Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorhersagen der
restlichen Lebensdauer eines Metallmaterials, insbesondere
ein Verfahren zum Vorhersagen der restlichen Lebensdauer
eines Metallmaterials, das normalerweise für einen Kessel
oder dgl. verwendet wird und das auf Grund der Verwendung
unter hohem Druck bei hoher Temperatur einen Kriechschaden
erlitten hat.
2. Beschreibung der verwandten Technik
-
Es ist allgemein bekannt, daß bei Einrichtungen, die lange
unter hohem Druck und bei hoher Temperatur verwendet werden,
zum Beispiel in Wärmekraftwerken oder chemischen Anlagen, die
für Bauteile dieser Einrichtung verwendeten Materialien einen
Kriechschaden erleiden können, wodurch die Qualität des
Materials verschlechtert wird, während die Einrichtung in Betrieb
ist. Eine solche Verschlechterung der Qualität des Materials
wird beherrscht durch Faktoren, wie Metalltemperatur,
Arbeitsspannung und Betriebsdauer. Im Fall von Kesseln für
Wärmekraftwerke ist es daher übliche Praxis, die Qualität und
Abmessung des zu verwendeten Materials unter Beachtung dieser
beherrschenden Faktoren zu bestimmen, um eine Lebensdauer zu
gewährleisten, die normalerweise einhundertausend Stunden
entspricht (ungefähr 15 Jahre im Fall eines normalen
Betriebs).
-
Jedoch tritt bei solchen Kesseln häufig eine Störung auf, bei
der das Material in einigen zehntausend Stunden beschädigt
wird. Diese Störung wird verursacht durch einen unerwarteten
Anstieg der Metalltemperatur auf Grund eines Abtreibens usw.
von Verbrennungsgas und durch eine abnormale Verschlechterung
der Qualität des Materials auf Grund einer Entmischung im
Material, zum Beispiel Sigma-Phasenversprödung usw. Außerdem
hat sich kürzlich die Anzahl der Kraftwerke vergrößert, die
die ausgelegte Lebensdauer von einhuntertausend Stunden
überschreiten. Da ein Atomkraftwerk unter einem
Basisbelastungszustand betrieben wird, ist zusätzlich zu erwarten, daß es
schweren Betriebsbedingungen ausgesetzt wird, etwa einem
Zwischenlastbetrieb und einer täglichen Wiederholung von
Start und Stopp. Aus diesen Gründen wurde die Entwicklung von
Techniken notwendig, die eine Ausdehnung der Lebensdauer der
Anlage ermöglichen durch genaues Vorhersagen der restlichen
Lebensdauer des Materials und durch Vorschlagen der
Zeiteinteilung für Reparatur und Ersatz.
-
Verfahren zum Erfassen der Verschlechterung der
Materialqualität werden in zwei Haupttypen unterteilt, nämlich
zerstörende und nicht zerstörende Verfahren. Zerstörende Verfahren
sind solche, die eine restliche Lebensdauer vorhersagen durch
Probenentnahme eines Teils eines Bauteils einer tatsächlich
verwendeten Einrichtung, gefolgt von einer Mikrographie,
einem Zugtest, einem Kriechtest, einem Stoßtest usw. in
Kombination mit einer Belastungsanalyse. Das nachfolgende
Voraussagungsverfahren unter Verwendung von Metallstrukturproben
eines Materials ist als typisches Beispiel eines zerstörenden
Verfahrens bekannt. Bei diesem Verfahren werden nämlich eine
Anzahl von Standardmetallstrukturen vorher unter
verschiedenen Laborbedingungen erzeugt und mit einer
Metallstrukturprobe verglichen, die einem Bauteil einer tatsächlich
verwendeten Einrichtung entnommen sind, wodurch die Lebensdauer
des Materials des Bauteils vorhergesagt wird (vergleiche zum
Beispiel Nippon Kokan Giiutsu Nr. 62, Seiten 531 bis 558).
