JP4786479B2

JP4786479B2 - 破壊力学的試験方法及びその試験体

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Publication number: JP4786479B2
Application number: JP2006241998A
Authority: JP
Inventors: 秀高西田
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: JP2008064573A

Description

金属製の試験片に対して高温における破壊力学的試験を行う方法及びその試験体に関する。

材料強度試験のうち熱負荷のかかる設備等の余寿命を破壊力学的な視点から評価する試験に、例えば、破壊靱性試験やき裂進展試験などがある。これらの試験は、小規模降伏状態又は平面ひずみ状態における条件下で実施されなければならず、試験対象となる試験片に試験可能な大きさについての規格がある。

破壊靱性試験には、線形弾性破壊力学に基づく平面ひずみ破壊靱性（Ｋ_ＩＣ）試験（ＡＳＴＭ規格Ｅ３９９−９０）や、弾性、弾塑性を問わず亀裂先端近傍の特異応力・ひずみ場の強さを測定する弾塑性破壊靱性（Ｊ_ＩＣ）試験（ＡＳＴＭ規格Ｅ１７３７−９６）などがあり、これら試験には試験片として、例えば、ＣＴ（ＣｏｍｐａｃｔＴｅｎｓｉｏｎ；ＡＳＴＭ規格Ｅ３９９−９０）試験片や３点曲げ試験片（日本機械学会基準ＪＳＭＥＳ００１−１９９２）が用いられる。

図８は破壊靱性試験に用いられる（ａ）ＣＴ試験片、（ｂ）３点曲げ試験片の斜視図である。

図８に示す試験片には、試験を実施する上で必要な最小寸法が、板厚Ｂ、亀裂長さａ及びリガメント幅ｂについて、平面破壊靱性（Ｋ_ＩＣ）試験では式（１）、弾塑性破壊靱性（Ｊ_ＩＣ）試験では式（２）のように定められている。
Ｂ、ｂ、ａ≧２．５（Ｋ_Ｑ／σ_ｙｓ）^２・・・（１）
Ｂ、ｂ≧２５（Ｊ_Ｑ／σ_ｆｓ）・・・（２）
ただし、Ｋ_Ｑは破壊靱性、σ_ｙｓは材料の降伏応力（耐力）、Ｊ_ＱはＪ積分値、σ_ｆｓは有効降伏強度である。

式（１）又は式（２）によれば、板厚Ｂの条件は平面ひずみ状態であること、そして、亀裂長さａ又はリガメント幅ｂの条件は小規模降伏状態であることを保障するものである。

これらの試験によると、試験中に得られるＫ_Ｑ及びＪ_Ｑの値は、式（１）又は式（２）の条件を満たしたときに初めて、その時の値を平面ひずみ破壊靱性Ｋ_ＩＱ及び弾塑性破壊靱性Ｊ_ＩＣとする結果を得られることができ、予め、試験片の寸法が妥当であったかどうかは、試験を行った後にしかわからず、得られた結果がすべて妥当な値であるとは限らない。そのため、試験片の各寸法が大きい程、Ｋ_ＩＱ及びＪ_ＩＣの値が確定しやすいので、可能な限り大きい試験片を設備等から採取することが好ましく、特に、板厚Ｂについては採取後に変更できないので、できるだけ厚い方がよい。

また、き裂進展試験についても平面ひずみ状態であることが条件であるので、上記試験と同様に板厚Ｂが厚い方がよい。

ところで、電力各社においては、高温機器の経年化が年々進む中で、それらの補修コストの低減にむけて、定期検査間隔の延長、機器の寿命延伸が重要な課題とされており、供用中の高温機器の予寿命の推定にこれら破壊力学的試験の適用が検討されている。

しかしながら、これら高温機器から上記試験に必要な厚さのサンプルを採取することは、機器自体にダメージを与えることとなるため、その適用が困難であった。したがって、破壊力学的試験の対象試験片は、使用済みの廃棄された機器から採取されたサンプルに限られてしまい、この結果を前記使用済み機器と同じ時間だけ稼動している実機の余寿命として推定するなどの方法でしか評価できないため、稼働中の実機の正確な余寿命評価ができなかった。

