溶接不良の補強カラーに発生した張力による応力腐食割れ 磁粉探傷検査 によって明らかになった、鋼管表面の応力腐食割れ（小さな黒線の2つの集まり）を示す拡大写真。通常であれば目に見えない亀裂も、亀裂開口部に磁性粒子が集まることで検出可能となる。下部の目盛りはセンチメートル単位（1目盛りは1ミリメートル）である。応力腐食割れ （SCC ）は、 腐食 環境下での亀裂形成の成長です。特に高温下では、通常は延性のある 金属合金が 引張応力 を受けると、予期せぬ突然の破損につながる可能性があります。SCCは化学的に非常に特異性が高く、特定の合金はごく少数の化学環境に曝された場合にのみSCCを起こす可能性があります。特定の合金でSCCを引き起こす化学環境は、多くの場合、金属に対して軽度の腐食性 しかありません。そのため、深刻なSCCが発生した金属部品は、微細な亀裂で満たされているにもかかわらず、明るく光沢があるように見えることがあります。この要因により、SCCは破損前に検出されないことがよくあります。SCCは急速に進行することが多く、純金属よりも合金でより一般的です。特定の環境は非常に重要であり、壊滅的な亀裂を発生させるには、ごく少量の特定の高活性化学物質の濃度だけで十分であり、多くの場合、壊滅的で予期せぬ破損につながります。[ 1 ]
応力は、応力集中 による隙間荷重の結果生じる場合もあれば、組立方法の種類や製造工程（例えば冷間加工）による残留応力によって生じる場合もあります。残留応力は、 焼きなまし やその他の表面処理によって緩和できます。例えば、応力腐食割れによる化学プロセス機器の予期せぬ早期故障は、人員、操業設備、および環境の安全性の観点から重大な危険となります。このような故障は、機器の信頼性を低下させることで、生産性や収益性にも悪影響を及ぼします。
メカニズム 応力腐食割れは主に金属 および金属合金に発生します。 環境応力割れ とも呼ばれる同様の現象は、ポリマー 、セラミックス 、ガラス などの他の材料にも発生します。
pHが 低く、印加される酸化還元電位 が低いほど、SCCプロセス中の水素の発生と濃縮が促進され、SCC強度が増加する。[ 2 ]
後者は水素割れの特殊な例であるが、それ以外のすべては亜臨界 亀裂 成長現象を示している。すなわち、表面の小さな欠陥は、破壊力学で は破壊が起こらないと予測される条件下で（通常は滑らかに）伝播する。つまり、腐食性物質が存在する場合、亀裂は臨界応力拡大係数 （K 私 c {\displaystyle K_{\mathrm {Ic} }} K 私 s c c {\displaystyle K_{\mathrm {Iscc} }} K 私 c {\displaystyle K_{\mathrm {Ic} }}
ポリマー ポリマー でも同様のプロセス（環境応力割れ ）が発生し、製品が特定の溶剤や酸 やアルカリ などの腐食性化学物質にさらされると発生します。金属の場合と同様に、攻撃は特定のポリマーと特定の化学物質に限定されます。したがって、ポリカーボネートは アルカリによる攻撃には敏感ですが、酸による攻撃には敏感ではありません。一方、ポリエステルは 酸によって容易に劣化し、SCC が破壊 メカニズムとして考えられます。ポリマーは、攻撃剤が必ずしも材料を化学的に劣化させるわけではない 環境応力割れを起こしやすいです。 ナイロンは酸による劣化 （加水分解 として知られるプロセス）に敏感であり、ナイロン成形品は強酸による攻撃を受けると割れます。
SCCによって破損したナイロン製燃料パイプコネクタのクローズアップ写真 例えば、燃料コネクタの破断面には、酸による腐食（Ch）からポリマーの最終的な尖端（C）に至るまでの亀裂の進行が見られました。この場合、破損の原因は、自動車用バッテリー から漏れた硫酸 との接触によるポリマーの加水分解 でした。この分解反応は、ポリマーの合成反応の逆反応です。
