JP2010217076A - Method of evaluating inclusion - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of evaluating inclusions for stably evaluating a nonmetal inclusion included in a metal material quickly at low costs. <P>SOLUTION: A tensile test is performed to a tensile test piece made of a metal material where hydrogen has penetrated, and destruction with a nonmetal inclusion affected by hydrogen as a starting point is generated in the tensile test piece. Then, the type of the nonmetal inclusion starting destruction existing in a risk volume of the tensile test piece is identified and the dimensions are measured. The dimensions of the nonmetal inclusion are obtained by calculating the square root of a projection area in the direction of a tension axis in the tensile test. By analyzing the square root of the projection area by a method of extreme value statistics, the dimensions of the maximum nonmetal inclusion is predicted from among nonmetal inclusions existing in the metal material. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、金属材料中に含まれる介在物について評価する方法に関する。   The present invention relates to a method for evaluating inclusions contained in a metal material.

機械,構造物等における破壊事故の約80%が疲労破壊に起因するものだと言われており、疲労破壊による破壊事故を未然に防ぐことは極めて重要である。硬さHV400以上の高強度鋼においては、材料中に含まれる欠陥や非金属介在物が疲労破壊の起点となることが知られているので、材料中に含まれる非金属介在物について調査することは非常に重要である。   It is said that about 80% of destruction accidents in machinery, structures, etc. are caused by fatigue failure, and it is extremely important to prevent destruction accidents due to fatigue failure. In high-strength steels with a hardness of HV400 or higher, it is known that defects and non-metallic inclusions contained in the material are the starting points of fatigue failure, so investigate non-metallic inclusions contained in the material. Is very important.

非金属介在物の評価方法については、世界各国で様々なものが提案されている。例えば、アメリカのASTM法、ドイツのVDEh法、日本のJIS(日本規格協会)の点算法などがある。
しかしながら、これらの評価方法によって定義された介在物指数と疲労強度との間には、明確な相関性はないことが指摘されている(非特許文献1,2を参照)。これは、前述した非金属介在物の評価方法が、疲労現象の詳細な観察結果に基づいて提案されたものではないからである。疲労強度に有害なのは、材料中に含まれる最大の非金属介在物であって、非金属介在物の化学組成,数,分布密度は本質的には関連性は低いからである。
Various methods for evaluating non-metallic inclusions have been proposed around the world. For example, the American ASTM method, the German VDEh method, and the Japanese JIS (Japanese Standards Association) point calculation method.
However, it has been pointed out that there is no clear correlation between the inclusion index defined by these evaluation methods and the fatigue strength (see Non-Patent Documents 1 and 2). This is because the above-described method for evaluating non-metallic inclusions has not been proposed based on detailed observation results of fatigue phenomena. Detrimental to fatigue strength is the largest non-metallic inclusions contained in the material, and the chemical composition, number, and distribution density of non-metallic inclusions are essentially unrelated.

材料中に含まれる最大の非金属介在物の寸法を予想する方法としては、極値統計法による介在物評価法がある(特許文献1を参照)。極値統計法とは、材料のうちの一部分についての非金属介在物の分布から、その材料に含まれる非金属介在物全体のうち最大の非金属介在物の寸法を予想する方法である。
また、金属材料の清浄度を定量的に評価する方法としては、金属材料から酸溶解によって非金属介在物を抽出し評価する方法(特許文献2,3を参照)や、電子ビーム溶解法(EB溶解法)によって金属材料を溶解し、浮上した非金属介在物を顕微鏡によって観察する方法(特許文献4を参照)がある。
As a method for predicting the size of the largest non-metallic inclusion contained in the material, there is an inclusion evaluation method based on an extreme value statistical method (see Patent Document 1). The extreme value statistical method is a method of predicting the size of the largest nonmetallic inclusion among all the nonmetallic inclusions contained in the material from the distribution of the nonmetallic inclusion in a part of the material.
In addition, as a method for quantitatively evaluating the cleanliness of a metal material, a method of extracting and evaluating non-metallic inclusions from a metal material by acid dissolution (see Patent Documents 2 and 3), an electron beam melting method (EB) There is a method (see Patent Document 4) in which a metal material is dissolved by a melting method) and nonmetal inclusions that have floated are observed with a microscope.

一方、疲労試験を行えば、危険体積中に含まれる非金属介在物のうち最大の非金属介在物が起点となって破壊が生じると考えられる(非特許文献3を参照)。そこで、実際に疲労試験を行い、金属材料製の試験片に非金属介在物を起点とする破壊を生じさせ、その非金属介在物の寸法を測定し、極値統計法により危険体積中に存在する非金属介在物のうち最大の非金属介在物の寸法を予測する方法が開示されている(特許文献5を参照)。   On the other hand, if a fatigue test is performed, it is considered that the largest non-metallic inclusion among non-metallic inclusions contained in the dangerous volume is the starting point and breakage occurs (see Non-Patent Document 3). Therefore, an actual fatigue test was performed to cause a test specimen made of a metallic material to break starting from nonmetallic inclusions, and the dimensions of the nonmetallic inclusions were measured. A method for predicting the size of the largest nonmetallic inclusion among the nonmetallic inclusions to be performed is disclosed (see Patent Document 5).

ところで、水素が金属材料の強度を低下させることは古くから知られており、この現象は「水素脆化」,「水素助長割れ」,又は「遅れ破壊」と呼ばれ、多くの研究が行われている。しかしながら、水素が金属材料の強度を低下させる機構は、現在においても完全には明らかになっていないのが現状である。
福井らは、焼戻し温度を変えた低合金鋼を用いて、塩化水素水溶液中で30時間以上遅れ破壊が生じない曲げ応力の静的曲げ強度に対する比(以降は、遅れ破壊強度比と記す)を求め、硬さHRC40(HV375)以上であると遅れ破壊強度比の低下が著しいことを示している(非特許文献4を参照)。
By the way, it has long been known that hydrogen reduces the strength of metal materials, and this phenomenon is called “hydrogen embrittlement”, “hydrogen assisted cracking”, or “delayed fracture”, and many studies have been conducted. ing. However, at present, the mechanism by which hydrogen lowers the strength of a metal material has not been fully clarified.
Fukui et al. Used a low-alloy steel with different tempering temperatures to calculate the ratio of bending stress to static bending strength at which delayed fracture does not occur for more than 30 hours in an aqueous hydrogen chloride solution (hereinafter referred to as delayed fracture strength ratio). It has been found that if the hardness is HRC40 (HV375) or more, the delayed fracture strength ratio is significantly reduced (see Non-Patent Document 4).

特開平11−230961号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-230961 特開平9−125199号公報JP-A-9-125199 特開平9−125200号公報JP 9-125200 A 特開平6−192790号公報JP-A-6-192790 特許第3944568号公報Japanese Patent No. 3944568

J.Monnot, B.Heritier, J.Y.Cogne ,"Relationship of Melting Practice, Inclusion Type, and Size with Fatigue Resistance of Bearing Steel", ASTM STP, 987(1988), p.911J. Monnot, B. Heritier, J. Y. Cogne, "Relationship of Melting Practice, Inclusion Type, and Size with Fatigue Resistance of Bearing Steel", ASTM STP, 987 (1988), p.911. 足立彰,荘司英雄,桑原絢夫,井上義幸,「軸受鋼の回転曲げ疲れについて」,電気製鋼Vol.46,No.3(1975),p.176〜182Akira Adachi, Hideo Shoji, Ikuo Kuwahara, Yoshiyuki Inoue, “Rotating Bending Fatigue of Bearing Steel”, Electric Steel Making Vol. 46, no. 3 (1975), p. 176-182 村上敬宜,「金属疲労 微小欠陥と介在物の影響」,養賢堂,1993年,p94Takayoshi Murakami, “Effects of Metal Fatigue and Small Defects and Inclusions”, Yokendo, 1993, p94 福井彰一,「低合金鋼の遅れ破壊特性に及ぼす焼戻しの影響」,鉄と鋼 日本鐵鋼協會々誌Vol.55,No.12(1969),p.151〜161Shoichi Fukui, “Effect of Tempering on Delayed Fracture Properties of Low Alloy Steel”, Iron and Steel, Nippon Steel & Steel Association Vol. 55, no. 12 (1969), p. 151-161 周世栄,村上敬宜,福島良博,Stefano Beretta ,「三次元観察に基づく非金属介在物の極値統計評価」,鉄と鋼 日本鐵鋼協會々誌Vol.87,No.12(2001),p.748〜755Zhou Seei, Takayoshi Murakami, Yoshihiro Fukushima, Stefano Beretta, "Extreme statistical evaluation of non-metallic inclusions based on three-dimensional observations", Iron and Steel, Nippon Steel & Steel Association Vol. 87, no. 12 (2001), p. 748-755 R.Takahashi and M.Shibuya, "Prediction of maximum size in Wicksell's corpuscle problem", Annals of the Institute of Statistical Mathematics, Vol.50, No.2(1998),p361-377R. Takahashi and M. Shibuya, "Prediction of maximum size in Wicksell's corpuscle problem", Annals of the Institute of Statistical Mathematics, Vol. 50, No. 2 (1998), p361-377 R.Takahashi and M.Shibuya, "The maximum size of the planar sections of random spheres and its application to metallurgy", Annals of the Institute of Statistical Mathematics, Vol.48, No.1(1996),p127-144R. Takahashi and M. Shibuya, "The maximum size of the planar sections of random spheres and its application to metallurgy", Annals of the Institute of Statistical Mathematics, Vol. 48, No. 1 (1996), p127-144 T.Fujita and Y.Yamada, "Stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement of iron base alloys", (1977), p736, NZCE-5T. Fujita and Y. Yamada, "Stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement of iron base alloys", (1977), p736, NZCE-5 大西敬三,加賀寿,「構造用鋼の室温水素ガス脆化」,第105回講演大会討論会講演概要,日本鉄鋼協会,p.A136〜A139Keizo Onishi and Kaga Kotoshi, “Room-temperature hydrogen gas embrittlement of structural steel”, Summary of the 105th Lecture Meeting Discussion, Japan Iron and Steel Institute, p. A136-A139

特許文献1のような極値統計法による非金属介在物の評価は、顕微鏡観察に基づいて最大の非金属介在物の寸法(最大の非金属介在物の投影面積の平方根√areamax )を定量的に予測できる方法であり、多くの研究者の間で利用されている。
しかしながら、金属材料としてSCM435を用いた場合は、顕微鏡観察によって比較的小さい基準面積S0 で疲労破壊の起点となる最大の非金属介在物の寸法を予測すると、誤差が大きくなる場合があることが指摘されている(非特許文献5を参照)。この理由は、疲労破壊の起点となった非金属介在物と顕微鏡によって観察された非金属介在物との種類(成分)が異なるからである。
The evaluation of nonmetallic inclusions by the extreme value statistical method as in Patent Document 1 quantifies the size of the largest nonmetallic inclusion (square root √area max of the projected area of the largest nonmetallic inclusion) based on microscopic observation. It is a predictable method and is used by many researchers.
However, when a SCM435 as the metal material, when predicting the size of the largest non-metallic inclusions as a starting point of fatigue fracture in a relatively small reference area S 0 by microscopic observation, that there is an error may increase It has been pointed out (see Non-Patent Document 5). The reason for this is that the type (component) of the non-metallic inclusions that are the starting point of fatigue fracture differs from the non-metallic inclusions observed with a microscope.

