JP2014102131A - 破壊強度評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 実機から採取可能な程度の微小な試験片を用いて、き裂を有する構造物の破壊強度を評価する方法を提供する。
【解決手段】 取り出した微小試験片１にスモールパンチ試験（ＳＰ試験）を実施し（Ｓ１）、ＳＰ試験の試験結果を利用して応力とひずみの関係を求め（Ｓ３）、応力とひずみの関係から有限要素解析によりＳＰ試験を模擬し（Ｓ４）、ＳＰによる試験片の変形過程を試験片裏側から撮像して画像相関法を用いて試験片の延性き裂発生時点を特定し（Ｓ５）、延性き裂発生時点の試験片の延性き裂発生応力を有限要素解析によるＳＰ試験の模擬結果から求め（Ｓ６）、応力とひずみの関係を用いて有限要素解析により試験片の破壊靭性試験を模擬し（Ｓ７）、前記延性き裂発生応力を用いて、破壊靭性試験における試験片の変形過程における延性き裂発生時を推定し（Ｓ８）、模擬した破壊靭性試験の破壊靭性値を求める（Ｓ９）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微小試験片の破壊強度を評価する方法に関する。

従来、小さな試験片によって破壊靱性値を求める方法が種々検討されており、その一つとしてスモールパンチ試験が知られている（特許文献１等）。スモールパンチ試験機６は、図４に示すように、アンダーダイ１０とアッパーダイ１３との間に試験片に微少円盤試験片３を挟み、セラミック製のボール１２を介してパンチャー９により、試験片３の中央に一定荷重を負荷して、材料の破壊特性を評価する試験装置である。スモールパンチ試験では、小さな試験片を用いて試験片が破壊するまでの大きな変形を加えることができる。

しかし、スモールパンチ試験から得られる情報は、パンチャー９による荷重と変位のみである。スモールパンチ試験では、試験片が大きく変形することから、パンチャー９と試験片３の実際の変形との対応がつきにくい。従来では、試験片の変形は、定性的に４つのステージに分類して観察してきたが、それ以上の分析はできなかった。

また、原子力発電プラントでは、供用期間中に検査などでき裂が発見された場合、そのき裂が有害か無害かの判断が必要になる。具体的には、き裂を有する構造物の破壊強度を算出し、その大きさが十分であれば無害と判断され、き裂を補修することなくプラントの運転を続けることができる。

特開２００７‐１５５５４０号公報

破壊強度の算出には、材料の破壊に対する抵抗（破壊靭性値）が必要となるが、破壊靭性値は設計仕様にはなく、材料規格においても規定されていない。

一方、破壊靭性値は、破壊力学試験片を用いた破壊靭性試験から実験的に求めることができるが、破壊力学試験片を用意しなければならない。しかし、破壊靭性試験片には十分な板厚が要求され、通常の配管から破壊靭性試験を採取することは困難となる。また、そもそも機器を破壊して試験片を採取することは必ずしもできない。

上記の事から、実機の破壊靭性を試験的に調べたり、ミルシートなどの記録から推定したりすることは困難であった。

そこで、本発明は、実機から採取可能な程度の微小な試験片を用いて、き裂を有する構造物の破壊強度を評価する方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る破壊強度評価方法は、スモールパンチ試験機により試験片にスモールパンチ試験を実施する第１のステップと、前記スモールパンチ試験の試験結果を利用して、前記試験片の応力とひずみの関係を求める第２ステップと、前記第２ステップで得られた応力とひずみの関係から、有限要素解析により、前記試験片のスモールパンチ試験をシミュレートする第３ステップと、前記第１ステップにおけるスモールパンチ試験機のパンチャーの押込みによる試験片の変形過程をパンチャーの反対側から撮像し、画像相関法を用いて試験片の延性き裂発生時点を特定する第４ステップと、前記延性き裂発生時点の試験片の応力である延性き裂発生応力を、前記第３ステップにおける有限要素解析によるスモールパンチ試験のシミュレート結果から求める第５ステップと、前記第２ステップで得られた応力とひずみの関係を用いて有限要素解析により前記試験片の破壊靭性試験をシミュレートし、前記第５ステップで求めた延性き裂発生応力を用いて、シミュレートした破壊靭性試験の破壊靭性値を求める第６ステップと、を含むことを特徴とする。

き裂を有する構造物のき裂形状を所定形状にモデル化し、前記第６ステップで求めた前記破壊靭性値を用いて、き裂を有する構造物の破壊強度を更に求めることが好ましい。

試験片は、き裂を有する構造物から採取することが好ましい。

本発明によれば、破壊靭性試験に用いられるような大きな破壊力学試験片を用意しなくても、微小な試験片から破壊靭性値を推定することができ、推定した破壊靭性値から破壊強度を算出することができる。

本発明に係る破壊強度評価方法の一実施形態のフロー説明図である。 本発明に係る破壊強度評価方法に使用する試験装置の一実施形態の概略構成を示す構成図である。 ３次元デジタル画像相関法による試験片の解析画像である。 スモールパンチ試験のシミュレートによる変位と荷重の関係を示すグラフである。 延性き裂が発生した時点での有限要素解析結果を示す解析画像である。 従来のスモールパンチ試験機の要部を示す縦断面図である。

