JP2005300226A - 金属材料の脆化度非破壊評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広い領域での評価により評価箇所の適正化を図り、かつ、測定点を増やす等により金属材料の脆化度評価を向上させる。
【解決手段】粒界を選択的エッチングして、等高線的な２次元画像を取得する。これを重ねることにより試料面の３次元画像を形成して、当該３次元画像を用いて粒界の体積等の計測を行う。計測はコンピュータで行い、複数点の計測値を統計化処理して代表値を求める。この代表値を計測値と破面遷移温度、即ち脆化度との関係を示すマスターカーブに適用して試料の脆化度を算出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、蒸気タービンの車室等に用いられる金属材料の脆化度を非破壊的に評価する方法に係り、特に粒界腐食溝の体積，面積等を精度良く算出することにより脆化度を高精度に評価できる金属材料の脆化度非破壊評価方法に関する。

発電プラント等の高温流体を取扱うプラントにおいては、耐熱性にすぐれたＣｒ−Ｍｏ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼等の低合金鋼が使用されることが多い。かかる材料は、熱による経年変化により材料劣化を起こすことが知られている。このような材料劣化は、その劣化度合いを評価することは正確な寿命予測の観点から非常に重要である。

かかる材料劣化の要因として、低合金鋼中に含まれるＰ（リン）等の不純物元素が粒界に偏析して、粒界強度を弱めていると考えられている。従って、粒界における不純物元素の偏析量を評価することにより材料劣化の度合いが評価できるようになる。

そこで、劣化診断対象材料を腐食液によりエッチングして、そのときの表面粗さを測定することにより低合金鋼の脆化度を評価する方法が開示されている（特許文献１参照）。

また、エッチングした試料面のレプリカを採取して、このレプリカを走査型電子顕微鏡で観察し、その観察画像を付設の画像解析装置に入力して粒界腐食溝幅を定量的に測定することにより、粒界偏析性状を求めて脆化度合及び応力腐食割れ感受性の推定を行う方法が開示されている（特許文献２参照）。

さらに、試料面の結晶粒界をエッチングした後、試料面にビッカース圧痕をつけ、粒界腐食溝が消失するまで当該試料面を研磨し、先につけた圧痕と研磨後の圧痕との寸法差から、研磨量（深さ）を計算し、この深さを粒界腐食溝深さとすることにより経年脆化を評価する方法が開示されている（特許文献３参照）。
特開平１−１１０２５９号公報 特開平４−２３５３４６号公報 特開平５−２２３７２６号公報

しかしながら、上述した従来の技術においては、以下の理由により評価精度の信頼性が低い問題があった。即ち、特開平１−１１０２５９号公報による方法では、エッチングにより発生したエッチピットと粒界とを区別して測定することができないため、計測対象を誤ったりして評価結果の信頼性を向上させることが困難であった。

また、特開平４−２３５３４６号公報による方法では、走査型電子顕微鏡で観察した画像（例えば、観察倍率５０００倍、観察視野約４００μｍ^２）を付設の画像解析装置に入力して粒界幅を測定している。このため、狭い領域に対してしか評価することができない。また、評価点は、一個所となるため、局所的な要因でその評価点の粒界幅が大きくなっている特異点である場合であっても、そのことを認識することができず誤った評価を行う恐れがあった。

特に、粒界幅のみを評価する方法では、例えば、不純物元素が高濃度で粒界に集中して偏析している場合と、低濃度で比較的広い範囲で偏析している場合とでは評価に違いが生じることがある。後者の方は、粒界幅は大きくなる傾向があり、かかる場合には脆化度は大きく評価されてしまうが、実際には前者の方が脆化度は大きいとすべきだからである。

さらに、特開平５−２２３７２６号公報による方法では、粒界腐食溝が消失するのを作業者の目視で確認する方法であるため、消失の判断や研磨技術に熟練度が要求され、このことは測定値に個人差が含まれることを意味して、評価結果が個人差によって変わる恐れがある。