さらに、疲労破壊の起点となる種類の非金属介在物を顕微鏡観察によって精度良く評価するためには、SCM435においては、検査基準面積の限界値Scritが約10000mm2 以上であることが指摘されている。したがって、疲労破壊の起点となる大きな非金属介在物を顕微鏡観察によって見つけることは必ずしも容易な作業ではないし、費用がかかると考えられる。 Further, in order to accurately evaluate the type of non-metallic inclusions that are the starting point of fatigue fracture by microscopic observation, it has been pointed out that the limit value S crit of the inspection standard area is about 10,000 mm 2 or more in SCM435. Yes. Therefore, it is not always easy to find a large non-metallic inclusion as a starting point of fatigue fracture by microscopic observation, and it is considered to be expensive.

次に、特許文献2,3に記載の評価方法は、金属材料から非金属介在物を酸溶解によって抽出する方法であるが、複数の非金属介在物が連なりクラスター状をなしている場合には、検査体積内で最大の非金属介在物を正確には測定できないおそれがある。さらに、非金属介在物が酸に溶解する可能性もあるので、種々の非金属介在物を評価する方法としては最良の方法とは言えなかった。   Next, the evaluation methods described in Patent Documents 2 and 3 are methods for extracting nonmetallic inclusions from a metal material by acid dissolution, but when a plurality of nonmetallic inclusions are connected to form a cluster. The maximum non-metallic inclusion in the inspection volume may not be measured accurately. Furthermore, since nonmetallic inclusions may be dissolved in acid, it was not the best method for evaluating various nonmetallic inclusions.

また、特許文献4に記載の評価方法は、金属材料を電子ビームにより溶解する方法であるが、複数の非金属介在物が連なりクラスター状をなしている場合には、検査体積内で最大の非金属介在物を正確には測定できないおそれがある。   The evaluation method described in Patent Document 4 is a method in which a metal material is melted by an electron beam. However, when a plurality of nonmetallic inclusions are connected to form a cluster shape, Metal inclusions may not be measured accurately.

さらに、特許文献5に記載の評価方法は、疲労試験を利用して非金属介在物を評価するものであるが、超音波疲労試験機を用いて評価をすると、20kHzの繰り返し速度であれば、107 回程度の応力繰り返し数では10分間程度、108 回程度の応力繰り返し数では100分間程度で完了するため、迅速な評価が可能である。しかしながら、超音波疲労試験機は、特許文献5に記載されているように、砂時計型の試験片を用いなければならないという問題があった。特許文献5に記載の超音波疲労試験機を用いた場合の試験片の危険体積は小さく、33mm3 である。後述する油圧式のサーボ式疲労試験機の疲労試験片の場合は、危険体積は1272mm3 である。危険体積が大きい試験片から得られたデータは、信頼性が高いので、超音波疲労試験機を用いた非金属介在物の検査は、さらなる改良が望まれる。 Furthermore, the evaluation method described in Patent Document 5 is to evaluate non-metallic inclusions using a fatigue test, but when evaluated using an ultrasonic fatigue tester, if the repetition rate is 20 kHz, Since the stress repetition number of about 10 7 is about 10 minutes and the stress repetition number of about 10 8 is completed in about 100 minutes, rapid evaluation is possible. However, as described in Patent Document 5, the ultrasonic fatigue tester has a problem that an hourglass-type test piece has to be used. When the ultrasonic fatigue testing machine described in Patent Document 5 is used, the dangerous volume of the test piece is small, 33 mm 3 . In the case of a fatigue test piece of a hydraulic servo fatigue tester to be described later, the dangerous volume is 1272 mm 3 . Since the data obtained from the specimen having a large dangerous volume is highly reliable, further inspection is desired for the inspection of non-metallic inclusions using an ultrasonic fatigue tester.

油圧式のサーボ式疲労試験機では、平行部を有する試験片の使用が可能であるので、超音波疲労試験機と比べて10倍以上の危険体積を有する試験片の使用が可能である。しかしながら、油圧式のサーボ式疲労試験機の繰り返し速度は超音波疲労試験機と比べて遅く、20〜1000Hz程度である。繰り返し速度が20Hzの場合は、107 回程度の応力繰り返し数では約6日間、108 回程度の応力繰り返し数では約58日間も要する。繰り返し速度が500Hzの場合でも、107 回程度の応力繰り返し数では6時間程度、108 回程度の応力繰り返し数では約2日間も要する。さらに、軸荷重疲労試験機では、試験片に曲げ応力が作用しやすいので、試験片の取り付けが煩雑であるという問題点を有していた。 In the hydraulic servo type fatigue tester, it is possible to use a test piece having a parallel portion, and therefore, it is possible to use a test piece having a dangerous volume 10 times or more that of an ultrasonic fatigue tester. However, the repetition rate of the hydraulic servo fatigue tester is slower than that of the ultrasonic fatigue tester and is about 20 to 1000 Hz. When the repetition rate is 20 Hz, it takes about 6 days for a stress repetition number of about 10 7 times and about 58 days for a stress repetition number of about 10 8 times. Even when the repetition rate is 500 Hz, a stress repetition number of about 10 7 requires about 6 hours and a stress repetition number of about 10 8 requires about two days. Further, the axial load fatigue testing machine has a problem that the mounting of the test piece is complicated because the bending stress tends to act on the test piece.

そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、簡便且つ迅速な介在物評価方法を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to solve the trouble which the above prior arts have, and to provide a simple and quick inclusion evaluation method.

前記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討した結果、金属材料製の試験片に水素を侵入させ、試験片中に水素が存在している状態で引張試験を行えば、水素の影響により、試験片の危険体積中での最大の非金属介在物を起点とした破壊が生じやすくなり、試験片が低荷重で破断することを見出した。その結果、非金属介在物の評価を短時間且つ低コストで行うことができるとともに、安定した評価が可能であることを見出した。さらに、破壊の起点となった非金属介在物の寸法を極値統計法により解析すると、金属材料中で最大の非金属介在物の寸法を予測することができることを見出した。   As a result of intensive studies by the present inventors in order to solve the above-mentioned problems, if hydrogen is allowed to penetrate into a metal specimen and a tensile test is performed in the presence of hydrogen in the specimen, the influence of hydrogen As a result, it was found that the breakage starting from the largest non-metallic inclusion in the dangerous volume of the test piece was likely to occur, and the test piece was broken at a low load. As a result, it was found that the evaluation of non-metallic inclusions can be performed in a short time and at low cost, and stable evaluation is possible. Furthermore, when the dimension of the nonmetallic inclusion which became the starting point of destruction was analyzed by the extreme value statistical method, it discovered that the dimension of the largest nonmetallic inclusion in a metal material was predictable.

すなわち、本発明の介在物評価方法は、水素を侵入させた金属材料製の試験片に対して引張試験を行い、前記水素の影響を受けた非金属介在物を起点とする破壊を前記試験片に生じさせた後に、前記試験片の危険体積中に存在する前記破壊の起点となった非金属介在物の種類を同定するとともに寸法を測定して、その非金属介在物の寸法の分布関数を求め、この分布関数により前記金属材料の清浄度を評価することを特徴とする。なお、金属材料製の試験片に水素を侵入させながら引張試験を行うことによっても、上記と同様に前記金属材料の清浄度を評価することができる。   That is, in the inclusion evaluation method of the present invention, a tensile test is performed on a test piece made of a metal material into which hydrogen has been infiltrated, and breakage starting from a non-metallic inclusion affected by the hydrogen is detected as the test piece. Then, the type of the non-metallic inclusion which is the starting point of the destruction existing in the dangerous volume of the test piece is identified and the dimension is measured, and the distribution function of the dimension of the non-metallic inclusion is obtained. The cleanliness of the metal material is evaluated by the distribution function. In addition, the cleanliness of the metal material can be evaluated in the same manner as described above by performing a tensile test while allowing hydrogen to penetrate into a test piece made of a metal material.

このような本発明の介在物評価方法においては、前記非金属介在物に関して前記引張試験の引張軸方向の投影面積を測定し、該投影面積の平方根を極値統計法で解析すれば、前記金属材料中に存在する非金属介在物のうち最大の非金属介在物の寸法を予測することができる。
前記試験片中の水素量は、0.2ppm以上であることが好ましく、0.3ppm以上であることがより好ましく、0.6ppm以上であることがさらに好ましい。また、前記金属材料の硬さは、HV400以上であることが好ましく、HV450以上であることがより好ましく、HV500以上であることがさらに好ましい。
In such an inclusion evaluation method of the present invention, if the projected area in the tensile axis direction of the tensile test is measured for the nonmetallic inclusion, and the square root of the projected area is analyzed by an extreme value statistical method, the metal The size of the largest nonmetallic inclusion among the nonmetallic inclusions present in the material can be predicted.
The amount of hydrogen in the test piece is preferably 0.2 ppm or more, more preferably 0.3 ppm or more, and further preferably 0.6 ppm or more. Further, the hardness of the metal material is preferably HV400 or more, more preferably HV450 or more, and further preferably HV500 or more.

本発明の介在物評価方法は簡便な方法であり、該介在物評価方法によれば、短時間且つ低コストで安定した評価を行うことが可能である。   The inclusion evaluation method of the present invention is a simple method, and according to the inclusion evaluation method, stable evaluation can be performed in a short time and at low cost.

引張試験片の形状,寸法を示す図である。It is a figure which shows the shape and dimension of a tensile test piece. 金属顕微鏡観察により得られた非金属介在物の寸法のデータを、極値統計法によって解析した極値統計グラフである。It is the extreme value statistical graph which analyzed the data of the dimension of the nonmetallic inclusion obtained by metallurgical microscope observation by the extreme value statistical method. 疲労試験片の形状,寸法を示す図である。It is a figure which shows the shape and dimension of a fatigue test piece. 疲労試験により得られた非金属介在物の寸法のデータを、極値統計法によって解析した極値統計グラフである。It is the extreme value statistical graph which analyzed the data of the dimension of the nonmetallic inclusion obtained by the fatigue test by the extreme value statistical method. 図4の疲労試験により得られた極値統計グラフを変換したグラフである。It is the graph which converted the extreme value statistical graph obtained by the fatigue test of FIG. 引張試験片の水素放出特性を示すグラフである。It is a graph which shows the hydrogen release characteristic of a tensile test piece. 公称応力−公称ひずみ曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a nominal stress-nominal strain curve. 公称応力−公称ひずみ曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a nominal stress-nominal strain curve. 公称応力−公称ひずみ曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a nominal stress-nominal strain curve. 公称応力−公称ひずみ曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a nominal stress-nominal strain curve. 公称応力−公称ひずみ曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a nominal stress-nominal strain curve. 実施例1の引張試験片の破断面を観察した顕微鏡拡大図である。2 is an enlarged view of a microscope observing a fracture surface of a tensile test piece of Example 1. FIG. 実施例14の引張試験片の破断面を観察した顕微鏡拡大図である。It is the microscope enlarged view which observed the fracture surface of the tensile test piece of Example 14. 比較例2の引張試験片の破断面を観察した顕微鏡拡大図である。6 is an enlarged view of a microscope observing a fracture surface of a tensile test piece of Comparative Example 2. FIG. 比較例6の引張試験片の破断面を観察した顕微鏡拡大図である。10 is an enlarged view of a microscope observing a fracture surface of a tensile test piece of Comparative Example 6. FIG. 引張試験により得られた非金属介在物の寸法のデータを、極値統計法によって解析した極値統計グラフである。It is the extreme value statistical graph which analyzed the data of the dimension of the nonmetallic inclusion obtained by the tension test by the extreme value statistical method. 引張強度と水素量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between tensile strength and hydrogen content. 引張強度比と引張試験片の硬さとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between tensile strength ratio and the hardness of a tensile test piece.

