毎週1問――応力腐食に関する問題

金属材料または金属構造が、静的な引張応力と特定の腐食環境の両方の影響によって生じる脆性的な破壊。 　　応力腐食の発生条件と特徴：(1)引張応力でなければならない；(2)特定の材料が応力腐食を起こす環境媒体は特定されている；(3)応力腐食割れの速度は他の局部腐食の速度よりもはるかに速いが、純粋な力学的（機械的）破断速度よりははるかに遅い；(4)応力腐食割れは、明らかな前兆なく突然発生することが多いため、その危険性は極めて高い；(5)亀裂の形態には、粒間型、粒内型、混合型の3種類がある；(6)破面の形態は、マクロ的には脆性破壊に属し、ミクロ的には破面上に依然として塑性流動の痕跡が観察される。 　　応力腐食割れの抑制策：(1)応力を低減し、残留応力を除去する；(2)応力腐食に耐える材料の選定；(3)陰極防食の採用；(4)防食剤を添加するか、媒体中の有害成分を除去する。

以下は、インターネットで見つけた資料の抜粋です： 環境媒体の影響による破壊、腐食破面の特徴。実際の金属部品や構造物は、使用過程において周囲の環境にあるさまざまな媒体と接触することがよくあります。環境媒体が金属材料の力学的性質に与える影響を、環境効果と呼ぶ。環境効果の影響により、金属が受ける応力が材料の降伏強度を下回っていても、突発的な脆性破壊が生じる。この現象は環境破壊と呼ばれる。環境破壊には、通常、応力腐食割れ（SCC）、水素脆化（HE）、腐食疲労（CF）、液体金属脆化（LME）、放射線脆化などが含まれる。 第1節 应力腐食割れ 1. 应力腐食割れの特徴 材料や部品が応力と腐食環境の両方の影響を受けて生じる割れを、应力腐食割れと呼ぶ。この種の破壊は、応力と腐食が相互に作用し合う結果であり、この相互作用によって材料の損傷が促進され、き裂の早期形成や進展が加速される。応力の影響だけを考慮すると、放射状破壊を引き起こす応力は非常に小さいことがわかり、環境要因の影響がなければ、これほど小さな応力では絶対に安全である。応力腐食の危険性は、比較的穏やかな環境下およびそれほど大きくない応力状態で起こりがちであるため、しばしば見過ごされ、それが原因で事故が絶えず発生している点にあります。アメリカのASTMの統計によると、アメリカでは応力腐食割れだけで生じる損失が、年間3,000万ドルを超えている。 応力腐食割れには主に以下の特徴がある：(1) 応力腐食割れは脆性破壊であり、破面は平坦で主応力に垂直である。破断前に明らかな塑性変形は見られず、破面の形状は粒状を呈している。 (2) 应力腐食割れを引き起こすのは静的応力であり、材料の降伏強度よりはるかに低く、通常は引張応力である（近年では、圧縮応力によっても発生するステンレス鋼も見られる）。この引張応力は、外部から加えられる応力である場合もあれば、残留応力である場合もあります。溶接や冷間加工によって生じる残留応力や組織変化は、応力腐食の原因となりやすい。 (3) 应力腐食が起こる環境は特定されており、各種の媒体は特定の材料に対してのみ感受性を持つ。例えば、αブロンズはアンモニア溶液の中でしか腐食して破壊されないが、βブロンズは水中ですでに破損する；面心立方構造のオーステナイト系ステンレス鋼は塩化物溶液中で容易に破壊され、これは一般的に「塩化物脆性」と呼ばれるが、体心立方構造のフェライト系ステンレス鋼はこれに対して感受性がない；低炭素鋼および低合金鋼の苛性アルカリ溶液における「アルカリ脆性」と、硝酸イオンを含む媒体における「硝酸脆性」”；銅合金のアンモニア環境下での「アンモニア脆性」など。 (4) 应力腐食割れは多くの分岐を生じ、それらが発生・進展する応力の方向にほぼ垂直な方向に連続して進展する。進展経路は粒界を通ることもあるが、ほとんどは結晶粒内を進む。結晶内破壊の場合、その破面は劈開または準劈開であり、そのき裂には人字状や羽毛状の模様が見られる。 (5) 应力腐食によるき裂の進展速度は一般的に10⁻⁹～10⁻⁶m/sで、非常にゆっくりと進行する。