応力腐食割れが怖い理由

投稿日：2022年02月21日

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ものコラム

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機械材料を学ぶ

一般的に金属腐食と聞くと鉄が茶色になってさび付いてしてまう現象をイメージするかもしれません。

機械設計者が、腐食させたくないときに選ぶ金属材料でまず思い浮かぶのは、ステンレス鋼だと思います。

普段は腐食しずらい材質として用いられるステンレス鋼ですが、ちょっとした条件がそろうことで急激に腐食し、穴が空いてしまう現象というものがあります。

「SS400製のタンクが老朽化したので、タンク材質をSUS304に変えて更新したら、使用してすぐに穴が空いてしまった」

「この間まではなかったのに、熱交換器のSUSのケーシングに、小さなひび割れが急に現れた」

このような現象に悩まされる場合、もしかするとステンレス鋼を腐食させる「塩化物イオンCl-」が原因かもしれません。

引張応力が負荷されたステンレス鋼に塩化物イオンが接触することで発生してしまう腐食が「応力腐食割れ」です。

一般的な金属の腐食とは

応力腐食割れについて説明する前に、まずは、一般的な金属の腐食について説明します。

下の図は、金属表面の局部電池モデルと呼ばれる図で、金属が腐食するメカニズムを説明するために用いられます。

金属の腐食は、金属がイオン化することで発生します。金属に水滴がついているだけでも、その水滴の内部では、金属表面上に電位差があり、腐食は発生するのです。

図.局部電池モデル（金属表面で電子が移動するモデル）

腐食箇所の周囲では、電子移動により、アノード（負極）とカソード（陽極）が生じています。

それぞれアノード側、カソード側ではどのような現象が起きているかを以下に説明します。

アノード側

金属がイオン化され、電子を放出。
Fe　→　Fe⁺²+ 2e^–
イオン化された鉄は酸素と水と反応し、赤さびに変化。
それを化学式で書くと以下のようになる。
2Fe + 1.5 O₂+ 3H₂O → Fe₂O₃・3H₂O

カソード側

水中の溶存酸素( 1/2O₂)が水中で電子を受け取ることでOH-イオンが発生する。
1/2O₂+ H₂O + 2e^–→ 2OH^–
このOH^ーイオンが発生することでによって、アノード側で発生するFeイオンと結合し、赤さびの原因となる。
又、水素イオンに電子を与えることで、金属内部に水素を吸収させてしまい、脆化現象が起きてしますこともある。

これらの2つのアノード・カソード現象により発生する、腐食の形態についてまとめておきます。

下記の腐食形態が複合的に発生することもあります。

表.様々な腐食形態と発生原因

腐食形態	発生場所	発生原因
全面腐食	金属表面の全体	鉄がイオン化され、酸化鉄を作り出してしまうため。
異種金属接触	異種金属の境界部	異種金属のイオン化傾向の違いによる、局部電池を境界に生じてしまうため。
隙間腐食	金属接触部	金属が接触することにより、金属表面に不動態被膜（保護膜）が作れずに腐食が進行してしまうため。ステンレスでは起こりやすい。
応力腐食割れ	塩化物イオンの接触箇所（ステンレス）	塩化物がある状態で引張応力を付加すると、アノード電流により割れの促進が起こる。