本発明に係る介在物評価方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、金属材料製の引張試験片を用意する。金属材料の種類は特に限定されるものではないが、JISに規定されている軸受鋼(例えば高炭素クロム軸受鋼SUJ2)、構造用鋼(例えばSCM435)、ばね鋼(例えばSUP12)、工具鋼、ステンレス鋼等が使用可能である。
Embodiments of the inclusion evaluation method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, a tensile test piece made of a metal material is prepared. The type of the metal material is not particularly limited, but bearing steel (for example, high carbon chromium bearing steel SUJ2), structural steel (for example, SCM435), spring steel (for example, SUP12), tool steel, Stainless steel or the like can be used.

次に、引張試験片に水素を侵入させる(以降においては、水素チャージと記すこともある)。水素チャージの方法は特に限定されるものではないが、引張試験片を酸性の水溶液(例えばチオシアン酸アンモニウム水溶液)に浸漬する方法、引張試験片を水素ガスに暴露する方法、引張試験片を電解液(例えば、塩化ナトリウムとチオシアン酸アンモニウムの水溶液や硫酸と亜ヒ酸の水溶液)に浸漬しながら電流を印加する方法などがあげられる。なお、引張試験片に水素チャージを施してもよいが、引張試験片の形状に加工する前の金属材料に水素チャージを施して、水素チャージされた金属材料から引張試験片を製作してもよい。   Next, hydrogen is allowed to penetrate into the tensile test piece (hereinafter, referred to as hydrogen charge). The method of hydrogen charging is not particularly limited, but a method in which a tensile test piece is immersed in an acidic aqueous solution (for example, an ammonium thiocyanate aqueous solution), a method in which the tensile test piece is exposed to hydrogen gas, and a tensile test piece in an electrolytic solution. (For example, a method of applying an electric current while being immersed in an aqueous solution of sodium chloride and ammonium thiocyanate or an aqueous solution of sulfuric acid and arsenous acid). The tensile test piece may be subjected to hydrogen charge, but the metal material before being processed into the shape of the tensile test piece may be subjected to hydrogen charge to produce the tensile test piece from the hydrogen-charged metal material. .

そして、水素チャージを施した引張試験片に対して引張試験(静的な試験)を行い、引張試験片を破断させる。水素チャージを施した引張試験片は、水素の影響を受けて、引張試験片の危険体積中での最大の非金属介在物を起点とした破壊が生じやすくなっているので、水素チャージを施していないものと比べて低荷重で破断する。このとき、水素は引張試験片の危険体積中に均一に存在することが好ましい。   Then, a tensile test (static test) is performed on the tensile test piece subjected to hydrogen charge, and the tensile test piece is broken. Tensile specimens that have been charged with hydrogen are susceptible to hydrogen and are susceptible to fracture starting from the largest non-metallic inclusions in the dangerous volume of the tensile specimen. Fractures with a lower load than those without. At this time, it is preferable that hydrogen exists uniformly in the dangerous volume of a tensile test piece.

なお、水素チャージは引張試験前に行ってもよいが、引張試験中に引張試験片に水素チャージを行ってもよい。すなわち、引張試験片を酸性の水溶液(例えばチオシアン酸アンモニウム水溶液)に浸漬する方法、引張試験片を水素ガスに暴露する方法、あるいは、引張試験片を電解液(例えば、塩化ナトリウムとチオシアン酸アンモニウムの水溶液や硫酸と亜ヒ酸の水溶液)に浸漬する方法により、引張試験片に水素チャージを行いながら引張試験を行ってもよい。   The hydrogen charge may be performed before the tensile test, but the tensile test piece may be charged with hydrogen during the tensile test. That is, a method in which a tensile test piece is immersed in an acidic aqueous solution (for example, an ammonium thiocyanate aqueous solution), a method in which the tensile test piece is exposed to hydrogen gas, or a tensile test piece in an electrolytic solution (for example, sodium chloride and ammonium thiocyanate). A tensile test may be performed while hydrogen charging the tensile test piece by a method of immersing in an aqueous solution or an aqueous solution of sulfuric acid and arsenous acid.

次に、破断した引張試験片中の非金属介在物の分析を行う。すなわち、引張試験片の危険体積中に存在する、破壊の起点となった非金属介在物の種類を同定するとともに、該非金属介在物の寸法を測定し、該非金属介在物の寸法の分布関数を求める。このようにして得られた分布関数により、金属材料の清浄度を評価することができる。このような評価方法によれば、非金属介在物の評価を短時間且つ低コストで行うことができるとともに、安定した評価が可能である。また、超音波疲労試験機といった特殊な試験機を用いなくても、一般的な引張試験機を用いることによって、疲労破壊の起点となる非金属介在物の評価を容易に且つ高精度に行うことができる。よって、鉄鋼材料等の金属材料の品質保証や品質改良の評価に適用することができる。特に、高清浄度を求められる転がり軸受用鋼,精機製品用鋼の評価に好適である。   Next, the nonmetallic inclusions in the fractured tensile test piece are analyzed. That is, the type of non-metallic inclusions that are present in the critical volume of the tensile test piece and that is the starting point of fracture is identified, the dimensions of the non-metallic inclusions are measured, and the distribution function of the dimensions of the non-metallic inclusions is determined. Ask. The cleanliness of the metal material can be evaluated by the distribution function thus obtained. According to such an evaluation method, non-metallic inclusions can be evaluated in a short time and at low cost, and stable evaluation is possible. Also, without using a special testing machine such as an ultrasonic fatigue testing machine, non-metallic inclusions that are the starting point of fatigue fracture can be easily and accurately evaluated by using a general tensile testing machine. Can do. Therefore, the present invention can be applied to quality assurance and quality improvement evaluation of metal materials such as steel materials. In particular, it is suitable for the evaluation of rolling bearing steel and precision product steel that require high cleanliness.

なお、危険体積とは、試験片において、破壊の起点となり得るような高い応力の作用する部分の体積を意味する。引張試験や後述する疲労試験(動的な試験)において通常使用される試験片においては、応力が入力される両端部の間に位置する平行部の体積が危険体積に相当する。平行部が円柱状の試験片の場合は、危険体積Vs は、0.25πd2 lで表すことができる。ここで、dは平行部の直径であり、lは平行部の長さである。 The dangerous volume means the volume of a portion where high stress acts on the test piece, which can be a starting point of fracture. In a test piece usually used in a tensile test or a fatigue test (dynamic test) described later, the volume of a parallel portion located between both ends to which stress is input corresponds to a dangerous volume. When the parallel part is a cylindrical test piece, the dangerous volume V s can be expressed by 0.25πd 2 l. Here, d is the diameter of the parallel part, and l is the length of the parallel part.

さらに、前記破壊の起点となった非金属介在物の寸法を、該非金属介在物の投影面積の平方根とすることが好ましい。すなわち、前記破壊の起点となった非金属介在物について、引張試験の引張軸方向から見た場合の投影面積areaを測定し、この投影面積areaの平方根√areaを算出して、この値の分布関数により金属材料の清浄度を評価することができる。このとき、投影面積の平方根√areaを極値統計法で解析すれば、金属材料中に存在する非金属介在物のうち最大の非金属介在物の寸法を予測することができる。   Furthermore, it is preferable that the dimension of the non-metallic inclusion that is the starting point of the destruction is the square root of the projected area of the non-metallic inclusion. That is, for the non-metallic inclusion that is the starting point of the fracture, the projected area when measured from the tensile axis direction of the tensile test is measured, the square root √area of the projected area is calculated, and the distribution of this value The cleanliness of the metal material can be evaluated by the function. At this time, if the square root √area of the projected area is analyzed by the extreme value statistical method, the dimension of the largest nonmetallic inclusion among the nonmetallic inclusions existing in the metallic material can be predicted.

なお、投影面積areaの平方根√areaは、等価欠陥寸法に相当する。後述する疲労試験の場合は、破壊の起点となった非金属介在物について、疲労試験の主応力方向から見た場合の投影面積を測定し、これを投影面積areaとする。また、後述する金属顕微鏡観察により非金属介在物を観察する場合は、得られた顕微鏡画像(例えば顕微鏡写真)から非金属介在物の面積を測定し、これを投影面積areaとする。   The square root √area of the projected area area corresponds to the equivalent defect size. In the case of a fatigue test to be described later, the projected area of the non-metallic inclusion that is the starting point of fracture when viewed from the principal stress direction of the fatigue test is measured, and this is taken as the projected area. Moreover, when observing a nonmetallic inclusion by metal microscope observation mentioned later, the area of a nonmetallic inclusion is measured from the obtained microscope image (for example, micrograph), and this is made into the projection area area.

さらに、極値統計法とは、極値分布を解析する方法を意味する。極値分布とは、ある基本分布関数に従うデータ群から一定数のデータの集合を取り出したとき、各集合の最大値や最小値が従う分布を意味する。基本分布が正規分布や指数分布であっても、その極値分布は基本分布とは異なった分布となる。   Further, the extreme value statistical method means a method of analyzing the extreme value distribution. The extreme value distribution means a distribution that is followed by the maximum value or the minimum value of each set when a set of a certain number of data is extracted from a data group according to a certain basic distribution function. Even if the basic distribution is a normal distribution or an exponential distribution, the extreme value distribution is different from the basic distribution.

以下に、実施例,比較例,及び従来例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
〔金属顕微鏡観察による非金属介在物の評価について〕
金属材料中に含まれる非金属介在物の評価を金属顕微鏡観察により行う従来例について説明する。この評価方法は、前述の特許文献1に記載の方法である。
金属材料の種類は、後述する従来例(疲労試験)及び実施例(引張試験)で用いるものと同様の高炭素クロム軸受用鋼SUJ2である。その合金成分の組成比は、炭素1.00質量%、クロム1.44質量%、ケイ素0.26質量%、マンガン0.36質量%、モリブデン0.03質量%、リン0.011質量%、イオウ0.007質量%、銅0.10質量%、ニッケル0.07質量%、チタン0.002質量%、酸素6質量ppmであり、残部は鉄である。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, comparative examples, and conventional examples.
[Evaluation of non-metallic inclusions by metal microscope observation]
A conventional example in which a nonmetallic inclusion contained in a metal material is evaluated by observation with a metal microscope will be described. This evaluation method is the method described in Patent Document 1 described above.
The kind of the metal material is the same high-carbon chromium bearing steel SUJ2 as that used in the conventional example (fatigue test) and the example (tensile test) described later. The composition ratio of the alloy components is 1.00% by mass of carbon, 1.44% by mass of chromium, 0.26% by mass of silicon, 0.36% by mass of manganese, 0.03% by mass of molybdenum, 0.011% by mass of phosphorus, 0.007% by mass of sulfur, 0.10% by mass of copper, 0.07% by mass of nickel, 0.002% by mass of titanium, 6 ppm by mass of oxygen, and the balance is iron.