加えて、粒界腐食溝は必ずしも試料表面に対して垂直に伸びているとは限らないが、上記全ての方法においては粒界腐食溝が傾いていても、これを考慮する余地がないので（基本的にかかる粒界腐食溝の傾きは考慮できない）、このような傾きが存在すると評価精度が低下してしまう問題がある。

そこで、本発明は、粒界腐食溝の体積等を計測すると共に、広い領域で、かつ多数点の計測を行うことにより評価精度を向上させた金属材料の脆化度非破壊評価方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、試料を化学エッチングして粒界を粒界腐食溝とし、該粒界腐食溝を３次元計測して、当該計測値を用いて予め設定された脆化度と計測値との対応関係を示すマスターカーブから試料の脆化度を評価することを特徴とする。
即ち、粒界腐食溝を３次元計測することで、粒界腐食溝の体積，投影面積，長さ，最大深さ，平均断面積，平均深さ、平均幅等が求められるようになり信頼性が向上する。

請求項２に係る発明は、試料を化学エッチングする際に、粒界を選択的エッチングすることを特徴とする。
即ち、試料の脆化度が粒界に不純物元素が偏析する度合いとすれば、この偏析度合いを強調するように粒界を選択エッチングして、粒界腐食溝を大きくすることにより、計測精度を高めるようにする。

請求項３に係る発明は、粒界腐食溝の２次元画像を取得し、これを深さに応じて重ねることにより粒界腐食溝の３次元画像を形成して、当該３次元画像を用いて粒界腐食溝の３次元計測を行うことを特徴とする。
即ち、粒界腐食溝の体積，投影面積，長さ，最大深さ，平均断面積，平均深さ、平均幅等の計測を３次元画像により行うため、広い領域での評価及び計測点の増加が容易になると共に、腐食面に発生するエッチピット等を除去して評価できるようになり、信頼性が向上する。

請求項４に係る発明は、粒界腐食溝の３次元画像を共焦点型レーザー顕微鏡を用いて取得することを特徴とする。
即ち、共焦点型レーザー顕微鏡は、焦点深度が高精度で設定できるため、詳しい３次元画像を取得することが可能になり、評価精度を向上させることが可能になる。

請求項５に係る発明は、３次元画像を得る際に、試料のレプリカを用いることを特徴とする。
即ち、評価試料としてレプリカを用いるので、実験室等に持ち帰って評価でき、評価装置の移動が不要になり利便性が向上する。

請求項６に係る発明は、脆化度を評価する際に、０．０１〜５ｍｍ^２の領域を１の計測領域として複数の該計測領域に対して粒界腐食溝の３次元計測を行い、その計測値の最大値を用いて脆化度を評価することを特徴とする。
即ち、広範囲、かつ、多数点で計測し、その計測値の最大値を用いて脆化度を評価するので、最も厳しい脆化度の評価が可能になる。

請求項７に係る発明は、脆化度を評価する際に、０．０１〜５ｍｍ^２の領域を１の計測領域として複数の該計測領域に対して粒界腐食溝の３次元計測を行い、その計測値を例えば標準偏差をとって統計処理した値を用いて脆化度の評価を行うことを特徴とする。
即ち、広範囲、かつ、多数点で計測し、その計測値を統計処理して評価するため、信頼性が向上する。

本発明によれば、粒界腐食溝を３次元計測するので、粒界腐食溝の体積，投影面積，長さ，最大深さ，平均断面積，平均深さ、平均幅等が計測値に基づいて算出でき、少なくともいずれかによって、脆化度を高精度で評価することができるようになって信頼性が向上する。

評価方法は、試料表面を腐食させて広範囲に粒界腐食溝を３次元的に評価することにより、例えばＣｒ−Ｍｏ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼等の低合金鋼の脆化度を評価するものである。

この場合、実機を直接観察する方法、実機の検査部位を研磨し腐食液（エッチング液）で腐食して観察する方法、さらに検査部を腐食した後にレプリカ採取して評価する方法がある。レプリカは、持ち運びが容易なため利便性が向上する利点があるので、以下の説明ではレプリカを作成して評価する方法を例に説明する。