この亜臨界状態のき裂進展がある臨界サイズに達すると、破断が起こる。 (6) 应力腐食によるき裂は多くの場合、表面のエロージョンピットから発生し、き裂の進展経路は通常、引張軸に垂直である。 (7) 应力腐食は局部腐食の一種であり、腐食き裂はしばしば腐食生成物に覆われているため、外観からは観察しにくい。 (8) 純金属は応力腐食を起こさないが、不純物含有量や合金元素含有量は応力腐食に大きな影響を与える。 (9) 負極防食は、応力腐食割れの防止およびき裂の進展停止に顕著な効果がある。 表9-1 金属材料が応力腐食を起こすいくつかの環境
材料　環境媒体
炭素鋼および低合金鋼　水酸化ナトリウム溶液、硝酸塩溶液、酸性硫化水素溶液、海水、海洋性または工業的雰囲気
ステンレス鋼　酸性酸化物溶液、塩化ナトリウム－過酸化水素溶液、硫化水素、海水、水酸化ナトリウム－硫化水素溶液
高強度鋼　雨水、海水、硫化水素溶液、塩化ナトリウム水溶液
ニッケル基合金　高温高濃度の水酸化ナトリウム溶液、フッ化水素の蒸気および溶液
アルミニウム合金　塩化ナトリウム－過酸化水素溶液、塩化ナトリウム水溶液、水蒸気、海水
銅合金　アンモニアの蒸気および溶液、アンモニウムイオンを含む水溶液
マグネシウム合金　塩化ナトリウム－クロム酸カリウム溶液
チタン合金　海水、メタノール、塩溶液
モネル合金　フッ化水素酸、フッ化ケイ酸

上記の応力腐食破壊の特徴は、破壊事故が応力腐食によるものかどうかを判断するのに役立ちますが、必ず総合的に考慮し、単一の特徴だけで安易に結論を出してはなりません。 2．応力腐食の機構　応力腐食破壊の過程にはき裂の形成と進展も含まれ、以下の3つの段階に分けられる： （1）潜伏期：これはき裂が発生する前の期間で、この間は主に腐食ピットが形成され、それがき裂の核となる。部品の表面に応力腐食き裂の原因となる欠陥（例えば結晶境界、双晶境界、介在物など）がある場合は、潜伏期はなく、き裂の進展期のみとなる， （2）き裂の亜安定進展期：応力と環境媒体の両方の作用により、き裂がゆっくりと進展する。 （3）き裂不安定拡大段階：き裂が臨界寸法に達した後に生じる機械的破壊。 応力と環境媒体の共同作用によるき裂の形成および進展に関しては、様々な理論が存在する。これまで比較的広く認められているのは、破壊の制御過程としてのアノード溶解メカニズム、および制御過程としてのカソード水素吸収による水素脆化メカニズム（水素脆化メカニズムについては後述する）である。ここで注意すべきは、応力腐食割れ（SCC）と水素誘起割れ（HIC）の関係である。論理的に言えば、それらの間は「交差」しており、つまりその一部の内容が重なっているのです。もしSCCが主に腐食による陰極反応による水素放出に起因するのであれば、この種のSCCもHICである；SCCが主にアノード溶解過程によって引き起こされる場合、このSCCはHICではない。一般的には、外部電位を印加するカソード分極法を用いてSCCのメカニズムを判定でき、すなわち加速破壊が起きる場合はHICメカニズムに該当する；減速または抑制される場合、それは陽極溶解機構に属する。 アノード電位を下げることでアノード金属の溶解が促進され、き裂は徐々に深部へと進展する。図7-2に示すように、上記のアノード溶解メカニズムは実際にはスリップ－膜破壊－アノード溶解－再不動態化という4つの過程を経る。応力腐食割れが粒界破壊型の場合、保護膜の破壊は応力の作用により局所的な微小領域でスリップステップが生じることが原因である。一方、結晶内破壊型の場合は、結晶間で偏析が生じたり、結晶間に連続相が析出したりすることで表面に突出した単一の結晶粒がステップを形成し、それによって表面の保護膜が破壊され、最終的に応力腐食割れに至る。例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼の応力腐食き裂は主に粒界に沿って進展するが、455℃以下で時効させると粒内を進展する。 