このような金属材料を用い、以下のようにして金属顕微鏡観察用の試験片を作製した。後述する図1の引張試験片の平行部を、引張試験片の長手方向(引張軸方向)に直交する平面が切断面となるように切断して、直径4.5mm、厚さ2.0mmの円柱状の金属顕微鏡観察用試験片を切り出した。なお、この引張試験片は、引張試験に供していない未使用の物である。   Using such a metal material, a test piece for observing a metallographic microscope was produced as follows. A parallel portion of the tensile test piece of FIG. 1 to be described later is cut so that a plane orthogonal to the longitudinal direction (tensile axis direction) of the tensile test piece becomes a cut surface, and has a diameter of 4.5 mm and a thickness of 2.0 mm. A cylindrical specimen for observation with a metal microscope was cut out. This tensile test piece is an unused one that has not been subjected to a tensile test.

円柱状の金属顕微鏡観察用試験片を樹脂に埋め込み、該金属顕微鏡観察用試験片の上下両平面のうち観察面となる片面のみを、エメリー紙を用いて研磨し#2000まで表面仕上げを行ってから(以降は、このようなエメリー紙を用いた表面仕上げをエメリー研磨と記す)、バフ研磨を行った。検査基準面積S0 は、金属顕微鏡観察用試験片の前記平面全体であり、15.9mm2 (4.5×4.5×π/4)である。金属顕微鏡による観察箇所は40箇所(検査視野数40)である。 A cylindrical metal microscope observation specimen is embedded in a resin, and only one of the upper and lower flat surfaces of the metal microscope observation specimen is polished using emery paper and surface-finished to # 2000. (Hereinafter, surface finishing using such emery paper is referred to as emery polishing), and buffing was performed. The inspection reference area S 0 is the entire plane of the test piece for metal microscope observation, and is 15.9 mm 2 (4.5 × 4.5 × π / 4). There are 40 observation points (number of inspection visual fields: 40) by a metal microscope.

観察面の金属顕微鏡写真を画像処理装置により画像処理し、検査基準面積S0 中の非金属介在物のうち最大の非金属介在物の寸法(最大の非金属介在物の投影面積の平方根√area)を測定した。その後、走査型電子顕微鏡(SEM)に付属のエネルギー分散形X線分析装置(EDX)で、非金属介在物の同定を行った。なお、SEM観察とEDX分析における加速電圧は20kVである。 The metal micrograph of the observation surface is image-processed by an image processing apparatus, and the dimension of the largest non-metallic inclusion among the non-metallic inclusions in the inspection reference area S 0 (the square root √area of the projected area of the largest non-metallic inclusion) ) Was measured. Thereafter, non-metallic inclusions were identified with an energy dispersive X-ray analyzer (EDX) attached to a scanning electron microscope (SEM). The acceleration voltage in SEM observation and EDX analysis is 20 kV.

このようにして金属顕微鏡観察により得られた最大の非金属介在物の寸法のデータを、極値統計法によって解析した。極値統計グラフを図2に示す。このグラフにおけるyは基準化変数(y=0.711×√area−4.984)、Fは累積度数、T(=1/(1−F))は再帰期間である。
2次元検査の場合は、検査基準面積S0 に仮想の厚さhを付与することにより、近似的に検査基準体積V0 (=S0 ×h)に対する3次元検査と見なすことができる。具体的な方法は、2次元検査によって測定した最大の非金属介在物の寸法√areamax の平均値(=7.77×10-3mm)を求めて、その値を観察領域の仮想の厚さhとする。よって、2次元検査に相当する検査基準体積V0 は、S0 とhにより算出され0.124mm3 となる。この近似的方法の妥当性は、高橋らの理論解析によって支持されている(非特許文献6,7を参照)。
Thus, the data of the dimension of the largest nonmetallic inclusion obtained by observation with a metallographic microscope was analyzed by the extreme value statistical method. An extreme value statistical graph is shown in FIG. In this graph, y is a standardized variable (y = 0.711 × √area−4.984), F is a cumulative frequency, and T (= 1 / (1-F)) is a recursion period.
In the case of the two-dimensional inspection, by adding a virtual thickness h to the inspection reference area S 0 , it can be approximately regarded as a three-dimensional inspection for the inspection reference volume V 0 (= S 0 × h). A specific method is to obtain an average value (= 7.77 × 10 −3 mm) of the dimension √area max of the maximum non-metallic inclusion measured by two-dimensional inspection, and use that value as the virtual thickness of the observation area. Let h. Therefore, the inspection reference volume V 0 corresponding to the two-dimensional inspection is calculated by S 0 and h and becomes 0.124 mm 3 . The validity of this approximate method is supported by the theoretical analysis of Takahashi et al. (See Non-Patent Documents 6 and 7).

また、EDXによる分析によって、最大の非金属介在物について化学成分の分析(元素分析)を行ったところ、40個の非金属介在物のうち14個でアルミニウム,カルシウム,及びイオウが検出され、1個の非金属介在物でアルミニウム及びイオウが検出された。残りの25個の非金属介在物については、非金属介在物が脱落していたため、化学成分の分析はできなかった。   Further, when the chemical component analysis (elemental analysis) was performed on the largest nonmetallic inclusion by analysis by EDX, aluminum, calcium, and sulfur were detected in 14 out of 40 nonmetallic inclusions. Aluminum and sulfur were detected in the non-metallic inclusions. Regarding the remaining 25 non-metallic inclusions, the chemical constituents could not be analyzed because the non-metallic inclusions were missing.

〔疲労試験による非金属介在物の評価について〕
金属材料中に含まれる非金属介在物の評価を疲労試験により行う従来例について説明する。この評価方法は、前述の非特許文献3に記載の方法である。
金属材料の種類は、前述の金属顕微鏡観察の場合及び後述の引張試験の場合において用いたものと全く同様である。この金属材料を用いて、図3に示すような形状,寸法の疲労試験片を製作した。すなわち、直径25mmの丸棒材を、平行部の取り代が直径当たり1.0mm、他の部分の取り代が直径当たり0.6mmとなるように機械加工した後に、熱処理を施した。熱処理の内容は、840℃で焼入れ(油冷)した後に240℃で焼戻し(炉冷)するというものである。
[Evaluation of non-metallic inclusions by fatigue test]
A conventional example in which a non-metallic inclusion contained in a metal material is evaluated by a fatigue test will be described. This evaluation method is the method described in Non-Patent Document 3 described above.
The kind of the metal material is exactly the same as that used in the case of the above-mentioned metal microscope observation and in the case of the tensile test described later. Using this metal material, a fatigue test piece having a shape and dimensions as shown in FIG. 3 was produced. That is, a round bar having a diameter of 25 mm was machined so that the machining allowance of the parallel part was 1.0 mm per diameter and the machining allowance of the other part was 0.6 mm per diameter, and then heat treatment was performed. The contents of the heat treatment are quenching (oil cooling) at 840 ° C. and tempering (furnace cooling) at 240 ° C.

この疲労試験片の破壊の起点となる危険体積Vs は477mm3 である。また、平行部の表面から中心部までの間の20点について測定荷重2.94Nでビッカース硬さを測定したところ、表面から中心部まで硬さにバラツキはほとんどなく、±2%以内であった。また、各疲労試験片の硬さの平均値はHV682であった。
次に、熱処理を施した疲労試験片に対して、機械加工,エメリー研磨,バフ研磨を行って、平行部を仕上げた。そして、一部の疲労試験片については、濃度20質量%のチオシアン酸アンモニウム水溶液に40℃で48時間浸漬することにより水素チャージを行った。そして、平行部に対してエメリー研磨及びバフ研磨を行うことにより、水素チャージにより形成された腐食層を取り除いて、仕上げを行った。
The critical volume V s that becomes the starting point of the fracture of the fatigue test piece is 477 mm 3 . Further, when the Vickers hardness was measured at a measurement load of 2.94 N at 20 points from the surface to the center of the parallel part, there was almost no variation in hardness from the surface to the center, and was within ± 2%. . Moreover, the average value of the hardness of each fatigue test piece was HV682.
Next, the heat treatment-treated fatigue test piece was machined, emery polished, and buffed to finish the parallel portion. Some fatigue test pieces were charged with hydrogen by immersing them in an aqueous solution of ammonium thiocyanate having a concentration of 20% by mass at 40 ° C. for 48 hours. Then, the emery polishing and the buff polishing were performed on the parallel part, thereby removing the corrosive layer formed by the hydrogen charge and finishing.

このようにして得た疲労試験片(7種)に対して疲労試験(動的な試験)を行って、平行部を破断させた。この疲労試験は、油圧サーボ式の引張圧縮疲労試験機を用いて大気中で行い、繰り返し速度fは50〜75Hz、応力比Rは−1(引張応力と圧縮応力とが等しい)である。なお、引張圧縮疲労試験においては、試験部に曲げ応力が作用すると若干低めの疲労強度が得られる傾向がある。よって、各試験片毎につかみ部付近の円周を4等分する位置にひずみゲージを取り付け、応力を負荷した際に試験部に曲げ応力が作用しないように注意深く調整しながら、試験片を疲労試験機に取り付けた。   The fatigue test pieces (seven types) thus obtained were subjected to a fatigue test (dynamic test) to break the parallel part. This fatigue test is performed in the atmosphere using a hydraulic servo type tensile compression fatigue tester, the repetition rate f is 50 to 75 Hz, and the stress ratio R is −1 (tensile stress and compressive stress are equal). In the tensile compression fatigue test, a slightly lower fatigue strength tends to be obtained when bending stress acts on the test part. Therefore, attach a strain gauge at a position that equally divides the circumference near the gripping part into four parts for each specimen, and carefully adjust the specimen so that bending stress does not act on the specimen when stress is applied. Attached to the testing machine.

水素チャージを行った疲労試験片については、水素チャージ終了時から疲労試験を開始するまでの時間を3時間とした。また、疲労試験が終了したら直ちに、疲労試験片中の水素の量を測定した。水素量の測定は、四重極質量分析計を用いた昇温脱離ガス分析法(TDS)によって行った。すなわち、疲労試験片の平行部から直径7.0mm,厚さ2.0mmの円板状の試料を切り出し、昇温速度0.5K/sで573Kまで昇温し、脱離した水素の量を測定した。結果を表1に示す。   For the fatigue test piece that was charged with hydrogen, the time from the end of the hydrogen charge to the start of the fatigue test was 3 hours. Further, immediately after the fatigue test was completed, the amount of hydrogen in the fatigue test piece was measured. The amount of hydrogen was measured by temperature programmed desorption gas analysis (TDS) using a quadrupole mass spectrometer. That is, a disc-shaped sample having a diameter of 7.0 mm and a thickness of 2.0 mm is cut out from the parallel portion of the fatigue test piece, heated to 573 K at a heating rate of 0.5 K / s, and the amount of desorbed hydrogen is determined. It was measured. The results are shown in Table 1.

Figure 2010217076
Figure 2010217076

疲労試験により疲労試験片の平行部が破断したら、疲労試験の主応力方向(引張応力方向)に垂直な面全体について観察を行った。すなわち、破断面をSEM観察し、破壊の起点となった非金属介在物の寸法(疲労試験の主応力方向から見た場合の投影面積の平方根√area)を測定した。その後、SEMに付属のEDXで、その非金属介在物の同定を行った。なお、SEM観察とEDX分析における加速電圧は20kVである。   When the parallel part of the fatigue test piece was broken by the fatigue test, the entire surface perpendicular to the main stress direction (tensile stress direction) of the fatigue test was observed. That is, the fracture surface was observed with an SEM, and the dimension of the nonmetallic inclusion that was the starting point of the fracture (the square root √area of the projected area when viewed from the principal stress direction of the fatigue test) was measured. Thereafter, the nonmetallic inclusions were identified by EDX attached to the SEM. The acceleration voltage in SEM observation and EDX analysis is 20 kV.