天然ゴム 管におけるオゾンによるひび割れ ポリマーにおける応力腐食割れ（SCC）の一種であるオゾン 攻撃によって、多くの異なるエラストマー に亀裂が生じる可能性があります。空気中の微量のオゾンガスがゴム鎖の二重結合を攻撃し、天然ゴム 、スチレンブタジエン ゴム、ニトリルブタジエンゴム が最も劣化しやすいです。オゾン亀裂は引張応力がかかった製品に発生しますが、臨界ひずみは非常に小さいです。亀裂は常にひずみ軸に対して直角に発生するため、曲げられたゴム管の円周に沿って発生します。このような亀裂は、燃料パイプで発生すると危険です。亀裂は外側の露出面からパイプの内径に向かって成長し、燃料漏れや火災につながる可能性があるためです。オゾン亀裂は、 加硫前 にゴムにオゾン防止剤を添加することで防止できます。オゾン亀裂は自動車タイヤの サイドウォールでよく見られましたが、これらの添加剤の使用により現在ではほとんど見られなくなりました。一方、ゴムチューブやシールなどの保護されていない製品では、この問題が再発することがあります。
セラミックス この効果は、一般的に化学的攻撃に対してより耐性のあるセラミックスでは著しく少ない。応力下のセラミックスでは相変化がよく起こるが、これは通常、破壊ではなく強化につながる（二酸化ジルコニウムを 参照）。最近の研究では、この強化メカニズムの駆動力と同じ力が還元酸化セリウムの酸化を促進し、その結果、緻密なセラミック体の亀裂の緩やかな成長と自発的な破壊につながることが示されている。[ 3 ]
ガラス 図は、応力腐食割れにおける亀裂伝播の異なる領域を示している。領域Iでは、亀裂の伝播は、亀裂内のひずみ結合に対する化学的攻撃によって支配される。領域IIでは、亀裂への化学物質の拡散によって伝播が制御される。領域IIIでは、応力強度が臨界値に達し、周囲の環境とは無関係に伝播する。 ガラス中の亜臨界亀裂伝播は3つの領域に分類される。領域Iでは、ガラスと水との間の応力強化化学反応により、亀裂伝播速度は周囲の湿度とともに増加する。領域IIでは、亀裂伝播速度は拡散制御され、化学反応物が亀裂の先端に輸送される速度に依存する。領域IIIでは、亀裂伝播は臨界応力強度に達しているため、環境に依存しない。アンモニアなどの水以外の化学物質もシリカガラス中の亜臨界亀裂伝播を誘発することができるが、それらは電子ドナー サイトとプロトンドナー サイトを持っていなければならない。[ 4 ]
防止 レーザーピーニング によって生じる圧縮残留応力は、位置と強度の両方が精密に制御され、引張領域への急激な移行を緩和するために適用できます。レーザーピーニングは、従来のショットピーニングよりも10～20倍深い圧縮残留応力を生じさせるため、SCCの防止に非常に効果的です。[ 5 ] [ 6 ] 材料の選択：特定の環境に適した材料を選択することで、SCC を防ぐことができます。腐食性環境では、耐食性および応力腐食割れに対する耐性が高い材料を使用する必要があります。たとえば、海洋環境では炭素鋼の代わりにステンレス鋼を使用することで、SCC の可能性を低減できます。[ 7 ] 保護コーティング：保護コーティングやバリアを施すことで、腐食性物質が金属表面に接触するのを防ぎ、SCCの発生確率を低減できます。例えば、パイプラインの内面にエポキシコーティングを施すことで、SCCの発生確率を低減できます。[ 7 ] 陰極防食：陰極防食は、金属表面に微弱な電流を流すことで金属を腐食から保護する技術です。この技術は、金属の腐食電位を低下させることでSCCを防ぐのにも役立ちます。[ 7 ] 環境制御：金属の周囲の環境を制御することで、SCC を防ぐことができます。たとえば、環境の温度や酸性度を下げることで、SCC を防ぐことができます。[ 7 ] 点検とメンテナンス：定期的な点検とメンテナンスは、SCCが故障を引き起こす前に検出するのに役立ちます。これには、目視検査、非破壊検査、環境要因の監視が含まれます。[ 7 ]