腐食（エッチング）は、試料表面をバフ等により研磨して、２５℃に保持したピクリン酸飽和水溶液等の腐食液により行い、その際に粒界と結晶粒内とで腐食レートの違いを大きくするために、往復分極法により結晶粒面に不動態皮膜を形成した。不動態皮膜は、分極電位を１ｍｖ／ｓｅｃで掃引して、３５０ｍＶで２ｍｉｎ保持することにより形成した。このようにして粒界の腐食量を結晶粒内より多くして（このような腐食を、本明細書では選択的エッチングと記載する）、その後、試料表面を乾燥させシート状フィルムを貼付けてレプリカを作成した。

図１〜図３は、評価方法を説明する図で、図１は試料面を研磨し、腐食させた際の組織の模式図で、多数の粒界１１が示されている。なお、番号１２は結晶粒を示している。図２は、このような試料に対し選択的エッチングを行った際の、図１における矢視ＡＡ断面を示す図である。図３はそのレプリカ１５の断面図である。結晶粒面には、不動態皮膜１３が形成され、表面側の粒界１１は選択的エッチングされて粒界腐食溝１４となっている。レプリカ１５には、粒界腐食溝１４に対応した形状の突起１６が形成されている。

次に、レプリカ１５を観察する。レプリカ１５の観察は、粒界腐食溝１４に対応した突起１６の体積，投影面積，長さ，最大深さ，平均断面積，平均深さ、平均幅等を測定する。このとき、突起１６を３次元画像として取得するために、本実施形態では共焦点型レーザー顕微鏡を用いた場合について説明するが、その他の手段を用いてもよい。

共焦点型レーザー顕微鏡は、対物レンズによりレーザーをレーザ波長とほぼ同じ大きさのビームスポットに絞込んで試料面（ここではレプリカ１５）に照射し、その反射／散乱光を光検出器で検出する。そして、ビームスポットを２次元スキャンすることで等高線的な２次元画像を得る。反射光路にはピンホール（またはスリット）が設けられて、焦点のあった点の像のみが撮影できるようになっている。従って、焦点深度を変えることにより（あるいはピンホールの位置を変えることにより）、当該焦点位置での２次元画像を得ることができ、かかる２次元画像を重ねることにより３次元画像が得られる。

図４（ａ）〜図４（ｅ）はこのような手順を例示した図で、５枚の２次元画像を重ねることにより突起１６を３次元画像に表現している。即ち、図４（ａ）から図４（ｅ）にいくに従い焦点深度が短くなっている。無論、焦点深度は既知（設定量）なので、重ねる際にはこの焦点深度だけずらして重ねる。

このようにして得られた、３次元画像のデータを２値化処理またはマスク処理等して突起１６のみを抽出する。例えば２値化処理により抽出する場合には、閾値を設けて当該閾値より大きな値のデータが突起１６であるとして抽出する。これにより突起１６以外の領域のデータが除去され、効率的な評価が可能になる。特に、腐食によりエッチピットが発生しても、これを除去することが容易に行えるので信頼性が向上する。

なお、このように３次元画像を用いて粒界腐食溝１４の体積等を求めるため、従来のように粒界腐食溝１４の開口側から粒界腐食溝１４の深さを評価する際に問題となる、計測ポイントの決定の曖昧さが無くなると共に、粒界腐食溝１４が傾いていた場合の補正等が不要になる利点がある。

また、３次元画像は電子データとして取り込むことができるので、体積等はコンピュータで演算して求めることが可能になり、迅速、かつ、正確に算出することができるようになると共に、計測者の主観による信頼性低下を防止することが可能となる。

このような計測は、計測領域を約０．０１〜５ｍｍ^２と広範囲にして、かつ、１ｃｍ^２当り数十点の計測領域について行った。従って、計測領域に何らかの特異点があっても、他の計測領域の計測値との比較により当該計測領域が特異点であるか否かが容易に判断でき、評価精度の低下を防止することができる。計測領域の上限値は、５ｍｍ^２より大きくすることにより精度を高くすることもできるが、例えば１ｍｍ^２とすることにより短時間でデータ処理をおこなうことができ、０．１ｍｍ^２とすることにより、より短時間でデータ処理をおこなうことができる。