疲労試験における負荷応力、破断寿命(疲労試験片が破断するまでの応力繰り返し数)、破壊の起点となった非金属介在物の種類(カッコ内は非金属介在物を構成する元素)、非金属介在物の投影面積の平方根√area、及び疲労試験後に疲労試験片に存在する水素量を表1に示す。なお、試験片No.2* は、付加応力850MPaで応力繰り返し数2×107 回まで非破断であった試験片No.2の疲労試験片を、引き続き付加応力950MPaでの疲労試験に供した結果である。 Load stress in fatigue tests, rupture life (number of stress repetitions until the fatigue test piece breaks), type of non-metallic inclusions that are the starting point of fracture (in parentheses are elements constituting non-metallic inclusions), non-metallic Table 1 shows the square root √area of the projected area of inclusions and the amount of hydrogen present in the fatigue specimen after the fatigue test. The test piece No. No. 2 * is a test piece No. 2 that was non-ruptured with an additional stress of 850 MPa and a stress repetition number of 2 × 10 7 times. This is a result of subjecting the fatigue test piece 2 to a fatigue test at an additional stress of 950 MPa.

水素チャージの有無にかかわらず、疲労試験片は非金属介在物を起点として破壊した。破壊した疲労試験片の破断面には、典型的なフィッシュ・アイが観察され、その中心には非金属介在物が存在した。フィッシュ・アイの形状は、ほぼ円形であった。非金属介在物の化学成分としては主にアルミニウムとカルシウムが検出されたことから、非金属介在物はAl2 3 ・(CaO)x 系であると考えられる。 Regardless of the presence or absence of hydrogen charge, the fatigue test specimens were destroyed starting from non-metallic inclusions. A typical fish eye was observed on the fracture surface of the fractured fatigue specimen, and a non-metallic inclusion was present in the center. The shape of the fish eye was almost circular. Since mainly aluminum and calcium were detected as chemical components of the nonmetallic inclusions, the nonmetallic inclusions are considered to be Al 2 O 3. (CaO) x series.

このようにして疲労試験により得られた、破壊の起点となった非金属介在物の寸法(投影面積の平方根√area)のデータを、極値統計法によって解析した。極値統計グラフ(四角印のプロット)を図4に示す。このグラフにおけるyは基準化変数(y=0.194×√area−3.030)、Fは累積度数、Tは再帰期間である。この場合の検査基準体積V0 は、疲労試験片の平行部の体積である。すなわち、疲労試験片の危険体積Vs は477mm3 である。 Thus, the data of the dimension (square root √area of the projected area) of the non-metallic inclusion that was the starting point of the fracture obtained by the fatigue test was analyzed by an extreme value statistical method. FIG. 4 shows an extreme value statistical graph (plotted with square marks). In this graph, y is a standardized variable (y = 0.194 × √area−3.030), F is a cumulative frequency, and T is a recursion period. The inspection reference volume V 0 in this case is the volume of the parallel part of the fatigue test piece. That is, the dangerous volume V s of the fatigue test piece is 477 mm 3 .

なお、このグラフには、図2に示した金属顕微鏡観察により得られた極値統計グラフ(丸印のプロット)を併せて示してある。金属顕微鏡観察の場合の検査基準体積V0 は、0.124mm3 である。このように検査基準体積V0 の数値が異なる場合の極値統計データは、基準サンプルの検査基準体積V0 を基に変換して評価することができる。そこで、非特許文献5に記載の手順に従って、疲労試験による破壊の起点となった非金属介在物を検査基準体積V0 を基に変換して評価すると、図5のグラフのようになる。すなわち、極値統計グラフの直線は、ln(Vs /V0 )だけ平行移動した直線となり、今回の場合はln(Vs /V0 )は8.236である。 In addition, this graph also shows the extreme value statistical graph (circled plot) obtained by observation with the metallographic microscope shown in FIG. The inspection reference volume V 0 in the case of observation with a metal microscope is 0.124 mm 3 . Thus, the extreme value statistical data when the numerical value of the inspection reference volume V 0 is different can be converted and evaluated based on the inspection reference volume V 0 of the reference sample. Therefore, according to the procedure described in Non-Patent Document 5, when the non-metallic inclusions that are the starting points of the fracture by the fatigue test are converted and evaluated based on the inspection reference volume V 0 , a graph of FIG. 5 is obtained. That is, the straight line of the extreme value statistical graph is a straight line translated by ln (V s / V 0 ), and in this case, ln (V s / V 0 ) is 8.236.

2本の極値統計グラフの直線の傾きが異なる理由は、疲労試験において破壊の起点となった非金属介在物と、金属顕微鏡観察によって観察された非金属介在物の種類(成分)が異なるからであると考えられる。両直線の傾きが異なることは、非特許文献5でも指摘されている。金属顕微鏡観察による評価で、疲労試験において破壊の起点となる非金属介在物を予想するためには、検査基準面積S0 が15.9mm2 以上の大きな面積を観察する必要がある。したがって、破壊の起点となる大きな非金属介在物を金属顕微鏡観察によって見つけることは、必ずしも容易な作業ではないし、コストが高くなると考えられる。 The reason why the slopes of the two extreme statistical graphs are different is because the nonmetallic inclusions that are the starting point of the fracture in the fatigue test are different from the types (components) of nonmetallic inclusions that are observed by metallurgical microscopy. It is thought that. It is also pointed out in Non-Patent Document 5 that the slopes of both straight lines are different. In order to predict non-metallic inclusions that will be the starting point of fracture in fatigue tests, it is necessary to observe a large area with an inspection reference area S 0 of 15.9 mm 2 or more in the evaluation by metal microscope observation. Therefore, finding a large non-metallic inclusion as a starting point of destruction by observation with a metal microscope is not always an easy operation and is considered to increase the cost.

〔引張試験による非金属介在物の評価について〕
金属材料中に含まれる非金属介在物の評価を引張試験により行う本発明の実施例について説明する。
金属材料の種類は、前述の金属顕微鏡観察及び疲労試験の場合において用いたものと全く同様である。この金属材料を用いて、図1に示すような形状,寸法の引張試験片を製作した。すなわち、直径25mmの丸棒材を、平行部の取り代が直径当たり1.0mm、他の部分の取り代が直径当たり0.6mmとなるように機械加工した後に、下記の5つの条件のうちのいずれかの条件で熱処理を施した。
[Evaluation of non-metallic inclusions by tensile test]
Examples of the present invention in which non-metallic inclusions contained in a metal material are evaluated by a tensile test will be described.
The kind of the metal material is exactly the same as that used in the case of the above-mentioned metal microscope observation and fatigue test. Using this metal material, a tensile test piece having a shape and dimensions as shown in FIG. 1 was produced. That is, after machining a round bar with a diameter of 25 mm so that the allowance for the parallel part is 1.0 mm per diameter and the allowance for the other part is 0.6 mm per diameter, Heat treatment was performed under any of the conditions.

条件A:RXガス雰囲気中で840℃に保持してから油冷にて焼入れした後に、240℃で2時間保持してから炉冷して焼戻しを行った。
条件B:RXガス雰囲気中で840℃に保持してから油冷にて焼入れした後に、300℃で2時間保持してから炉冷して焼戻しを行った。
条件C:RXガス雰囲気中で840℃に保持してから油冷にて焼入れした後に、370℃で2時間保持してから水冷して焼戻しを行った。
条件D:RXガス雰囲気中で840℃に保持してから油冷にて焼入れした後に、470℃で2時間保持してから水冷して焼戻しを行った。
条件E:RXガス雰囲気中で840℃に保持してから油冷にて焼入れした後に、550℃で2時間保持してから油冷して焼戻しを行った。
Condition A: After holding at 840 ° C. in an RX gas atmosphere, quenching was performed with oil cooling, and then holding at 240 ° C. for 2 hours, followed by furnace cooling and tempering.
Condition B: After holding at 840 ° C. in an RX gas atmosphere, quenching was performed with oil cooling, and then holding at 300 ° C. for 2 hours, followed by furnace cooling and tempering.
Condition C: After holding at 840 ° C. in an RX gas atmosphere, quenching was performed with oil cooling, and then holding at 370 ° C. for 2 hours, followed by water cooling and tempering.
Condition D: After maintaining at 840 ° C. in an RX gas atmosphere, quenching was performed with oil cooling, and then maintaining at 470 ° C. for 2 hours, followed by water cooling and tempering.
Condition E: After holding at 840 ° C. in an RX gas atmosphere and quenching with oil cooling, holding at 550 ° C. for 2 hours, followed by oil cooling and tempering.

これらの引張試験片の破壊の起点となる危険体積Vs は477mm3 である。また、平行部の表面から中心部までの間の20点について測定荷重2.94Nでビッカース硬さを測定したところ、表面から中心部まで硬さにバラツキはほとんどなく、±3%以内であった。さらに、各引張試験片の硬さの平均値は、熱処理の条件が条件Aの場合はHV678(バラツキは±2%以内)、熱処理の条件が条件Bの場合はHV611(バラツキは±2%以内)、熱処理の条件が条件Cの場合はHV559(バラツキは±3%以内)、熱処理の条件が条件Dの場合はHV447(バラツキは±2%以内)、熱処理の条件が条件Eの場合はHV346(バラツキは±3%以内)であった。 The critical volume V s that is the starting point of the fracture of these tensile test pieces is 477 mm 3 . Further, when the Vickers hardness was measured at a measurement load of 2.94 N at 20 points from the surface of the parallel part to the center part, there was almost no variation in hardness from the surface to the center part, and was within ± 3%. . Furthermore, the average value of the hardness of each tensile test piece is HV678 (variation is within ± 2%) when the heat treatment condition is condition A, and HV611 (variation is within ± 2%) when the heat treatment condition is condition B. ) HV559 (variation is within ± 3%) when the heat treatment condition is condition C, HV447 (variation is within ± 2%) when the heat treatment condition is condition D, and HV346 when the heat treatment condition is condition E (The variation was within ± 3%).

次に、熱処理を施した引張試験片に対して、機械加工,エメリー研磨,バフ研磨を行って、平行部を仕上げた。そして、一部の引張試験片については、濃度1質量%又は20質量%のチオシアン酸アンモニウム水溶液に40℃で48時間浸漬することにより水素チャージを行った(なお、以降においては、水素チャージに用いたチオシアン酸アンモニウム水溶液の濃度を、水素チャージ濃度と記すこともある)。そして、平行部に対してエメリー研磨及びバフ研磨を行うことにより、水素チャージにより形成された腐食層を取り除いて、仕上げを行った。   Next, machining, emery polishing, and buffing were performed on the heat-treated tensile test pieces to finish parallel portions. Some of the tensile test pieces were charged with hydrogen by immersing them in an aqueous solution of ammonium thiocyanate having a concentration of 1% by mass or 20% by mass at 40 ° C. for 48 hours. The concentration of the aqueous ammonium thiocyanate solution may be referred to as the hydrogen charge concentration). Then, the emery polishing and the buff polishing were performed on the parallel part, thereby removing the corrosive layer formed by the hydrogen charge and finishing.

