プレスリリース

"悪者"水素が味方に：中性子が明かす金属の強度・延性向上メカニズム- 水素に強い金属材料を開発し、より安全な水素社会を目指す -

国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構
J-PARCセンター

 

概要

  本研究では、金属を脆くする「悪者」とされてきた水素が、金属の性能を高める「味方」となるメカニズムを明らかにしました。
  水素エネルギーは、カーボンニュートラル社会を実現するための重要な技術の一つです。実用化に向けては安全な水素貯蔵・輸送材料の開発が不可欠です。しかし、水素は金属に侵入すると、強度や延性を低下させる「水素脆化」を引き起こします。この水素脆化は、水素インフラの安全性向上を妨げる大きな課題とされていました。一方で、近年の研究では、特定の条件下で水素が金属の強度と延性を同時に向上させる可能性が示唆されていました。しかし、その詳細なメカニズムは未解明であり、科学的な裏付けが求められていました。
  本研究では、この謎を解明するために、Fe–24Cr–19Niステンレス鋼 (SUS310S) に水素を取り込んだ状態で、J-PARC ^註1物質・生命科学実験施設 (MLF) に設置している工学材料研究用中性子回折装置 TAKUMI ^註2を用いたその場観察を実施し、水素が金属の変形過程に及ぼす影響を詳細に解析しました。その結果、金属の中に侵入した水素が原子の並びをゆがませ、転位 ^註3 の動きを妨げることで強度が向上し、面状の結晶欠陥の一種である変形双晶^註4ができやすくなることで延性も向上するという新たなメカニズムを解明しました。この発見は、次世代の水素エネルギー社会に向けた高強度・高延性材料の開発に大きく貢献し、水素の安全な貯蔵・輸送技術の発展を支えるものです。
  なお本研究は、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構J-PARCセンターの伊東達矢博士研究員、マオ・ウェンチ博士研究員 (研究当時) 、ゴン・ウー研究副主幹、川崎卓郎研究主幹、ハルヨ・ステファヌス研究主幹、国立研究開発法人物質・材料研究機構の小川祐平研究員、岡田和歩研究員、柴田曉伸上席グループリーダーの研究グループによる成果です。
  本成果は、2025年4月1日 (現地時間) 発行の英国科学誌『Acta Materialia』に掲載されました

これまでの背景・経緯

  水素エネルギーは、カーボンニュートラルを達成するための重要な技術の一つであり、実用化のためには安全に水素を貯蔵・輸送できる材料の開発が不可欠です。水素が金属に侵入すると金属が脆くなる「水素脆化」を引き起こし、水素インフラの安全性向上を妨げる大きな課題とされています。一方、近年の研究では、特定の条件下では水素が金属の強度と延性を改善することが報告されました。しかし、その詳細なメカニズムは未解明であり、科学的な裏付けが求められていました。本研究では、この謎を解明するために、中性子回折を用いた変形試験中その場観察を実施し、水素が金属の変形過程に及ぼす影響を詳細に解析しました。

今回の成果

  本研究では、Fe–24Cr–19Niステンレス鋼 (SUS310S) を高温・高圧の水素環境下 (270℃、100 MPa, 200時間) にさらすことで、SUS310Sの重量に対して一万分の1.4程度の水素を導入しました。中性子回折を用いて引張変形中の水素を導入したSUS310S (以下、「水素添加材」という。) と通常のSUS310S (以下、「母材」という。) の構造変化を観察した結果、水素が強度と延性を改善するメカニズムが明らかとなりました (図1) 。

図1. 本研究で行ったSUS310S試料への水素添加と中性子回折実験

水素が固溶強化を引き起こし、金属の強度を向上させる

  図2左は水素添加材と母材の中性子回折パターンです。原子の並びが作る格子 (結晶格子) の方位や、その方位での結晶面の間隔によって異なる位置に回折ピークが現れています。水素添加材ではすべての方位で結晶格子が膨張しており、SUS310Sへの水素の侵入によって、結晶格子がわずかに広がってゆがみが生じていることが確認されました (図2右) 。金属の結晶格子にこのようなゆがみが生じると、転位 ^註3の移動が妨げられ、変形開始時の抵抗が高まることで強度が向上します。この現象は、固溶強化と呼ばれています。今回の場合、水素がSUS310Sに侵入して結晶格子をゆがませることで固溶強化が生じています。