そして、複数点にわたる計測値は、統計処理して代表値とする。このような統計処理としては、平均値処理でもよく、また標準偏差処理であってもよい。
脆化度の評価においては、体積，投影面積、断面積、深さ等の計測値、あるいはこれらの統計値を用いることが可能であるが、評価対象により使い分ける必要がある。
また、金属学的な劣化状態の検討や寿命の推定等を行う際には、面積や深さ等の計測値も考慮する。

なお、図５は、粒界腐食溝１４について、その体積，投影面積，長さ，最大深さ，平均断面積，平均深さ、平均幅といったそれぞれの概念がいずれを指すかを明らかにしたものである。

図６は、上述した方法により得られた、Ｃｒ−Ｍｏ鋳鋼の試料ＭＢ１０、９，８，５，３の測定結果を示している。なお各試料は破面遷移温度（ＦＡＴＴ）が異なっている。この破面遷移温度は、脆化度を示す指標として利用され、温度が高くなるに従い脆化し易くなる。従って、試料ＭＢ１０、９，８，５，３はこの順序で脆化し易い。

一方、粒界腐食溝１４の体積や面積等の各計測値についてみると、試料ＭＢ１０、９，８，５，３の順でこれらは大きな値を示している。先に説明したように、低合金鋼中に含まれるＰ（リン）等の不純物元素が結晶粒界に偏析することにより脆化が起きやすくなるので、選択的エッチングを行い不純物元素が含まれる領域を選択的に腐食させたので、体積や面積等の計測値が大きいことは、それだけ粒界への不純物元素の偏析が多いこと、即ち脆化していることを意味しており、破面遷移温度の傾向と正確に一致する。

そこで、本発明では、予め計測値と破面遷移温度との対応関係をマスターカーブとしている。計測値は、上述したように３次元画像を用いて、従来は計測することができなかった体積等を直接計測した値を用いるので、当該マスターカーブから得られる脆化度の精度は向上し、信頼性が高くなる。

試料表面を示す模式図である。 図１におけるＡＡ矢視断面図である。 レプリカの断面図である。 ３次元画像を取得する際の様子を示す図である。 粒界腐食溝の体積，投影面積，長さ，最大深さ，平均断面積，平均深さ、平均幅を示す概念図である。 評価結果を示す図である。

符号の説明

１１ 粒界
１２ 結晶粒
１３ 不動態皮膜
１４ 粒界腐食溝
１５ レプリカ
１６ 突起

Claims (7)

1. 試料を化学エッチングして粒界を粒界腐食溝とし、該粒界腐食溝を３次元計測して、当該計測値を用いて予め設定された脆化度と計測値との対応関係を示すマスターカーブから前記試料の脆化度を評価することを特徴とする金属材料の脆化度非破壊評価方法。
2. 前記試料を化学エッチングする際に、前記粒界を選択的エッチングすることを特徴とする請求項１記載の金属材料の脆化度非破壊評価方法。
3. 前記粒界腐食溝における所定深さの２次元画像を取得し、これを深さに応じて重ねることにより前記粒界腐食溝の３次元画像を形成して、当該３次元画像を用いて前記３次元計測を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の金属材料の脆化度非破壊評価方法。
4. 前記粒界腐食溝の３次元画像を、共焦点型レーザー顕微鏡を用いて取得することを特徴とする請求項３記載の金属材料の脆化度非破壊評価方法。
5. 前記３次元画像を得る際に、前記試料のレプリカを用いることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の金属材料の脆化度非破壊評価方法。
6. 前記脆化度を評価する際に、０．０１〜５ｍｍ^２の領域を１の計測領域として複数の該計測領域に対して前記粒界腐食溝の３次元計測を行い、その計測値の最大値を用いて前記脆化度を評価することを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の金属材料の脆化度非破壊評価方法。
7. 前記脆化度を評価する際に、０．０１〜５ｍｍ^２の領域を１の計測領域として複数の該計測領域に対して前記粒界腐食溝の３次元計測を行い、その計測値を統計処理した値を用いて前記脆化度の評価を行うことを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の金属材料の脆化度非破壊評価方法。
   
   

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