国際誌『Nature Communications』に掲載されました。

（※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）応力腐食割れ
特定の環境中において、比較的低い力しかかかっていないにもかかわらず、数ヶ月から数年、時として数十年の期間を経て、金属が突然割れる現象。ステンレスは塩素、黄銅はアンモニアなどと特定の材料と環境との組み合わせで生じるが、アルミニウムは空気中の湿気だけで生じるため、応力腐食割れが生じ易い材料と言えます。
（※3) 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。JASRIが利用者支援などを行う。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では世界最大のX線顕微鏡が構築されており、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーなど放射光を用いた最先端の研究が行われています。
（※4）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。
（※5）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。

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掲載誌：Nature Communications
タイトル：Switching nanoprecipitates to resist hydrogen embrittlement in high-strength aluminum alloys （和訳：高強度アルミニウム合金における耐水素脆化ナノ粒子への切り替え）
著者名：Yafei Wang, Bhupendra Sharma, Yuantao Xu, Kazuyuki Shimizu, Hiro Fujihara, Kyosuke Hirayama, Akihisa Takeuchi, Masayuki Uesugi, Guangxu Cheng, Hiroyuki Toda
DOI：10.1038/s41467-022-34628-4

工学研究院　戸田 裕之　主幹教授