3．応力腐食破面の特徴　応力腐食破面のマクロな形態的特徴は疲労破面と非常によく似ており、3つの領域が存在する：（1）破壊起点領域。一般的には局部腐食や、点腐食、亀裂腐食などの他のタイプのき裂が原因となります。これらの源となるき裂には、溶接き裂、疲労き裂、熱処理き裂などがある。応力腐食微小き裂は表面に発生し、不連続な形状をしており、多くの分岐があり鋭い（樹枝状）という特徴を持つ。 （2）応力腐食き裂の亜安定拡大領域。これは応力腐食き裂がゆっくりと進展する過程であり、この過程は材料の組織が応力や環境媒体と相互作用するものです。マクロ的に見ると、この過程の特徴はぜい性であることです。たとえ高い塑性を持つCr-Ni系オーステナイトステンレス鋼であっても、き裂は材料のある結晶学的方向（例えば解理面）に沿って進展するため、通常は黒色または灰黒色を呈します。そして、これらの腐食生成物は、後の破壊事故の分析において非常に重要な意味を持ちます。 （3） 最終瞬断領域。それは急速な引き裂き領域または破断領域で、基材の特性を示している。 応力腐食による微視的なき裂には分岐現象が見られ、これは応力腐食時に主き裂が速く進展し、他の分岐き裂は遅く進展することを示している。この特性に基づき、応力腐食を応力疲労、粒界腐食、およびその他の形態の破壊と区別することができる。 応力腐食破面の微細形態には、腐食ピット、腐食生成物、および泥状模様といった非常に顕著な特徴がある。泥紋模様とは、平らな面に直線状の亀裂が分布するもので（例えば川底が乾いたような状態）、これは腐食生成物が形成した被膜です。結晶内破壊の場合、電子顕微鏡で観察される破面は、平らな凹み（深さが幅より大きい）、扇形パターン、段差、および川のようなパターンとなる。溝状領域は応力と腐食媒体の相互作用によって生じ、扇形のパターンや段差は異なる平面上の応力腐食き裂が連結した結果であり、観察方向が異なるために異なる破面パターンが現れるだけである。 要するに、応力腐食の破面特性はかなり複雑である。それは、材料の結晶構造、機械的性質、合金組成、熱処理状態、環境雰囲気、温度および圧力状態に関連している。それは脆性破面を呈することもあれば、時には延性破面が見られることもあり、破壊様式は粒界破壊であることも粒内破壊であることもある。例えば、一般的に低炭素鋼、低合金鋼、アルミニウム合金、α－真鍮は粒界破壊を起こすが、β－真鍮や塩化物にさらされたオーステナイト系ステンレス鋼は、ほとんどの場合粒内破壊を起こす。 上述の応力腐食の発生メカニズムと条件からわかるように、応力腐食破壊を防ぐ方法は主に材料の適切な選定にある。つまり、部品が受ける応力や使用条件に応じて、応力腐食に対する感受性が低い材料を選ぶのである。例えば、真鍮はアンモニアに対して応力腐食割れの感受性が非常に高いため、アンモニアに触れる部品ではできるだけ銅合金の使用を避けるべきである；次に、部品内の残留引張応力を減少させるか除去することで、SCCへの感受性を低下させることができる。つまり、設計上は部品内の応力集中をできるだけ減らし、工程上では加熱や冷却を均一に行い、必要に応じて応力を除去するために焼き戻し処理を施す。これにより外部から加わる引張応力の影響を相殺または部分的に相殺することができ、SCCの抑制に役立つ；さらに、媒体条件を改善することで、腐食抑制剤や保護層を添加したり、応力腐食を促進する有害な化学イオンを減少させたり除去したりすることにより、媒体条件を変えることで応力腐食を防ぐことができる；例えば、水の浄化処理によって冷却水や蒸気水中の塩化物イオン濃度を低減することは、オーステナイト系ステンレス鋼の応力腐食割れを防ぐ上で非常に効果的である。したがって、腐食性媒体の蓄積を防ぐために金属部品の設計を改善することは、SCCを抑制するための重要な対策である。 最後に、電気化学的防護の観点からも、カソード保護を用いて応力腐食の発生を防ぐことができる。なぜなら、カソード分極によってき裂の進展速度が低下するからだ。しかし、高強度鋼やその他の水素脆性に敏感な材料に対しては、カソード保護法を用いてはならない点に注意する必要がある。