このようにして得た引張試験片(24種)に対して引張試験(静的な試験)を行って、平行部を破断させた。この引張試験は、大気中室温下で行い、引張速度(クロスヘッドスピードV)は0.05、1、及び100mm/minのうちのいずれかとした。引張試験を大気中室温下で行うので、水素チャージを行った引張試験片については、水素チャージ終了後から引張試験を開始するまでの時間によって、引張試験片中に含まれる水素量が異なると思われる。そこで、水素チャージ終了時から引張試験を開始するまでの時間(放置時間)を2時間に統一して、引張試験開始時に引張試験片中に含まれる水素量が各引張試験片でほぼ同一となるようにした。   A tensile test (static test) was performed on the tensile test pieces (24 types) thus obtained, and the parallel part was broken. This tensile test was performed at room temperature in the atmosphere, and the tensile speed (crosshead speed V) was any one of 0.05, 1 and 100 mm / min. Since the tensile test is performed at room temperature in the atmosphere, the amount of hydrogen contained in the tensile test piece varies depending on the time from the end of the hydrogen charge to the start of the tensile test. It is. Therefore, the time from the end of the hydrogen charge to the start of the tensile test (standing time) is unified to 2 hours, and the amount of hydrogen contained in the tensile test piece at the start of the tensile test is almost the same for each tensile test piece. I did it.

また、水素チャージ終了時から引張試験を開始するまで、大気中室温下で24時間,72時間,150時間,又は200時間放置することにより、水素量を変化させて、引張試験片の引張強度及び破壊形態と水素量との関係を調べた。
水素チャージを行った引張試験片については、引張試験が終了したら直ちに、引張試験片に存在している水素の量を測定した。水素量の測定は、四重極質量分析計を用いた昇温脱離ガス分析法(TDS)によって行った。すなわち、引張試験片の平行部から直径4.5mm,厚さ2.0mmの円板状の試料を切り出し、昇温速度0.5K/sで573Kまで昇温し、脱離した水素の量を測定した。結果を表2に示す。
In addition, from the end of the hydrogen charge to the start of the tensile test, the hydrogen amount is changed by leaving it at room temperature in the atmosphere for 24 hours, 72 hours, 150 hours, or 200 hours to change the tensile strength and The relationship between fracture mode and hydrogen content was investigated.
With respect to the tensile test piece subjected to hydrogen charge, the amount of hydrogen present in the tensile test piece was measured as soon as the tensile test was completed. The amount of hydrogen was measured by temperature programmed desorption gas analysis (TDS) using a quadrupole mass spectrometer. That is, a disk-shaped sample having a diameter of 4.5 mm and a thickness of 2.0 mm was cut out from the parallel portion of the tensile test piece, heated to 573 K at a temperature increase rate of 0.5 K / s, and the amount of hydrogen desorbed It was measured. The results are shown in Table 2.

Figure 2010217076
Figure 2010217076

ここで、水素チャージした引張試験片の水素放出特性を調査した。水素放出特性の調査には、前記金属材料で構成された丸棒試験片(直径4.5mm、長さ100mm)を用いた。そして、上記と同様に熱処理や水素チャージを行った後に、四重極質量分析計を用いた昇温脱離ガス分析法により水素量を測定した。昇温速度は0.5K/sで、573Kまで昇温した。なお、水素チャージ濃度は20質量%である。   Here, the hydrogen release characteristics of the tensile specimens charged with hydrogen were investigated. A round bar test piece (diameter: 4.5 mm, length: 100 mm) made of the metal material was used for investigation of the hydrogen release characteristics. Then, after heat treatment and hydrogen charging as described above, the amount of hydrogen was measured by a temperature programmed desorption gas analysis method using a quadrupole mass spectrometer. The temperature increase rate was 0.5 K / s, and the temperature was increased to 573 K. The hydrogen charge concentration is 20% by mass.

常温における水素放出特性を調べるため、水素チャージした丸棒試験片から所定の時間が経過する毎に厚さ2.0mmのチップ状試料を切り出し、水素量を測定した。なお、このチップ状試料は、丸棒試験片の端面から4.5mm以上離れた位置から切り出した。熱処理条件が条件Aである丸棒試験片の水素量を、図6のグラフに示す。このグラフから分かるように、水素チャージ終了からの時間が経過するに従って、水素量が単調に低下した。なお、水素チャージをしていない丸棒試験片の水素量は0.02ppmである。   In order to examine the hydrogen release characteristics at room temperature, a chip-like sample having a thickness of 2.0 mm was cut out from a hydrogen-charged round bar test piece every time a predetermined time passed, and the amount of hydrogen was measured. This chip sample was cut out from a position 4.5 mm or more away from the end face of the round bar test piece. The amount of hydrogen of the round bar test piece under the heat treatment condition A is shown in the graph of FIG. As can be seen from this graph, the amount of hydrogen decreased monotonously as time elapsed from the end of hydrogen charging. In addition, the hydrogen amount of the round bar test piece which is not hydrogen-charged is 0.02 ppm.

引張試験により引張試験片の平行部が破断したら、引張軸方向(引張応力方向)に垂直な面全体について観察を行った。すなわち、破断面をSEM観察し、破壊の起点となった非金属介在物の寸法(引張試験の引張軸方向から見た場合の投影面積の平方根√area)を測定した。その後、SEMに付属のEDXで、その非金属介在物の同定を行った。なお、SEM観察とEDX分析における加速電圧は20kVである。   When the parallel part of the tensile test piece was broken by the tensile test, the entire surface perpendicular to the tensile axis direction (tensile stress direction) was observed. That is, the fracture surface was observed with an SEM, and the dimension of the non-metallic inclusion that was the starting point of fracture (the square root √area of the projected area when viewed from the tensile axis direction of the tensile test) was measured. Thereafter, the nonmetallic inclusions were identified by EDX attached to the SEM. The acceleration voltage in SEM observation and EDX analysis is 20 kV.

引張速度、引張破断強度、ひずみ、水素チャージ濃度、放置時間(水素チャージ終了時から引張試験を開始するまでの時間)、引張試験後に引張試験片に存在する水素量、破壊の起点となった非金属介在物の種類(カッコ内は非金属介在物を構成する元素)、及び非金属介在物の投影面積の平方根√areaを表2に示す。なお、比較例1,2,8,9に関しては、破壊の起点が非金属介在物ではなく、引張試験片のマトリックス又は表面であったので、破壊の起点となった非金属介在物の種類の欄には、破壊の起点である「マトリックス」又は「表面」を記載してある。   Tensile speed, tensile rupture strength, strain, hydrogen charge concentration, standing time (time from the end of hydrogen charge to the start of the tensile test), the amount of hydrogen present in the tensile test piece after the tensile test, Table 2 shows the types of metal inclusions (elements constituting nonmetallic inclusions in parentheses) and the square root √area of the projected area of the nonmetallic inclusions. For Comparative Examples 1, 2, 8, and 9, since the starting point of fracture was not a non-metallic inclusion but a matrix or surface of a tensile test piece, the type of non-metallic inclusion that was the starting point of fracture was In the column, “matrix” or “surface”, which is a starting point of destruction, is described.

ここで、実施例と比較例における公称応力−公称ひずみ曲線の一例を、図7〜11に示す。この場合、水素チャージ終了時から引張試験を開始するまでの時間は2時間であり、引張速度は1mm/minである。各図とも、熱処理条件及び硬さが同一のものを比較しているが、硬さがHV678,611,559,447である図7〜10における比較例の曲線は、降伏した後に塑性域で破断したが、実施例の曲線は弾性域で破断した。そのため、各実施例の引張破断強度は、水素チャージを行っていない比較例の引張破断強度よりも低い。一方、硬さがHV346である図11における両比較例の曲線は、弾性域では破断せず、引張破断強度はほぼ同等であり、水素チャージによる強度低下は起こらなかった。   Here, an example of the nominal stress-nominal strain curve in Examples and Comparative Examples is shown in FIGS. In this case, the time from the end of the hydrogen charge to the start of the tensile test is 2 hours, and the tensile speed is 1 mm / min. In each figure, heat treatment conditions and the same hardness are compared, but the curves of the comparative examples in FIGS. 7 to 10 whose hardness is HV678,611,559,447 are broken in the plastic region after yielding. However, the curve of the example broke in the elastic region. Therefore, the tensile breaking strength of each Example is lower than the tensile breaking strength of the comparative example which is not hydrogen-charged. On the other hand, the curves of both comparative examples in FIG. 11 having a hardness of HV346 did not break in the elastic region, the tensile breaking strength was almost the same, and the strength was not reduced by hydrogen charging.

表2から分かるように、水素チャージを行った実施例1〜15は、硬さがHV400以上であり、非金属介在物を起点として破壊した。この非金属介在物の化学成分としては主にアルミニウムとカルシウムが検出されたことから、非金属介在物はAl2 3 ・(CaO)x 系であると考えられる。
図12に、実施例1の引張試験片の破断面を観察した顕微鏡拡大図を示し、図13に、実施例14の引張試験片の破断面を観察した顕微鏡拡大図を示す。それぞれの図の(a)は破断面全体の図であり、(b)は(a)のうち破壊の起点及びその周辺部分を拡大した図である。
As can be seen from Table 2, Examples 1 to 15 that were charged with hydrogen had a hardness of HV400 or more, and were destroyed starting from non-metallic inclusions. As chemical components of the non-metallic inclusions, mainly aluminum and calcium were detected, so the non-metallic inclusions are considered to be Al 2 O 3. (CaO) x series.
FIG. 12 shows an enlarged microscopic view of the fracture surface of the tensile test piece of Example 1, and FIG. 13 shows an enlarged microscopic view of the fracture surface of the tensile test piece of Example 14. (A) of each figure is a figure of the whole fracture surface, (b) is the figure which expanded the origin of destruction and its peripheral part among (a).

これらの図から、非金属介在物を起点として破壊が放射状に広がっていったことが分かる。また、図12の(b)及び図13の(b)から、破壊の起点となった非金属介在物、すなわち危険体積中の最大の非金属介在物の寸法が測定できる。
比較例1の引張試験片は水素チャージを行ったものであるが、引張試験片はカップアンドコーン型破壊を起こし、破断面の観察結果からは、破壊の起点となった非金属介在物を特定することはできなかった。
From these figures, it can be seen that the destruction spread radially starting from the nonmetallic inclusion. Further, from FIG. 12B and FIG. 13B, it is possible to measure the dimension of the non-metallic inclusion that is the starting point of destruction, that is, the largest non-metallic inclusion in the dangerous volume.
Although the tensile test piece of Comparative Example 1 was charged with hydrogen, the tensile test piece caused cup-and-cone fracture, and the observation result of the fracture surface identified the nonmetallic inclusion that was the starting point of the fracture. I couldn't.