図2. 水素添加による結晶格子の膨張とゆがみ
左図の「111」や「200」はそのピークを生み出している結晶面の方位を示している。

固溶強化の影響でより小さなひずみで双晶が発生し始まり、強度と延性を高める

  固溶強化によって強度が向上することで、より小さなひずみで変形双晶が発生し始まることが明らかとなりました。金属は通常、転位の移動によって変形しますが、双晶が形成されると転位の動きが抑制され、強度がさらに高まります。また、双晶が発生することで金属の延性が向上します (図3) 。水素添加したSUS310Sでの固溶強化は、双晶を発生させやすくすることを通じて間接的に延性を向上させるとともに、さらなる強度向上も生み出していることを明らかにしました。

 

図3. 水素添加による双晶が発生するひずみの変化と、双晶が強度と延性を高めるメカニズム

  本研究で明らかとなった、水素添加材においてより小さなひずみで変形双晶が発生し始まるメカニズムは、従来の仮説とは異なるものでした。これまで、水素は積層欠陥エネルギー (SFE) ^註5を低下させることで双晶形成を促すと考えられていました。しかし、本研究でSFEや双晶の発生が始まる応力を評価したところ、水素による直接的な影響は確認されませんでした。従来の仮説を覆し、SUS310Sにおいては、水素が直接的に双晶形成を促すのではなく、固溶強化を通じて間接的に双晶の形成を促していることが明らかになりました。
  以上の結果から、SUS310Sへの水素添加が強度と延性を向上させた最大の立役者は、水素の固溶強化であると結論づけられました (図4) 。

図4. 本研究で明らかとなった水素添加によるSUS310Sの強度・延性向上メカニズム

今後の展開

  本研究では、SUS310Sにおいて、水素が金属の強靭化に寄与するメカニズムを実証しました。今後は異なる合金系や水素濃度、温度条件における影響も調査する予定です。特に、より高強度な合金系での同様の効果の検証や、低温環境下での水素の影響について詳細な解析を行うことで、水素エネルギー社会に適した材料開発を加速させることが期待されます。また、本研究の成果を応用し、水素を利用した新しい合金の開発や、より安全な水素貯蔵・輸送システムの設計へと発展させることを目指します。

論文情報

	Tatsuya Ito, Yuhei Ogawa, Wu Gong, Wenqi Mao, Takuro Kawasaki,　Kazuho Okada, Akinobu Shibata, Stefanus Harjo, "Role of solute hydrogen on mechanical property enhancement in Fe-24Cr-19Ni austenitic steel: An in situ neutron diffraction study", Acta Materialia, 287, 120767 (2025)
	DOI : 10.1016/j.actamat.2025.120767

各機関の役割

日本原子力研究機構・J-PARCセンター	試料準備、中性子回折実験、組織観察、データ解析、論文執筆
物質・材料研究機構	試料準備、組織観察のサポートと機材提供、実験結果の解釈のための知見提供、論文執筆サポート

助成金の情報

  本研究は、科研費「研究活動スタート支援 (課題番号：JP23K19189) 」、「若手研究 (課題番号：JP21K14045) 」、文部科学省「データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト (課題番号：JPMX-P1122684766) 」、公益財団法人 池谷科学技術振興財団「単年度研究助成 ( 課題番号：0361224-A) 」の支援により実施されました。中性子回折実験は、J-PARC物質・生命科学実験施設の利用研究課題 (課題番号：2023I0019、2024P0400) として実施されました。透過電子顕微鏡観察は、文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業 (課題番号：JPMXP1223NM0178) の支援を受け、実施されました。

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