注目すべき失敗例 オハイオ 州側から見た、崩落したシルバーブリッジ 1965年3月4日、ルイジアナ州ナチトチェスの 北にあるテネシーガスパイプラインに属する直径32インチのガス輸送パイプラインがSCCから爆発炎上し、17人が死亡した。少なくとも9人が負傷し、破裂箇所から450フィート離れた7軒の家屋が破壊された。[ 8 ] [ 9 ] SCCは、1967年12月にウェストバージニア州 ポイントプレザント のオハイオ川 に架かるアイバー 吊り橋 シルバーブリッジ が突然崩壊した際に、壊滅的な崩壊を引き起こしました。メインチェーンジョイントが破損し、構造全体が川に落下し、橋を渡っていた車両に乗っていた46人が死亡しました。アイバージョイントの錆が応力腐食割れを引き起こし、橋への高い荷重と低温の結果、臨界状態に達しました。アイバー内の高い残留応力 が崩壊を悪化させました。この災害は、全国的な橋梁の再評価につながりました。[ 10 ] アロハ航空243便 ：1988年、アロハ航空243便はSCCによる胴体部分破損に見舞われた。ボーイング737-200型機はハワイ州ヒロからホノルルへ飛行中、胴体の一部が破裂し、減圧事故が発生した。事故調査の結果、機体の加圧と減圧の繰り返しにより、胴体のアルミニウム外板にSCCが発生したことが判明した。この事故をきっかけに、将来同様の事故を防ぐため、航空機の整備手順と検査方法が変更された。[ 11 ] トランスアラスカパイプライン ：2001年、トランスアラスカパイプラインの一部がSCCにより破損した。このパイプラインは、アラスカ州ノーススロープからバルディーズ海上ターミナルまで原油を輸送するために使用されている。破損は、パイプラインの34フィートの部分が破裂し、28万5000ガロン以上の原油が流出した際に発生した。破損の調査により、パイプライン内に水とバクテリアが存在し、腐食環境を作り出したためにSCCが発生したことが判明した。[ 12 ] USSハートフォード 潜水艦の潜望鏡：2009年、潜水艦USSハートフォード の潜望鏡がSCCにより故障した。潜望鏡は潜水艦が潜航中に水面を視認するために使用される。故障は潜望鏡が潜水艦の船体を通して伸ばされたときに発生し、海水が潜望鏡のシールに浸入した。海水により潜望鏡の鋼鉄製支持構造にSCCが発生し、潜望鏡が潜水艦内に落下した。幸いにも負傷者は出なかったが、潜水艦は修理のために運用から外さなければならなかった。[ 13 ] [ 14 ] NDK Crystal : 2009年、 イリノイ州ベルビディア にある工場で高さ50フィートの石英 成長用オートクレーブが SCCにより激しく破裂し、近隣の事業所で1人が死亡、1人が負傷した。オートクレーブには高温高圧の水酸化ナトリウム 溶液が満たされており、厚い鋼鉄製の 圧力容器は 腐食環境に耐えられる設計ではなかった。しかし、工場のオペレーターは、容器の壁がケイ酸鉄ナトリウム の自己不動態層 の形成によって腐食から保護されると誤って信じていた。2007年に発生した以前のSCC事故やNDK Crystalの保険会社からの具体的な警告にもかかわらず、工場の8つのオートクレーブはどれも安全検査を受けていなかった。[ 15 ]
参考文献
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一般的な参考文献および引用文献 ASMインターナショナル、金属ハンドブック （デスク版）第32章（「故障解析」）、米国金属学会、（1997年）32-24～32-26ページ ASMハンドブック第11巻故障解析と予防 （2002年）「応力腐食割れ」WR Warkeによる改訂、米国金属学会。1738～1820ページ。 ASTM（2018年11月5日）。「ASTM G36-94（2018）沸騰塩化マグネシウム溶液中における金属および合金の応力腐食割れ耐性を評価するための標準実施方法」。astm.org 。2022年12月3日にオリジナルからアーカイブ。 2022年 6月1日 に取得 。 ワハトマン、ジョン B.、キャノン、W. ロジャー、マシューソン、M. ジョン。「第 8 章」。セラミックスの機械的性質 。
外部リンク ウィキメディア・コモンズにある 応力腐食割れに関するメディア
ウィキメディア・コモンズにある応力腐食割れに関するメディア