Ein bei diesem Verfahren verwendeter Hinweis ist die
Zersetzung und Anhäufung eines Perlits im Fall von Cr-Mo-
Stählen, während im Fall von nichtrostendem Stahl die
Ausfällung und Anhäufung von Carbid in der Korngrenze und im
Korn oder der Zustand der Ausfällung einer Sigma-Phase als
Hinweis verwendet wird. Es gibt zum Beispiel eine Technik des
Vorhersagens der restlichen Lebensdauer von nichtrostendem
Stahl SUS 321 aus der Beziehung zwischen der Menge der
Ausfällung der Sigma-Phase und dem Kriechschaden in diesem Stahl
(vergleiche die offengelegte japanische Patentanmeldung
201066/83 und Karyoku Genshiryoku Hatsuden, Band 33, Nr. 9,
Seiten 899 bis 912). Es gibt eine weitere Technik des
Vorhersagens der restlichen Lebensdauer aus der Anzahl von durch
Kriechen erzeugten Hohlräumen (vergleiche Zairyo, Band 28,
Nr. 308, Seiten 372 bis 378).
-
Das oben genannte Vorhersageverfahren unter Verwendung der
quantitativen Bestimmung der Sigma-Phase ist wirksam,
beinhaltet jedoch die folgenden Probleme. Es ist nämlich die Art
des Materials, die bei diesem Verfahren gehandhabt werden
kann, auf nichtrostenden Stahl oder Stahl mit hohem
Chromgehalt beschränkt, wobei der Ausfällzustand der Sigma-Phase
selbst im gleichen nichtrostenden Stahl auf Grund einer
geringen Differenz des chemischen Zusammensetzung variiert.
Ferner ist ein Vorhersageverfahren unter Verwendung der
quantitativen Bestimmung eines Kriechhohlraums wirksam,
beinhaltet jedoch die folgenden Probleme. Es ist nämlich die
Art des Materials, das bei diesem Verfahren gehandhabt werden
kann, auf ein Material von geringer transgranularer
Verformbarkeit beschränkt, etwa auf nichtrostenden Stahl oder Stahl
mit hohem Chromgehalt (zum Beispiel HK 40), so daß die
Anwendung dieses Verfahrens auf ein Material von hoher
transgranularer Verformbarkeit, etwa niedrig legiertem Stahl für
Kessel, schwierig ist, da in diesem Material Kriechhohlräume
nur schwer gebildet werden.
-
Nicht zerstörende Verfahren sind Verfahren zum indirekten
Vorhersagen einer restlichen Lebensdauer durch Erfassen einer
Änderung in der Metallstruktur, etwa der Zersetzung durch
Erhitzen oder Kriechen, und einer physikalischen Änderung durch
Bildung von Hohlräumen.
-
In diesem Fall sind verschiedene Arten von physikalischen
Größen verfügbar, wobei die folgenden Sachverhalte bereits im
praktischen Gebrauch sind oder noch untersucht werden: zum
Beispiel elektrischer Widerstand (japanische offengelegte
Patentanmeldung 60248/83), Ultraschallgeschwindigkeit
(japanische offengelegte Patentanmeldung 120585/78) und
Fehlorientierung durch Röntgenstrahlen und Spulenimpedanz durch
Wirbelstrom (japanische offengelegte Patentanmeldung
88781/78).