これに対して、従来より、実機にダメージを与えない程度の小片のサンプルを採取し、そのサンプルを有効利用することにより上述した試験を実現可能にした試験方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、実機から採取されたサンプルの両面に、サンプルと同材質又は異材質の材料によって作製された補助部材を、ＣＯ_２レーザ又は電子ビームを用いて、サンプルと補助部材との溶接ビート部をサンプルの２倍以上の硬さを有するように焼き入れするとともに溶接して補助部材付試験片を作製し、この補助部材付試験片を３点曲げ試験に用いて平面ひずみ破壊靱性値Ｋ_ＩＣを算出する方法が開示されている。これは、サンプル両面に、サンプルへの熱影響を少なく、かつ溶接ビート部に硬化部を形成させる溶接を施すことにより、サンプル近傍の変形に対する拘束度を増大させて平面ひずみ状態を保持させ、破壊靱性Ｋ_ＩＣ試験を実現させるためのものである。
特開平１０−１３２７１８号公報

しかしながら、特許文献１に開示される試験方法では、例えば、設備から採取したサンプルと同材質のものを補助部材としてサンプルの両面に溶接して補助部材付試験片を作製し、その補助部材付試験片を用いて、設備から採取したサンプルがクリープ変形を大きく生じるような高温における破壊靱性試験を行う場合、補助部材にも同様にクリープ変形が生じてしまうのでサンプルに十分な応力を伝達することができず、破壊靱性試験が実施できなくなるおそれがある。

また、サンプルと補助部材との間の溶接ビート部に硬化部を形成させる溶接を施すとしても、上記のような高温では、硬化部の硬度が低下することによりサンプルに対する拘束度が低下し、平面ひずみ状態を保てなくなって破壊靱性試験が実施できなくなるおそれもある。

また、補助部材としてサンプルと異材質のものを用いた場合においての補助部材に生じるクリープ変形についての具体的対策は、特に講じられていない。

また、サンプルへの熱影響を少なくするためにＣＯ_２レーザ又は電子ビームを用いて溶接を行っているが、この熱影響がたとえ小規模であってもサンプルが小型であるので、サンプルの大きさに対する熱影響を及ぼす領域の比率が大きくなり、試験結果に影響を与えるおそれがある。このため、正確な試験結果が得られるように、サンプルへ与える熱影響をできるだけ少なくする必要がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、実機から採取した小型の試験片を利用して高温における破壊力学的試験を正確に行えるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、金属製の試験片に対して、高温における破壊力学的試験を行う方法であって、
前記試験片の両面に、所定の温度におけるクリープ強度が前記試験片よりも高く、かつ前記所定の温度における硬度が前記試験片よりも高い拘束部材を、ボロンと、前記試験片を構成する少なくとも１つの金属元素と、前記拘束部材を構成する少なくとも１つの金属元素とを含む金属箔を介在させて溶接して試験体を作製し、
前記試験体における前記試験片に予亀裂を導入し、
前記試験体を所定の高温に加熱した状態で前記拘束部材を介して前記試験片に荷重を与えることを特徴とする（第１の発明)。

本発明の破壊力学的試験方法によれば、材料強度試験を行う高温条件において、実機から採取した試験片よりもクリープ強度が高く、かつ、高い硬度を有する拘束部材を、試験片の両面に溶接して試験体として試験に用いることにより、例えば、採取した試験片にクリープ現象が生じるような高温度において試験を行う場合であっても、拘束部材を介して試験片に十分に応力を伝達させることができるとともに堅固に拘束できるため、平面ひずみ状態又は小規模降伏状態を条件とする破壊力学的試験を実施することができる。

また、試験片と拘束部材との間にボロンを含む金属箔を介在させて溶接することにより、金属箔を介さない場合よりも低い融点にて溶接ができるため、試験片に与える熱影響をより少なくでき、破壊力学的試験を正確に実施することができる。

さらに、金属箔が、前記試験片を構成する少なくとも１つの金属元素と、前記拘束部材を構成する少なくとも１つの金属元素とを含むので、溶融した金属箔と試験片及び拘束部材とが親和して、試験片と拘束部材との溶接間の溶着性を向上させ、試験片をさらに堅固に拘束できる。これにより、より精度の高い平面ひずみ状態又は小規模降伏状態が形成でき、破壊力学的試験を正確に実施することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記所定の温度は、６００℃以上であることを特徴とする。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記拘束部材に、ジルコニア合金、ＳＵＳ、クロム含有率９％以上の合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金のいずれかを用いることを特徴とする。