この投稿は最終的に、2009年9月12日12時45分にbrandonによって編集されました。1. 金属や合金が腐食と引張応力の両方の影響を受けて生じる腐食を、応力腐食と呼びます。したがって、このような条件で生じる破壊は、応力腐食割れ、すなわちSCC（Stress Corrosion Cracking）と呼ばれます。応力腐食は、特定の「材料－環境」系においてのみ発生し、さらに引張応力（外部応力や溶接、冷間加工などによって生じる残留応力）が存在しなければならない。腐食性が非常に弱い環境下でも、き裂が発生することがある。一般的な応力腐食によるき裂の形態には2種類あり、1つは結晶境界に沿って進展するもので、これを結晶間破壊と呼ぶ；もう一つは結晶粒を貫通するもので、粒界破壊と呼ばれます；混合型もあり、例えば主な割れ目が粒界型で、副次的な割れ目が結晶内型である場合などです。その亀裂は引張応力に垂直である。金属の応力腐食割れは脆性的であり、明確な前兆がないため、最も危険な腐食形態の一つです。 2. 以下の媒体は、オーステナイト系ステンレス鋼に応力腐食割れを引き起こしやすい：熱い塩化物溶液、熱海水、高温水、熱いNaCl溶液、トリクロロエタン、H2S水溶液、NaOH水溶液、濃縮ボイラー水、水蒸気、NaOH＋硫化物水溶液。オーステナイト系ステンレス鋼は、応力腐食感受性イオン（Cl-、OH-など）を含む溶液内で、応力がかかる部分（溶接部付近など）において危険な応力腐食割れが発生する可能性がある。特にCl-を含む溶液は、オーステナイト系ステンレス鋼の応力腐食割れ事故の約70％以上を占めている。Cl-濃度が高くなるほど割れやすくなるが、割れない明確な限界濃度は存在しない。このような例があり、クロムニッケルステンレス製の熱交換器において、管と管板の隙間にCl-を含む冷却水が溜まり、ステンレス管が応力腐食割れを起こし、その結果9ヶ月で破損してしまった。したがって、水中に微量のCl-が含まれている場合、オーステナイト系ステンレス鋼にとっても非常に危険です。 3、1）適切な材料を選定するために、材料を選ぶ前に水質をしっかりと検査する必要がある。2）合理的な設計を行い、高応力領域を避ける。3）製造時に適切な工程を定め、残留応力を除去する。

この投稿は最終的にlanye55によって2009年9月16日08:38に編集・公開されました。より包括的な回答をご紹介します。返信してくださった会員の方々はすべて関連する質問に答えてくれましたので、ここでその問題についてより詳しく説明します：応力腐食割れとは、金属が応力（引張応力）と腐食の両方の影響を受け（一定の温度条件も伴う）、破壊が生じる現象です。 応力腐食はかなり複雑で、応力が存在しない場合、腐食はごくわずかです；応力がかかると、金属は腐食がそれほど進んでいない状態でも破壊されることがあります。この破壊は脆性的なもので、明確な前兆がなく、災害的な事故を引き起こしやすいです。 応力腐食割れを引き起こす可能性のある金属材料と環境の組み合わせは、主に以下の通りです：
1. 炭素鋼およびその低合金鋼：アルカリ溶液、硝酸塩、無水アンモニア、湿った硫化水素、酢酸など
2. オーステナイト系ステンレス鋼：塩化物イオン、塩化物＋蒸気、湿った硫化水素、アルカリ溶液など
3. モリブデン含有オーステナイト系ステンレス鋼：アルカリ溶液、塩化物水溶液、硫酸＋硫酸銅水溶液など
4. 黄銅：アンモニアガス及びその溶液、塩化第一鉄、湿った二酸化硫黄など
5. チタン：塩酸を含むメタノールまたはエタノール、溶融塩化ナトリウムなど
6. アルミニウム：湿った硫化水素、水素を含む硫化水素、海水など 応力腐食環境と金属に関するものは、2階の表の部分もご覧ください