-
Die nicht zerstörenden Verfahren umfassen im allgemeinen die
folgenden Probleme. Erstens wird eine
Hochpräzisionsvorrichtung benötigt, da extrem kleine Änderungen erfaßt werden
müssen, um Änderungen der physikalischen Größen, wie
elektrischer Widerstand, zu erfassen, die durch mikroskopische
Änderungen der Struktur eines Metallmaterials verursacht werden
können. Ferner besteht eine Möglichkeit, daß ein großer
Fehler auf Grund der Handhabung der Vorrichtung, der Meßumgebung
usw., auftreten kann. Anders als bei Turbinen sind
insbesondere Kessel in einer ungünstigen Meßumgebung angeordnet, was
die Ausführung genauer Messungen erschwert. Zusätzlich
bestehen Turbinen im allgemeinen aus einem Material, wie Cr-
Mo-V-Stahl, mit einem hohen Kohlenstoffanteil, so daß die
physikalischen Größen, wie elektrischer Widerstand, bedeutend
abnehmen. Da andererseits Kessel aus einem Material, wie
2.1/4 Cr - 1 Mo-Stahl, mit niedrigem Kohlenstoffgehalt
bestehen, nehmen die physikalischen Größen nicht stark ab, was
die Ausführung einer zufriedenstellenden Auswertung
erschwert. Zweitens wird bei diesen nicht zerstörenden
Verfahren vorher unter Laborbedingungen eine Stammkurve erzeugt und
mit dem Meßergebnis an einem Bauteil einer tatsächlich
verwendeten Einrichtung verglichen, um die restliche Lebensdauer
dieses Bauteils vorherzusagen. Jedoch werden zu messende
physikalische Größen erhalten durch Erfassen von extrem kleinen
Änderungen in einem Material, wobei die Absolutwerte der
physikalischen
Größen in Übereinstimmung mit Änderungen eines
Anfangszustands des Materials oder lediglich der
Heizbedingungen variieren. Aus diesem Grund muß der Schadensgrad
bewertet werden auf der Basis eines Relativwerts zwischen der
physikalischen Größe eines beschädigten Materials und
derjenigen des Anfangszustands des Materials vor dem Schaden
oder in einem lediglich erhitzten Zustand, nämlich nicht auf
der Basis des Absolutwerts der physikalischen Größe. Wenn
daher die Stammkurve unter Laborbedingungen erzeugt werden
soll, muß ein Material verwendet werden, dessen Anfangs
zustand derselbe wie derjenige eines Bauteils einer tatsächlich
verwendeten Einrichtung ist, deren Lebensdauer gemessen
werden soll, d. h. es muß ein Material derselben Charge
verwendet werden. Bei den gegenwärtigen Umständen ist es jedoch
unmöglich, die Materialien zu erhalten, aus denen die zur
Zeit in Betrieb befindlichen Kessel (insbesondere vor 10 oder
mehr Jahren hergestellte Kessel) hergestellt wurden. Darüber
hinaus könnten die Daten für die Struktur, die Härte und den
Kurzzeitzugversuch als Daten des Materials zu dieser Zeit
erhalten werden. Es ist jedoch praktisch unmöglich, die Daten
für verschiedene physikalische Größen zu erhalten, die bei
der Bewertung der Lebensdauer verwendet werden sollen. Da
ferner die früheren Verfahren für die damalige Herstellung
von Materialien von den gegenwärtigen Verfahren abweichen,
ist es sehr schwer, die damaligen Materialien zu
reproduzieren.
-
Demnach umfaßt der angegebene Stand der Technik die folgenden
Probleme.
-
Bei den zerstörenden Verfahren besteht das zuverlässigste
Verfahren für die Vorhersage der restlichen Lebensdauer
darin, eine von einer Bauart einer tatsächlich verwendeten
Einrichtung entnommene Probe einem Kriechtest zu unterwerfen.
Jedoch erfordert dieses Verfahren enorme Kosten und Zeit und
ist zusätzlich der durch dieses Verfahren untersuchte Bereich
beschränkt. Auch ist bei dem eine Strukturbeobachtung
anwendenden Verfahren eine schnelle Auswertung möglich, jedoch
eine quantitative Auswertung nur schwer auszuführen, da die
Bewertung durch Vergleich mit Standardschliffbildern erfolgt.
-
Zusätzlich wird die Strukturänderung hauptsächlich von der
Temperatur und der Zeit beherrscht, während die
Beanspruchungswirkung klein ist. Aus diesem Grund ist es schwer, den
Kriechschaden unmittelbar der Strukturänderung zuzuordnen.