第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明において、前記溶接に、レーザ又は電子ビームを用いることを特徴とする。

第５の発明は、金属製の試験片に対して行われる高温における破壊力学的試験用の試験体であって、前記試験片の両面に、所定の温度におけるクリープ強度が前記試験片よりも高く、かつ前記温度における硬度が前記試験片よりも高い拘束部材を、ボロンと、前記試験片を構成する少なくとも１つの金属元素と、前記拘束部材を構成する少なくとも１つの金属元素とを含む金属箔を介在させて溶接してなることを特徴とする。

本発明によれば、実機から採取した小型の試験片を利用して高温における破壊力学的試験を正確に行うことができる。

以下、本発明に係るき裂進展試験方法の好ましい一実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

本実施形態に係るき裂進展試験方法は、例えば、発電所設備うち熱負荷のかかるタービンの車室の余寿命評価を行う際に用いられる。

図１は、本実施形態に係るき裂進展試験方法の手順を示すフローチャートである。
図１に示すように、き裂進展試験方法は、車室から金属片を採取するサンプリング工程Ｓ１と、採取された金属片から試験体を作製する試験体作製工程Ｓ２と、作製された試験体を用いて実施するき裂進展試験工程Ｓ３にから構成される。

サンプリング工程Ｓ１では、余寿命評価の対象とする車室の表面における所定位置から金属片を採取する。その際に、実機に与えるダメージを極力少なく、また採取される金属片に加工変形や熱変形が生じないようにすることが好ましい。このような金属片の採取には、例えば、特開２００６−１０２９００号公報に開示される放電サンプリング装置を用いる。

図２は、上記放電サンプリング装置を用いて採取した金属片の一例を示す平面図及び立面図である。図２に示すように、この放電サンプリング装置によって採取可能な金属片１２は、概ね２．５ｍｍ×２０ｍｍ×４０ｍｍの大きさで採取される。

試験体作製工程Ｓ２では、サンプリング工程Ｓ１において実機から採取された金属片１２に拘束部材を溶接して試験体の作製を行う。金属片１２は、上記のように放電サンプリング装置によって実機表面を剥ぎ取るように採取されるため、金属片１２の剥ぎ取りの開始又は終了する端部においては、金属片１２の厚さが次第に薄くなる部分（以下、薄肉部１２ａという）ができる。これに対し材料試験用の試験体には厚みの一定となる部分が必要であるので、金属片１２からこれら薄肉部１２ａを取り除く加工を行い、この加工後の金属片１２を試験片１２ｂとする。この薄肉部１２ａを取り除く加工にも、例えば、加工変形や熱変形が生じさせないような放電加工装置又は切削装置を用いることが好ましい。同図に示すように試験片１２ｂの大きさは、例えば２．５ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍ程度である。

次に、加工した試験片１２ｂの両面に、試験片１２ｂが平面ひずみ状態となるように拘束する拘束部材を溶接する処理を行う。図３は、本実施形態に係る試験体の分解斜視図であり、図４は、作成された試験体の斜視図である。

図３に示すように、拘束部材１４は、タービンの車室に導入される蒸気と同程度の温度である６００〜７００℃の温度域においてもクリープ変形を生じにくく、またこの温度においても高硬度を維持できる金属（例えば、ジルコニア合金、ＳＵＳ、クロム含有率９％以上の合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金など）により構成される。拘束部材１４には試験片１２ｂと断面の大きさを同程度（例えば、２０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍ）に加工したものを、試験片１２ｂの両面に溶接するために、１試験体につき２個作製する。

また、試験片１２ｂと拘束部材１４とを溶接する際に、その間に金属箔であるフィラー１６を介在させて溶接する。フィラー１６には、ボロンと、金属片１２を構成する少なくとも１つの金属元素（例えば、車室から採取したものであれば、クロム、モリブテン又はバナジウムなど）と、拘束部材１４を構成する少なくとも１つの金属元素（例えば、クロム又はコバルトなど）とを含むもの用いる。また、溶接には電子ビーム（図示しない）及びレーザ（図示しない）を用いる。以下にこのフィラー１６を用いて溶接を行った際の試験片１２ｂと拘束部材１４との接合プロセスを説明する。