また、比較例2〜9の引張試験片は水素チャージを行っておらず、引張試験片中の水素量は0.03ppm以下である。比較例2〜9のうち、非金属介在物を起点として破壊したものは5例で、その他は、引張試験片の表面を起点として破壊したものが1例、基地組織(マトリックス)を起点として破壊したものが3例であった。この非金属介在物の化学成分としてTiが検出されたことから、非金属介在物はTiNであると考えられる。図14に、引張試験片の表面を起点として破壊した比較例2の破断面を観察した顕微鏡拡大図を示す。なお、図15は、Ti系の非金属介在物を起点として破壊した比較例6の破断面を観察した顕微鏡拡大図である。   Moreover, the tensile test pieces of Comparative Examples 2 to 9 are not charged with hydrogen, and the amount of hydrogen in the tensile test pieces is 0.03 ppm or less. Of Comparative Examples 2 to 9, 5 were broken starting from non-metallic inclusions, and 1 was broken starting from the surface of the tensile test piece, and broken starting from the base structure (matrix). There were 3 cases. Since Ti was detected as a chemical component of the nonmetallic inclusion, it is considered that the nonmetallic inclusion is TiN. In FIG. 14, the microscope enlarged view which observed the fracture surface of the comparative example 2 destroyed from the surface of the tension test piece as the starting point is shown. FIG. 15 is an enlarged view of a microscope observing the fracture surface of Comparative Example 6 in which the Ti-based non-metallic inclusion is broken as a starting point.

実施例1〜15の引張試験片の引張試験により得られた、破壊の起点となった非金属介在物の寸法(投影面積の平方根√area)のデータを、極値統計法によって解析した。極値統計グラフを図16に示す。三角印のプロットが実施例であり、×印のプロットが比較例である。このグラフにおけるyは基準化変数、Fは累積度数、Tは再帰期間である。実施例の基準化変数はy=0.1730×√area−2.4879である。比較例の基準化変数はy=1.1577×√area−11.326である。実施例と比較例とでは、引張破壊起点の非金属介在物の成分が異なるので、極値統計グラフは一致していない。この場合の検査基準体積V0 は、引張試験片の平行部の体積である。すなわち、引張試験片においては、危険体積Vs は477mm3 である。なお、このグラフには、図4に示した疲労試験により得られた極値統計グラフ(四角印のプロット)を併せて示してある。 Data on the dimensions (square root of projected area √area) of non-metallic inclusions that were the starting points of fracture obtained by tensile tests of the tensile test pieces of Examples 1 to 15 were analyzed by an extreme value statistical method. An extreme value statistical graph is shown in FIG. Triangle marks are examples, and x marks are comparative examples. In this graph, y is a normalization variable, F is a cumulative frequency, and T is a recursion period. The normalization variable in the example is y = 0.1730 × √area−2.4879. The normalization variable of the comparative example is y = 1.15777 × √area-11.326. In the example and the comparative example, the components of the nonmetallic inclusions at the starting point of tensile fracture are different, so the extreme value statistical graphs do not match. The inspection reference volume V 0 in this case is the volume of the parallel part of the tensile test piece. That is, in the tensile test piece, the dangerous volume V s is 477 mm 3 . This graph also shows an extreme value statistical graph (plotted with square marks) obtained by the fatigue test shown in FIG.

図16のグラフから分かるように、引張試験により得られた極値統計グラフと疲労試験により得られた極値統計グラフとは、ほぼ一致している。図16のグラフの再帰期間T(N)と引張試験により得られた分布直線とを用いて、試験片の危険体積Vs (=477mm3 )中の非金属介在物のうち、破壊の起点となる最大の非金属介在物の寸法√areamax を予測すると、試験片が10個の場合は27.7μm、100個の場合は41.0μmであった。 As can be seen from the graph in FIG. 16, the extreme value statistical graph obtained by the tensile test and the extreme value statistical graph obtained by the fatigue test almost coincide. Of the nonmetallic inclusions in the dangerous volume V s (= 477 mm 3 ) of the test piece, using the recurring period T (N) in the graph of FIG. 16 and the distribution line obtained by the tensile test, When the maximum size √area max of the non-metallic inclusion was predicted, it was 27.7 μm in the case of 10 test pieces and 41.0 μm in the case of 100 test pieces.

これに対して、再帰期間T(N)と疲労試験により得られた分布直線とを用いて同様に予測を行うと、試験片が10個の場合は27.6μm、100個の場合は39.5μmであった。これらの結果から、水素チャージを行った引張試験片について引張試験を行い、破壊の起点となった非金属介在物の寸法のデータを用いて解析すれば、疲労試験で得られる結果、すなわち金属材料中に存在する非金属介在物のうち最大の非金属介在物の寸法を精度良く予測できることが分かる。   On the other hand, when the prediction is performed in the same manner using the recursion period T (N) and the distribution straight line obtained by the fatigue test, 27.6 μm when the number of test pieces is 10 and 39. It was 5 μm. From these results, if a tensile test is performed on a tensile test piece that has been charged with hydrogen, and analysis is performed using the data of the dimensions of the nonmetallic inclusion that is the starting point of fracture, the result obtained in the fatigue test, that is, the metal material It can be seen that the dimension of the largest nonmetallic inclusion among the nonmetallic inclusions present therein can be accurately predicted.

次に、実施例1〜7,11,12及び比較例2〜4について、引張強度と水素量との関係を調べた。これらの引張試験片の熱処理の条件は、条件Aである。また、実施例1〜7,11,12の引張試験片は水素チャージを行ったものであり、比較例2〜4の引張試験片は水素チャージを行っていないものである。さらに、実施例1〜7,11,12は、水素チャージ終了時から引張試験を開始するまでの時間(放置時間)を種々変更することにより、引張試験片中の残留水素量を変化させている。   Next, for Examples 1 to 7, 11, and 12 and Comparative Examples 2 to 4, the relationship between tensile strength and hydrogen content was examined. The condition for heat treatment of these tensile test pieces is Condition A. In addition, the tensile test pieces of Examples 1 to 7, 11, and 12 were charged with hydrogen, and the tensile test pieces of Comparative Examples 2 to 4 were not charged with hydrogen. Further, in Examples 1 to 7, 11, and 12, the amount of residual hydrogen in the tensile test piece is changed by variously changing the time (standing time) from the end of the hydrogen charge to the start of the tensile test. .

図17のグラフから、水素チャージによって引張強度が低下していることが分かり、このことから、水素の影響によって非金属介在物を起点とした破壊が生じやすくなることが推測される。
大西と加賀は、焼戻し温度を変えて強度を1160〜1570MPaとしたAISI4340鋼を用いて、高圧水素雰囲気下でクリープ型の低荷重試験を行い、水素圧力の増加に伴って破断強度は低下し、強度が高いほど破断強度の低下が顕著であることを示している。さらに、水素量について調査し、水素圧が3MPaの場合は0.14ppm、5MPaの場合は0.13ppm、10MPaの場合は0.23ppmであることを示している(非特許文献9を参照)。
From the graph of FIG. 17, it can be seen that the tensile strength is reduced due to hydrogen charging, and from this, it is presumed that the breakage starting from the nonmetallic inclusion is likely to occur due to the influence of hydrogen.
Onishi and Kaga performed creep type low-load tests under high-pressure hydrogen atmosphere using AISI 4340 steel with a strength of 1160 to 1570 MPa by changing the tempering temperature, and the fracture strength decreased with increasing hydrogen pressure, It shows that the lower the breaking strength is, the higher the strength is. Further, the amount of hydrogen was investigated, and it was shown that the hydrogen pressure was 0.14 ppm when the pressure was 3 MPa, 0.13 ppm when the pressure was 5 MPa, and 0.23 ppm when the pressure was 10 MPa (see Non-Patent Document 9).

本発明において、水素が0.32ppm存在する状態で引張試験を行うと、非金属介在物を起点として破壊が生じ、強度の低下が起こる。したがって、大西と加賀の報告に基づいて考えると、引張試験片中に水素が0.2ppm以上存在する状態で引張試験を行うと、非金属介在物を起点として破壊が生じ、強度の低下が起こると考えられる。引張試験片中の水素量は、0.2ppm以上であることが好ましく、0.3ppm以上(又は0.32ppm以上)であることがより好ましく、0.6ppm以上(又は0.64ppm以上)であることがさらに好ましい。   In the present invention, when a tensile test is performed in a state where 0.32 ppm of hydrogen is present, fracture starts from non-metallic inclusions, resulting in a decrease in strength. Therefore, considering based on the reports of Onishi and Kaga, when a tensile test is performed in a state where hydrogen is present in a tensile test piece in an amount of 0.2 ppm or more, fracture starts from non-metallic inclusions, resulting in a decrease in strength. it is conceivable that. The amount of hydrogen in the tensile test piece is preferably 0.2 ppm or more, more preferably 0.3 ppm or more (or 0.32 ppm or more), and 0.6 ppm or more (or 0.64 ppm or more). More preferably.

また、実施例1〜3、実施例13、実施例14、及び比較例1について、水素チャージ前後の引張強度の比(水素チャージ後の引張強度/水素チャージ前の引張強度)を算出し、この引張強度比と引張試験片の硬さとの関係を調べた。引張試験片の硬さは、熱処理の条件により調整している。   For Examples 1 to 3, Example 13, Example 14, and Comparative Example 1, the ratio of tensile strength before and after hydrogen charging (tensile strength after hydrogen charging / tensile strength before hydrogen charging) was calculated, The relationship between the tensile strength ratio and the hardness of the tensile specimen was investigated. The hardness of the tensile test piece is adjusted by the heat treatment conditions.

図18のグラフから、引張試験片の硬さが高くなるに従って引張強度が低下していることが分かる。福井らは、焼戻し温度を変えた低合金鋼を用いて、静的曲げ強度に対して、塩化水素水溶液中で30時間以上遅れ破壊が生じない曲げ応力比(以降は遅れ破壊強度比と記す)を求め、引張試験片の硬さがHRC40(HV375)以上であると遅れ破壊強度比の低下が著しいことを示している。   From the graph of FIG. 18, it can be seen that the tensile strength decreases as the hardness of the tensile test piece increases. Fukui et al. Used a low-alloy steel with a different tempering temperature and a bending stress ratio at which delayed fracture does not occur in an aqueous hydrogen chloride solution for 30 hours or more with respect to static bending strength (hereinafter referred to as delayed fracture strength ratio) When the hardness of the tensile test piece is HRC40 (HV375) or more, the delayed fracture strength ratio is significantly reduced.

また、Fujitaらは、低合金鋼を用いて、水中に100時間浸漬した場合の引張破壊強度を求め、引張試験片の硬さがHV400以上であると、水中に100時間浸漬した場合の引張破壊強度は、大気中での引張破壊強度よりも低いことを報告している(非特許文献8を参照)。   Moreover, Fujita et al. Calculated the tensile fracture strength when immersed in water for 100 hours using low alloy steel, and when the hardness of the tensile test piece was HV400 or more, tensile fracture when immersed in water for 100 hours. It has been reported that the strength is lower than the tensile fracture strength in the atmosphere (see Non-Patent Document 8).

本発明においては、硬さがHV366の引張試験片とHV447以上の引張試験片においては、水素の影響が異なっている。すなわち、硬さがHV366の引張試験片においては、水素チャージの有無にかかわらず引張破壊強度はほぼ同じである。一方、硬さがHV447以上の引張試験片においては、水素は非金属介在物を起点とする破壊を促進し、引張破壊強度が低下する。   In the present invention, the influence of hydrogen differs between a tensile test piece having a hardness of HV366 and a tensile test piece having a hardness of HV447 or more. That is, in the tensile test piece having a hardness of HV366, the tensile fracture strength is almost the same regardless of the presence or absence of hydrogen charge. On the other hand, in a tensile test piece having a hardness of HV447 or more, hydrogen promotes fracture starting from non-metallic inclusions, and the tensile fracture strength decreases.