-
Die PATENT ABSTRACTS OF JAPAN. Band 5, Nr. 115 ((P-72) (787),
24. Juli 1981) und die JP-A-56 55854 offenbaren ein
Meßverfahren für die Lebensdauer von warmfestem Stahl, wobei eine
Teilchendurchmesser-Häufigkeitskurve der in warmfestem Stahl
entwickelten M&sub2;&sub3;C&sub6;-Carbide gebildet und die Kurve mit der
Teilchendurchmesser-Häufigkeitskurve der in einem
angewendeten warmfesten Stahlteil ausgeschiedenen M&sub2;&sub3;C&sub6;-Carbide
verglichen wird.
-
Bei den nicht zerstörenden Verfahren besteht die Möglichkeit
für das Auftreten eines Fehlers, da extrem kleine Änderungen
der physikalischen Größe eines verwendeten Materials gemessen
werden. Da die physikalische Größe auf Grund der
Umgebungstemperatur usw. variiert, ist es schwer, die physikalische
Größe mit einer unter Laborbedingungen erzeugten Stammkurve
zu vergleichen. Es ist insbesondere unmöglich, die Daten für
die vor zehn oder mehr Jahren hergestellten Materialien zu
erhalten, und es ist ebenfalls schwer, derartige Materialien
zu reproduzieren. Demnach beinhalten sowohl die zerstörenden
als auch die nicht zerstörenden Verfahren eine Anzahl von
Problemen.
Zusammenfassung der Erfindung
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines
Verfahrens zum unmittelbaren und einfachen Vorhersagen der
restlichen Lebensdauer eines Metallmaterials durch Beobachten
eines Materials, das ein Bauteil einer tatsächlich verwendeten
Einrichtung bildet.
-
Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß durch irgendeines der
alternativen Verfahren gemäß dem Patentanspruch gelöst.
-
Da die Körner in der Beanspruchungsrichtung gestreckt werden,
wenn ein Metallmaterial einen Kriechschaden erleidet, ist es
erfindungsgemäß möglich, die Formänderungen der Körner eines
Metallmaterials durch zeitlich aufeinandefolgendes Messen
dieser Änderungen statistisch anzuordnen.
-
Als Verfahren zum Messen von Körnern wird eine Probe von
einem Bauteil einer tatsächlich verwendeten Einrichtung
entnommen oder wird alternativ eine nicht zerstörende
Beobachtung unter Anwendung eines Replica-Verfahrens ausgeführt zur
Erzielung einer Standardabweichung als einer Abweichung der
Form auf der Basis von beispielsweise der Verteilung von
Winkeln, die die Beanspruchungsrichtung mit der Achse der
maximalen Länge der Körner einschließt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
Fig. 1a ist ein Schliffbild der Metallstruktur eines nicht
verwendeten Materials aus 2.1/4 Cr - 1 Mo-Stahl;
-
Fig. 1b ein Schliffbild der Metallstruktur eines lediglich
erhitzten Materials (Kriechschadenrate øc = 0);
-
Fig. 1c ist ein Schliffbild der Metallstruktur eines Materials
mit einem Kriechschaden (Kriechschadenrate øc = 0,8);
-
Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum
Messen eines Parameters Rm für die Formänderungen
eines Korns gemäß der Erfindung;
-
Fig. 3a und 3b graphische Darstellungen der Verteilung von Rm
entsprechend Fig. 1b bzw. 1c;
-
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
einer Standardabweichung Sm der Verteilung von Rm und
einer Kriechschadenrate;
-
Fig. 5a eine graphische Darstellung eines Beispiels der
Verteilung von Rm, wenn die Beanspruchungsrichtung
bekannt ist;
-
Fig. 5b
eine graphische Darstellung eines Beispiels der
Verteilung von Rm, wenn die Beanspruchungsrichtung
unbekannt ist;
-
Fig. 6 ein Schliffbild eines Beispiels einer Metallstruktur
gemäß einem Replica-Verfahren;
-
Fig. 7 ein Blockbild des Vorgehens beim Voraussagen einer
restlichen Lebensdauer auf der Basis der Formen von
Körnern in einem Bauteil einer tatsächlich
verwendeten Einrichtung;
-
Fig. 8 eine Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur
Messung von Parametern lx und ly für die Angabe von
Formänderungen eines Korns gemäß der Erfindung;
-
Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
lx/ly und einer Kriechschadenrate gemäß der
Erfindung;
-
Fig. 10 eine Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur
Messung von Parametern lL und lS für die Angabe der
Formänderung eines Korns gemäß der Erfindung;
-
Fig. 11 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
einer Kriechschadenrate und einem Profilverhältnis,
das als Parameter für die Angabe der Formänderungen
von Körnern verwendet wird, gemäß der Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
-
Im folgenden wird in Verbindung mit Fig. 1a bis 11 eine
bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird das
Vorhersageverfahren der Erfindung bei 2.1/4 Cr - 1 Mo-Stahl angewendet,
der ein für Kessel typisches Material ist.