まず、電子ビーム及びレーザによる加熱によって融点を超えたフィラー１６が溶融する。この時にフィラー１６中のボロンは、溶融部と接している試験片１２ｂ又は拘束部材１４の端面から内部へと拡散浸透する。フィラー１６の溶融部と接している試験片１２ｂ又は拘束部材１４の端面は、ボロン濃度が高くなり、融点が下がり一部溶融する。この時、フィラー１６には、試験片１２ｂと拘束部材１４を構成する金属元素が含まれているので、溶融したフィラー１６は、一部溶融した試験片１２ｂ及び拘束部材１４と親和していき、フィラー１６と試験片１２ｂ及び拘束部材１４とは強固に結合される。その後、拡散が進みボロン濃度が低下してくると融点が上がり、溶融部が凝固して接合がなされる。なお、図４に示すように、溶接部１８の厚さは１ｍｍ未満であることが好ましい。

このようにして試験片１２ｂの両面に拘束部材１４を溶接した後、試験体１０における試験片１２ｂの厚み方向の中央部に予き裂２０を導入することにより、試験体１０が作製される。なお、予き裂２０は、例えば一般的な放電加工機など用いて加工する。

き裂進展試験工程Ｓ３では、試験体作製工程Ｓ２で作製された試験体１０を用いて、ＡＳＴＭＥ６４７―９３に基づき、タービンの車室に導入される蒸気と同様の高温条件を試験対象温度としてき裂進展試験を行う。図５は、き裂進展試験における試験体１０周辺の構成を示す立面模式図である。

図５に示すように、試験機２２に備えるチャック２４に試験体１０を固定し、試験体１０を、高周波加熱コイル２５などを用いて６００〜７００℃の温度まで加熱する。そして、この状態において試験機２２からチャック２４を通じて試験体１０に、所定の応力σ及び応力比（最大応力σ_ｍａｘと最小応力σ_ｍｉｎとの比）で長手方向に繰り返し荷重をかけ、その時のき裂の長さａ（図４参照）を測定していく。き裂の確認方法は読み取り顕微鏡にて行う。読み取られたき裂長さａと繰り返し数Ｎからき裂進展速度（ｄａ／ａＮ）を求め、次式（３）を用いて応力拡大係数幅ΔＫを計算する。

ただし、Ｆは補正係数、Δσは最大応力σ_ｍａｘと最小応力σ_ｍｉｎとの差である。

そして、これらき裂進展速度（ｄａ／ａＮ）と応力拡大係数幅ΔＫとの関係を両対数グラフにプロットする。図６は、き裂進展速度（ｄａ／ａＮ）と応力拡大係数幅ΔＫとの関係の一例を示すグラフである。

図６に示すように、き裂進展速度（ｄａ／ａＮ）と応力拡大係数幅ΔＫとのプロット点の分布は、一般に、き裂の進展開始に関する領域Ａと、き裂の安定成長段階である領域Ｂと、最後に急速にき裂が進展する不安定破壊の領域Ｃに分類される。領域Ａについては、き裂が開始される際の応力拡大係数幅ΔＫ_ｔｈが評価値として用いられ、また、領域Ｃについては、不安定破壊が開始する応力拡大係数幅ΔＫ_ｍａｘにおける最大応力σ_ｍａｘに対応する応力拡大係数Ｋ_ｍａｘを疲労破壊靱性Ｋ_ｆｃとして評価値に用いる。また、領域Ｂについては、次式（４）で示されるようなパリス則と呼ばれるき裂進展則の関係が成立し、この関係に基づいて設備機械の検査間隔の決定や余寿命の評価がなされる。
ｄａ／ｄＮ＝Ｃ（ΔＫ）^ｍ・・・（４）
ただし、Ｃは定数、ｍは両対数グラフにプロットされたΔＫとｄａ／ａＮとの傾きである。