したがって、福井らとFujitaらの報告に基づいて考えると、引張試験片の硬さがHV400以上であると、水素の影響によって非金属介在物を起点とする破壊が生じやすくなると考えられるので、非金属介在物の安定した評価を行うためには、引張試験片の硬さはHV450以上であることがより好ましく、HV500以上であることがさらに好ましい。   Therefore, based on the reports of Fukui et al. And Fujita et al., If the hardness of the tensile test piece is HV400 or more, it is considered that breakage starting from nonmetallic inclusions is likely to occur due to the influence of hydrogen. In order to perform stable evaluation of metal inclusions, the tensile test piece preferably has a hardness of HV450 or more, more preferably HV500 or more.

Claims (8)

水素を侵入させた金属材料製の試験片に対して引張試験を行い、前記水素の影響を受けた非金属介在物を起点とする破壊を前記試験片に生じさせた後に、前記試験片の危険体積中に存在する前記破壊の起点となった非金属介在物の種類を同定するとともに寸法を測定して、その非金属介在物の寸法の分布関数を求め、この分布関数により前記金属材料の清浄度を評価することを特徴とする介在物評価方法。   After performing a tensile test on a test piece made of a metal material into which hydrogen has penetrated and causing the test piece to break starting from the non-metallic inclusions affected by the hydrogen, the danger of the test piece The type of non-metallic inclusion that is the starting point of the fracture existing in the volume is identified and the dimension is measured to obtain a distribution function of the dimension of the non-metallic inclusion, and the clean function of the metallic material is obtained by this distribution function. Inclusion evaluation method characterized by evaluating degree. 前記非金属介在物に関して前記引張試験の引張軸方向の投影面積を測定し、該投影面積の平方根を極値統計法で解析して、前記金属材料中に存在する非金属介在物のうち最大の非金属介在物の寸法を予測することを特徴とする請求項1に記載の介在物評価方法。   The projected area in the tensile axis direction of the tensile test is measured with respect to the non-metallic inclusions, and the square root of the projected area is analyzed by an extreme value statistical method to determine the largest non-metallic inclusions present in the metallic material. The inclusion evaluation method according to claim 1, wherein a dimension of the nonmetallic inclusion is predicted. 前記試験片中の水素量が0.2ppm以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の介在物評価方法。   The inclusion evaluation method according to claim 1 or 2, wherein the amount of hydrogen in the test piece is 0.2 ppm or more. 前記試験片中の水素量が0.3ppm以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の介在物評価方法。   The inclusion evaluation method according to claim 1 or 2, wherein an amount of hydrogen in the test piece is 0.3 ppm or more. 前記試験片中の水素量が0.6ppm以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の介在物評価方法。   The inclusion evaluation method according to claim 1 or 2, wherein the amount of hydrogen in the test piece is 0.6 ppm or more. 前記金属材料の硬さがHV400以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の介在物評価方法。   The inclusion evaluation method according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal material has a hardness of HV400 or more. 前記金属材料の硬さがHV450以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の介在物評価方法。   The inclusion evaluation method according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal material has a hardness of HV450 or more. 前記金属材料の硬さがHV500以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の介在物評価方法。   The inclusion evaluation method according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal material has a hardness of HV500 or more.
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Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011095123A (en) * 2009-10-30 2011-05-12 Nsk Ltd Degree-of-cleaning evaluation method of aluminum alloy, and component manufactured from ingot of aluminum alloy
JP2012088241A (en) * 2010-10-21 2012-05-10 Nippon Steel Corp Delayed fracture characteristic evaluation method for pc steel
JP2012102380A (en) * 2010-11-11 2012-05-31 Ulvac Japan Ltd Method for inspecting target material for sputtering, and method for producing sputtering target
WO2015137444A1 (en) * 2014-03-13 2015-09-17 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Creep speed distribution evaluation method
JP2017156273A (en) * 2016-03-03 2017-09-07 株式会社神戸製鋼所 Cleanliness evaluation method for forged-steel product
JP2020034292A (en) * 2018-08-27 2020-03-05 山陽特殊製鋼株式会社 Method for predicting maximum inclusion diameter in steel product by ultrasonic fatigue test
JP2020126031A (en) * 2019-02-06 2020-08-20 大同特殊鋼株式会社 Test piece for ultrasonic fatigue test, and ultrasonic fatigue test method
JP2020134321A (en) * 2019-02-20 2020-08-31 日本電信電話株式会社 Estimation method
JP2021060428A (en) * 2021-01-14 2021-04-15 山陽特殊製鋼株式会社 Prediction method of maximum inclusion diameter in steel by ultrasonic fatigue test, and method for measuring the diameter of non-metal inclusions, which is the starting point of fracture therefor
JP7408007B1 (en) 2022-02-18 2024-01-04 日本発條株式会社 Inclusion evaluation method
JP7418917B2 (en) 2020-02-22 2024-01-22 山陽特殊製鋼株式会社 Method for evaluating the interface state between nonmetallic inclusions in steel materials and their surrounding matrix
JP7485831B2 (en) 2023-05-12 2024-05-16 山陽特殊製鋼株式会社 Rolling fatigue test method

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06192790A (en) * 1992-12-26 1994-07-12 Aichi Steel Works Ltd High cleanliness bearing steel
JPH08240586A (en) * 1995-03-03 1996-09-17 Nippon Steel Corp Method for breaking grain boundary of metallic material
JPH09125200A (en) * 1995-10-31 1997-05-13 Kobe Steel Ltd High clarity steel excellent in cold workability
JPH09125199A (en) * 1995-10-31 1997-05-13 Kobe Steel Ltd High clarity steel excellent in cold workability
JPH1130577A (en) * 1997-07-10 1999-02-02 Nissan Motor Co Ltd Method and device for evaluating delay destruction of steel material, and method for measuring amount of penetrating hydrogen
JPH11230961A (en) * 1998-02-18 1999-08-27 Nireco Corp Method and apparatus for predicting maximum fault or maximum inclusion in material
JP2002286607A (en) * 2001-03-23 2002-10-03 Sangaku Renkei Kiko Kyushu:Kk Method of designing long-lived fatigue strength of metallic material
JP2004251898A (en) * 2003-01-31 2004-09-09 Nsk Ltd Evaluation method for index of cleanliness of steel, rolling bearing and toroidal continuously variable transmission
JP2007078474A (en) * 2005-09-13 2007-03-29 Kobe Steel Ltd Testing equipment for mechanical characteristics
JP3944568B2 (en) * 2002-05-22 2007-07-11 独立行政法人物質・材料研究機構 Defect inspection method in metal materials by fatigue test.
JP2008280612A (en) * 2007-04-12 2008-11-20 Nippon Steel Corp High-strength steel sheet having excellent internal fatigue damage resistance, and method for producing the same

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06192790A (en) * 1992-12-26 1994-07-12 Aichi Steel Works Ltd High cleanliness bearing steel
JPH08240586A (en) * 1995-03-03 1996-09-17 Nippon Steel Corp Method for breaking grain boundary of metallic material
JPH09125200A (en) * 1995-10-31 1997-05-13 Kobe Steel Ltd High clarity steel excellent in cold workability
JPH09125199A (en) * 1995-10-31 1997-05-13 Kobe Steel Ltd High clarity steel excellent in cold workability
JPH1130577A (en) * 1997-07-10 1999-02-02 Nissan Motor Co Ltd Method and device for evaluating delay destruction of steel material, and method for measuring amount of penetrating hydrogen
JPH11230961A (en) * 1998-02-18 1999-08-27 Nireco Corp Method and apparatus for predicting maximum fault or maximum inclusion in material
JP2002286607A (en) * 2001-03-23 2002-10-03 Sangaku Renkei Kiko Kyushu:Kk Method of designing long-lived fatigue strength of metallic material
JP3944568B2 (en) * 2002-05-22 2007-07-11 独立行政法人物質・材料研究機構 Defect inspection method in metal materials by fatigue test.
JP2004251898A (en) * 2003-01-31 2004-09-09 Nsk Ltd Evaluation method for index of cleanliness of steel, rolling bearing and toroidal continuously variable transmission
JP2007078474A (en) * 2005-09-13 2007-03-29 Kobe Steel Ltd Testing equipment for mechanical characteristics
JP2008280612A (en) * 2007-04-12 2008-11-20 Nippon Steel Corp High-strength steel sheet having excellent internal fatigue damage resistance, and method for producing the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6012062582; 西口廣志, 福島良博, 松岡三郎, 村上敬宜, 福島良博, 松岡三郎, 村上敬宜: '1MPa水素ガスパイプライン用炭素鋼STPG370(0.19C-0.21Si-0.56Mn,mass%)の引張特性に及ぼす水素と予ひずみの' 日本機械学会論文集 A編 Vol.74, No.743, 20080725, Page.1016-1025 *

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011095123A (en) * 2009-10-30 2011-05-12 Nsk Ltd Degree-of-cleaning evaluation method of aluminum alloy, and component manufactured from ingot of aluminum alloy
JP2012088241A (en) * 2010-10-21 2012-05-10 Nippon Steel Corp Delayed fracture characteristic evaluation method for pc steel
JP2012102380A (en) * 2010-11-11 2012-05-31 Ulvac Japan Ltd Method for inspecting target material for sputtering, and method for producing sputtering target
WO2015137444A1 (en) * 2014-03-13 2015-09-17 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Creep speed distribution evaluation method
JP2015175663A (en) * 2014-03-13 2015-10-05 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Creep speed distribution evaluation method
JP2017156273A (en) * 2016-03-03 2017-09-07 株式会社神戸製鋼所 Cleanliness evaluation method for forged-steel product
JP2020034292A (en) * 2018-08-27 2020-03-05 山陽特殊製鋼株式会社 Method for predicting maximum inclusion diameter in steel product by ultrasonic fatigue test
JP7167748B2 (en) 2019-02-06 2022-11-09 大同特殊鋼株式会社 Ultrasonic fatigue test specimen and ultrasonic fatigue test method
JP2020126031A (en) * 2019-02-06 2020-08-20 大同特殊鋼株式会社 Test piece for ultrasonic fatigue test, and ultrasonic fatigue test method
JP2020134321A (en) * 2019-02-20 2020-08-31 日本電信電話株式会社 Estimation method
JP7096498B2 (en) 2019-02-20 2022-07-06 日本電信電話株式会社 Estimating method
JP7418917B2 (en) 2020-02-22 2024-01-22 山陽特殊製鋼株式会社 Method for evaluating the interface state between nonmetallic inclusions in steel materials and their surrounding matrix
JP2021060428A (en) * 2021-01-14 2021-04-15 山陽特殊製鋼株式会社 Prediction method of maximum inclusion diameter in steel by ultrasonic fatigue test, and method for measuring the diameter of non-metal inclusions, which is the starting point of fracture therefor
JP7408007B1 (en) 2022-02-18 2024-01-04 日本発條株式会社 Inclusion evaluation method
JP7485831B2 (en) 2023-05-12 2024-05-16 山陽特殊製鋼株式会社 Rolling fatigue test method
JP7485830B2 (en) 2023-05-12 2024-05-16 山陽特殊製鋼株式会社 Rolling fatigue test method

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