-
Wenn, wie in Fig. 1a bis 1c gezeigt, die Körner eines
Metallmaterials einen Kriechschaden erleiden, wird jedes Korn 1
in einer Richtung gestreckt, in der die Beanspruchung wirkt.
Daher wird die Form des Korns gemessen, um den Grad der
Verschlechterung des Metallmaterials auf der Basis von
Formänderungen des Korns zu erfassen, wodurch die verbleibende
Lebensdauer des Materials vorhergesagt wird.
-
Wenn im allgemeinen ein Metallmaterial einen Kriechschaden
erleidet, werden die Körner des Materials einer
Kriechverformung unterworfen. Mit anderen Worten, die Kriechverformung
kann als Anhäufung der Verformung jedes Korns verstanden
werden. Daher kann der Kriechschaden durch zeitlich
aufeinanderfolgendes Messen der Verformung jedes Korns erfaßt
werden. Wenn ein Korn auf Grund von Kriechen verformt wird, wird
es allmählich in der Richtung gestreckt, in der die
Beanspruchung wirkt. Es ist daher möglich, einen Kriechschaden durch
Anordnen von Parametern zu erfassen, die den Grad der
Streckung des Korns angeben. Wenn ferner das in einem
Herstellungsverfahren gewalzte Material einer abschließenden
Wärmebehandlung unterworfen wird, sind die Körner im
wesentlichen im rechteckigen Vieleck ausgeglichen, wenn auch
die Korngröße in Abhängigkeit von den
Wärmebehandlungsbedingungen und der chemischen Zusammensetzung nicht
differiert, so daß die Formänderungen jedes Korns von der
Materialqualität, den Wärmebehandlungsbedingungen und dergleichen
nicht beeinflußt werden. Mit anderen Worten, die
Formänderungen jedes Korns entsprechen unmittelbar dem Kriechschaden,
und es ist daher nicht erforderlich, den Anfangszustand oder
den lediglich erhitzten Zustand des Materials zu betrachten.
-
Fig. 1a bis 1c zeigen die Metallstrukturen von 2.1/4 Cr -
1 Mo-Stahl. Fig. 1a zeigt die Metallstruktur eines
unbenutzten Materials, Fig. 1b die Metallstruktur eines lediglich
erhitzten Materials (Kriechschadenrate øc = 0) und Fig. 1c die
Metallstruktur eines Materials, das einen Kriechschaden
erlitten hat (Kriechschadenrate øc = 0,8). Wie aus diesen
Metallstrukturen ersichtlich ist, ist im lediglich erhitzten
Material und dem durch Kriechen beschädigten Material ein
bedeutender Anteil von Perlit zersetzt, während der Einfluß des
Unterschieds der Kriechschadenrate øc dazwischen nicht zu
beobachten ist. Jedoch sind im Kriechschadenmaterial die Körner
in der Richtung gestreckt, in der die Beanspruchung wirkt. Es
sei angegeben, daß die Kriechschadenrate øc durch die
folgende Gleichung gegeben ist unter der Bedingung, daß dasselbe
Material bei einer konstanten Kriechversuchstemperatur
verwendet wird:
-
øc = t/tr
-
worin tr die Kriechbruchzeit und t die beim Kriechversuch
verstrichene Zeit darstellen.