以上説明したように、本実施形態によるき裂進展試験方法によれば、試験対象とする６００〜７００℃の温度域において、実機から採取した金属片１２よりもクリープ強度が高く、かつ、高い硬度を有する拘束部材１４を、試験片１２ｂの両面に溶接して試験体１０として試験に用いることにより、拘束部材１４を介して試験片１２ｂに十分に応力を伝達させることができるとともに堅固に拘束できるため、平面ひずみ状態又は小規模降伏状態を条件とするき裂進展試験を実施することができる。

また、本発明のき裂進展試験方法によれば、試験片１２ｂと拘束部材１４との間に、ボロンを含むフィラー１６を介在させて溶接することにより、フィラー１６を介さない場合よりも低い融点にて溶接ができるので試験片１２ｂに与える熱影響をより少なくできる。

また、フィラー１６には、金属片１２を構成する少なくとも１つの金属元素と、拘束部材１４を構成する少なくとも１つの金属元素とが含まれることにより、溶融したフィラー１６と、試験片１２ｂ及び拘束部材１４とが親和して、溶接間の溶着性を向上させ、試験片１２ｂをさらに堅固に拘束できるため、精度の高い平面ひずみ状態を形成させることができる。これらの結果、試験片１２ｂについてき裂進展試験をより正確に実施することができる。

なお、本実施形態による試験体１０はき裂進展試験に用いたが、これに限らず破壊靱性試験に用いてもよい。

また、本実施形態による試験体は説明した形状に限らず、図８に示すようなＣＴ試験片や３点曲げ試験片にも適用してもよい。図７は、本発明に係る試験体をＣＴ試験片及び３点曲げ試験片に適用した例を示す分解斜視図である。

図７に示すように、設備から採取された金属片１２を所定の大きさに加工し、高温度条件（例えば、６００〜７００℃）においてもクリープ強度が高く、かつ、高い硬度を維持できる金属を材質とする拘束部材１４を、金属片１２の両面にフィラー１６を介して溶接して、金属片１２に予き裂２０を導入することで、高温における破壊力学的試験に使用可能なＣＴ試験片２６及び３点曲げ試験片２８が作製できる。

本実施形態に係る高温のき裂進展試験方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態に係る放電サンプリング装置を用いて採取した金属片の一例を示す平面図及び立面図である。本実施形態に係る試験体の分解斜視図である。本実施形態に係る完成した試験体の斜視図である。き裂進展試験における試験体１０周辺の構成を示す立面模式図である。き裂進展速度（ｄａ／ａＮ）と応力拡大係数幅ΔＫとの関係の一例を示すグラフである。本発明に係る試験体をＣＴ試験片及び３点曲げ試験片に適用した例を示す分解斜視図である。破壊靱性試験に用いられる（ａ）ＣＴ試験片、（ｂ）３点曲げ試験片の斜視図である。

符号の説明

１０試験体
１２金属片
１２ａ薄肉部
１２ｂ試験片
１４拘束部材
１６フィラー
１８溶接部
２０予き裂

Claims

金属製の試験片に対して、高温における破壊力学的試験を行う方法であって、
前記試験片の両面に、所定の温度におけるクリープ強度が前記試験片よりも高く、かつ前記所定の温度における硬度が前記試験片よりも高い拘束部材を、ボロンと、前記試験片を構成する少なくとも１つの金属元素と、前記拘束部材を構成する少なくとも１つの金属元素とを含む金属箔を介在させて溶接して試験体を作製し、
前記試験体における前記試験片に予亀裂を導入し、
前記試験体を所定の高温に加熱した状態で前記拘束部材を介して前記試験片に荷重を与えることを特徴とする破壊力学的試験方法。
前記所定の温度は、６００℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の破壊力学的試験方法。
前記拘束部材に、ジルコニア合金、ＳＵＳ、クロム含有率９％以上の合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金のいずれかを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の破壊力学的試験方法。
前記溶接に、レーザ又は電子ビームを用いることを特徴とする請求項１〜３にいずれかに記載の破壊力学的試験方法。
金属製の試験片に対して行われる高温における破壊力学的試験用の試験体であって、
前記試験片の両面に、所定の温度におけるクリープ強度が前記試験片よりも高く、かつ前記温度における硬度が前記試験片よりも高い拘束部材を、ボロンと、前記試験片を構成する少なくとも１つの金属元素と、前記拘束部材を構成する少なくとも１つの金属元素とを含む金属箔を介在させて溶接してなることを特徴とする試験体。