-
Die Erfinder haben den obigen Punkt beachtet und unter
Verwendung eines Bildprozessors die Kornformen von in
verschiedener Weise beschädigten Materialien untersucht. Fig. 2 zeigt
ein Verfahren zur Messung eines die Form eines Korns
wiedergebenden Parameters. Wie gezeigt, werden die Berechnungen an
einem Winkel Rm ausgeführt, den die Achse der maximalen Länge
des Korns mit der Beanspruchungsrichtung einschließt.
-
Fig. 3a und 3b zeigen die Verteilungen von Rm entsprechend
Fig. 1b bzw. 1c, wobei hundert gemessene Körner vorliegen.
Für den Fall, daß die Kriechschadenrate øc gemäß Fig. 3a Null
ist und da die Form jedes Korns einem regelmäßigen Vieleck
nahe kommt, kann Rm irgendeinem Winkel entsprechen und ist
daher die Verteilung von Rm im wesentlichen flach. Wenn
dagegen die Kriechschadenrate øc gemäß Fig. 3b 0,8 ist und
da das Korn in Beanspruchungsrichtung gestreckt ist, zeigt
die Verteilung von Rm eine normale Verteilung, deren Maximum
in der Beanspruchungsrichtung auftritt (Rm = 0º).
-
Zur Darstellung des Unterschieds zwischen diesen Verteilungen
von Rm wird eine Standardabweichung Sm berechnet, wobei die
resultierende Beziehung zwischen der Kriechschadenrate øc und
der Standardabweichung Sm in Fig. 4 gezeigt ist. Wie aus Fig.
4 ersichtlich ist, nimmt der Wert von Sm ab, wenn die
Kriechschadenrate øc zunimmt. Insbesondere wenn die
Kriechschadenrate øc größer als 0,5 wird, nimmt der Wert von Sm merklich
ab, so daß es leicht wird, die restliche Lebensdauer auf der
Basis dieses Parameters vorauszusagen. Diese graphische
Darstellung kann angewendet werden, um den Grad des
Kriechschadens
in einem Bauteil einer tatsächlich verwendeten
Einrichtung zu bewerten. Ferner wurden unter Verwendung
verschiedener Arten von nicht gebrauchten und lediglich erhitzten
Materialien die Werte von Sm in den Fällen gefunden, in denen
ihre Kriechschadenraten Null waren. Jedoch betrug in jedem
Fall der Wert von Sm etwa 50 und war seine Streuung klein.
Daher wurden keine Einflüsse von chemischer Zusammensetzung
und Wärmebehandlung beobachtet. Mit anderen Worten ist es
gemäß dem vorliegenden Verfahren möglich, den Kriechschaden
unmittelbar zu bewerten, ohne die Daten für nicht benutztes
oder lediglich erhitztes Material zu benötigen.
-
Aus dem folgenden Grund wurden für die Messung von Rm hundert
Körner verwendet. Es ist begreiflich, daß sich die Formen der
Körner mit der Zeit ändern. Wie jedoch aus Fig. 1a und 1b
ersichtlich ist und selbst bei Beobachtung jedes einzelnen
Korns, ist es unmöglich, die Formänderungen des Korns
deutlich zu erfassen. Daher ist es erforderlich, die Anzahl der
durch eine Maschine ohne persönlichen Fehler zu messen und
ein statistisches Verfahren anzuwenden. Aus verschiedenen
Studien bezüglich der Anzahl der zu messenden Körner wurde
deutlich, daß bei der Messung von achtzig oder mehr Körnern
die Streuung des Werts von Sm abnahm, so daß die Anzahl der
zu messenden Körner das Ergebnis nicht beeinflußten. Somit
wurde unter Beachtung eines Spielraums die Verwendung von
hundert Körnern festgelegt.
-
Da das bei dieser Ausführungsform gezeigte Material durch
Kriechtests vielfältig beschädigt ist, wird die
Beanspruchungsrichtung eindeutig ermittelt. Jedoch gibt es in einem
Bauteil einer tatsächlich verwendeten Einrichtung einen Fall,
bei dem die Beanspruchungsrichtung nicht eindeutig ermittelt
wird. Selbst in einem Fall, in dem das Ausmaß der
Kriechschadens hoch ist, nimmt daher die Verteilung von Rm den in Fig.
5a gezeigten Verlauf an, und zwar weil ein gewählter Winkel
für die Beanspruchungsrichtung angenommen wird. Wenn auch die
Standardabweichung dieser Verteilung merklich groß wird, wenn
die Kontinuität von Winkeln betrachtet wird (90º und -90º
entsprechend derselben Richtung), ist ersichtlich, daß Fig.
5a und 5b dieselbe Verteilung zeigen. Daher wird der Winkel
um je 10 verschoben (d. h. die Verteilung von Fig. 5a wird in
diejenige von Fig. 5b umgewandelt), wird die Verteilung von
Rm erhalten, deren Standardabweichung ein Minimum wird, und
wird diese Standardabweichung als Sm des Materials verwendet.
Durch Anwendung dieses Verfahrens wird der Vorteil erzielt,
daß die Richtung der maximalen Beanspruchung in einem Bauteil
einer tatsächlich verwendeten Einrichtung ermittelt werden
kann und umgekehrt. Ferner wird bei dieser Ausführungsform
die Gestalt des Korns durch unmittelbares Beobachten der
Probe gemessen, während gemäß Fig. 6 die Gestalten der Körner
durch Anwendung eines Replica-Verfahrens klar beabachtet
werden können, bei dem die Struktur eines tatsächlich
verwendeten Gegenstands auf einen Dünnfilm übertragen wird, so daß
dieselbe Bewertung wie diejenige der oben beschriebenen
Ausführungsform vollständig durchgeführt werden kann.
-
Fig. 7 zeigt ein typisches Beispiel des Vorgehens bei der
Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei einem Bauteil einer
tatsächlich verwendeten Einrichtung. Bei diesem Beispiel wird
ein Dünnfilm durch ein Replica-Verfahren abgetastet, da im
Prinzip an einem Bauteil 2 ein nicht zerstörendes Verfahren
angewendet wird. Es sei jedoch hervorgehoben, daß, selbst
wenn eine Replica-Abtastung möglich ist, die Meßgenauigkeit
durch Entnahme von Proben ziemlich verbessert werden kann.
Beim Replica-Verfahren wird ein auszuwertender Teil durch ein
Schleifmittel oder dergleichen poliert und der auf diese
Weise polierte Teil durch ein für das Material geeignetes
Ätzmittel geätzt. In diesem Fall wird das Ätzen vorzugsweise
etwas länger fortgesetzt, um die Formen der Körner zu
verdeutlichen. Ein Replica-Film 3, der durch ein Lösungsmittel
teilweise geschmolzen ist, wird auf den auf diese Weise geätzten
Teil geklebt. Wenn der Replica-Film 3 nach dem Trocknen
hiervon abgezogen wird, wird die Oberflächenstruktur des Teils
auf den Replica-Film 3 übertragen. Der Replica-Film 3 wird
mit einem Mikroskop 4 beobachtet, und die Formen der Körner
werden durch einen Bildprozessor 5 gemessen, um die
Standardabweichung
Sm als Schadensparameter zu berechnen. Danach wird
ein Personalrechner 7 verwendet zum Berechnen und Bewerten
der restlichen Lebensdauer des Materials auf der Basis der
Beziehungen zwischen diesem in einer vorbereiteten Datenbasis
6 gespeichertem Sm und dem Grad des Kriechschadens.
-
Wenn auch auf demselben Konzept basierend, wurde bestätigt,
daß die folgenden Punkte als Parameter wirksam waren zum
quantativen Bestimmen von Änderungen der Formen der Körner.
(a) Beziehung zwischen der Kornlänge und -breite:
-
Gemäß Fig. 8 werden eine auf die Achse in der
Beanspruchungsrichtung projizierte Länge lx und eine auf die zur
Beanspruchungsrichtung senkrechte Achse projizierte Breite ly
gemessen. Danach wird die Beziehung zwischen dem Durchschnitt
eines Verhältnisses lx/ly und der Kriechschadenrate øc
erhalten.
-
Fig. 9 zeigt das so erhaltene Ergebnis. Wie in Fig. 9 klar
gezeigt und wenn die Kriechschadensrate øc zunimmt, wird der
Wert von lx größer als derjenige von ly, weshalb der Wert des
Verhältnisses lx/ly zunimmt. Demnach kann die Lebensdauer
eines Materials unter Anwendung des Werts von lx/ly als
Parameter vorausgesagt werden. Wenn ferner gemäß Fig. 10 ein
Verhältnis einer maximalen Länge lL jedes Korns zur maximalen
Breite lL einer zur Länge senkrechten Achse, d. h. ein
Verhältnis lL/lS, als Parameter verwendet wird, kann eine Kurve
erhalten werden, deren Tendenz derjenigen von Fig. 9 ähnlich
ist.
(b) Rundheitsgrad:
-
Der Rundheitsgrad jedes Korns ist ein Parameter, der eine
Schätzung des Kriechschadengrads ermöglicht. Der
Rundheitsgrad wird durch verschiedene Verfahren wiedergegeben. Ein
Beispiel hiervon ist die Verwendung eines
Profilverhältnisses. Das Profilverhältnis ist wiedergegeben durch
(Umfangslänge
eines äquivalenten Kreises)/(Umfangslänge eines Korns).
Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen dem Profilverhältnis und
der Kriechschadenrate øc. Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist,
wird die Vorhersage bezüglich des Grads des Kriechschadens
auch aus dem Profilverhältnis ermöglicht. Ein weiteres
Beispiel des den Rundheitsgrad wiedergebenden Parameters,
(Umfangslänge)²/(Fläche), ist verfügbar. Der Grund, daß der
Rundheitsgrad als Parameter verwendbar ist, liegt darin, daß,
wenn auch bei kleinem Schaden die Form eines Korns einem
Kreis nahekommt, das Korn bei größer werdendem Schaden in
Richtung der Beanspruchung gestreckt und der Rundheitsgrad
vergrößert wird.
-
Es sei angegeben, daß der als weiteres Beispiel angegebene
Parameter nicht stark gemäß den Änderungen der
Kriechschadenrate øc variiert, so daß die Meßgenauigkeit abnimmt. Ein
solcher Parameter kann jedoch beim Messen einer
unterschiedlichen Materialart wirksam sein.
-
Erfindungsgemäß werden die Formen der Körner eines
Metallmaterials quantitativ gemessen und die so erhaltenen Änderungen
verglichen, um eine quantitative Voraussage bezüglich der
restlichen Lebensdauer des Metallmaterials auf einfache Weise
durch ein nicht zerstörendes Verfahren zu ermöglichen. Dies
ermöglicht eine große Verringerung an Kosten und Zeit und
beseitigt das Erfordernis der Verwendung einer hochgenauen
Vorrichtung. Zusätzlich müssen keine Daten für den
Ausgangszustand von Materialien und für lediglich erhitzte
Materialien verwendet werden und kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch bei verschiedenen polykristallinen Metallmaterialien
angewendet werden. Aus der obigen Beschreibung ist ohne
weiteres verständlich, daß die Erfindung eine Vielzahl von
industriellen Vorteilen besitzt.