本発明の一実施形態について、以下に図１〜図５を参照して説明する。

図１は、本発明に係る破壊強度評価方法の一実施形態のフローを示す説明図である。

まず、構造物１のき裂２が発見された部位から微小な試験片３を採取し（Ｓ１）、採取した試験片３を用いてスモールパンチ試験（ＳＰ試験）を実施する（Ｓ２）。

スモールパンチ試験に使用する試験片３は、実機から採取しても差し支え無い程度の微小寸法の試験片で足り、例えば、直径３〜１６ｍｍ程度の微小円盤とすることができる。

試験片の採取方法は、例えば、放電サンプリング装置（特開２００７−０７５９７０、特開２００６−１０２９００）などを用いることができる。

スモールパンチ試験（Ｓ２）により、パンチャーの荷重と変位の関係が得られ、得られた荷重−変位の関係から試験片３の変形特性（応力−ひずみ曲線）を、計算機を用いて同定する（Ｓ３）。なお、スモールパンチ試験の試験結果を利用して試験片の応力−ひずみ曲線を計算機により同定する方法は、例えば、J. Isselin等による“Assessment of the constitutive law by inverse methodology: Small punch test and hardness” (Journal of Nuclear Materials 352 (2006) 97-106)により公知である。

得られた試験片３の変形特性（応力−ひずみ曲線）を用いて、図４に示すように、有限要素解析によりスモールパンチ試験を計算機上でシミュレート（模擬）する（Ｓ４）。

スモールパンチ試験（Ｓ２）には、図２に示すような試験装置５を用いることができる。試験装置５は、スモールパンチ試験機６に、２台のデジタルカメラ７、８が取り付けられている。２台のデジタルカメラ７、８は、試験片３を裏側、即ち、パンチャー９と反対側を、アンダーダイ１０の穴１０ａを通して、異なる方向から撮像するように設置されている。２台のデジタルカメラ７、８は、パンチャー９の押込みによる試験片３の変形の前後の過程を撮像する。２台のデジタルカメラ７、８で撮像された画像データは、コンピュータ１１に送られ、コンピュータ１１の内部又は外部の記憶装置（図示せず。）に所定時間間隔で記憶され、コンピュータで３次元デジタル画像相関法（DIC: Digital Image Correlation）による解析処理がなされる。解析処理に用いる画像解析ソフトとしては、例えば、コリレーテッドソリューションズ（Correlated Solutions）社製VIC‐3Dを利用することができる。

デジタル画像相関法は、物体表面の変形前後のランダムパターン画像を比較し、物体表面の移動量（変位）を調べる手法である。複数のカメラを用いることで、ステレオ法の原理により、３次元表面の変位分布、及び、ひずみ分布を測定することができる。

ひずみ分布と延性き裂発生との関係を調べるため、パンチャー９の押込み変位０．５ｍｍ間隔でパンチャー９の押込み動作を中断し、試験片の下面（前記裏面）を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察する。

図３は、長さ２００μｍ以上の表面き裂がＳＥＭにより観測された時点での、２種類の試験片ＳＭ０,ＳＭ２０の相当ひずみ分布画像を示している。

２種類の試験片ＳＭ０，ＳＭ２０は、ＳＭ４９０鋼（Ｃ：０．１６、Ｓｉ：０．３１、Ｍｎ：１．３５、Ｐ：０．０１９、Ｓ：０．００４、Ｖ：０．０３３、Ｆｅ：Bal.、ｗｔ％）に大気中で圧延方向と平行にロール加工を施して板厚変化率を２０％とした材料（ＳＭ２０）と、ロール加工を施していない無加工材（０％加工材）の材料（ＳＭ０）から、それぞれ直径１６ｍｍの円盤状試験片を圧延方向と平行に採取し、湿式研磨とバフ研磨（０．３μｍアルミナ）により板厚１．０±０．００５ｍｍとしたものである。試験装置５（図２）は、ボール１２が直径４．８ｍｍのＳｉ３Ｎ４製で、アンダーダイ１０の穴１０ａの直径は８ｍｍとした。デジタルカメラ７、８は、最大解像度１６２４×１２４４ピクセル、画素密度８０×８０ピクセル／ｍｍ^２のＣＣＤカメラを用いた。

図３において、長さ２００μｍ以上のき裂がＳＥＭ観察された箇所を矢印で示している。図３から、試験片ＳＭ２０ではリング状の高ひずみ領域内で相当ひずみが比較的均一に分布しているのに対し、試験片ＳＭ０では相当ひずみが大きくなっている箇所が明確に確認できる（図３の画像は本来はカラー表示であり、色分け表示により明確に確認できる。）。そして、ＳＥＭによって観察された長さ２００μｍ以上の延性き裂は、両試験片ＳＭ０,ＳＭ２０ともに相当ひずみが最大となる位置（矢印で示す位置）において発生している。き裂が開口することにより、見かけ上のひずみが大きくなる。ＣＣＤカメラでは２００μｍ程度の微小なき裂の発生を確認することは困難であるが、３次元デジタル画像相関法による解析画像から見かけ上のひずみを同定することで、２００μｍ程度の微小なき裂の発生を判別できる。

こうして、スモールパンチ試験（Ｓ２）と３次元デジタル画像相関法とを組み合わせることにより、試験片３に延性き裂が発生した時点を決定する（Ｓ５）。

スモールパンチ試験（Ｓ２）では、延性き裂が発生した時点の荷重または変位が同定できるので、その時点での有限要素解析（Ｓ４）のシミュレート結果を出力する（図５）。そして、延性き裂が発生した位置（応力が最も大きくなる位置がそれに該当すると想定される）でのMises（ミーゼス）の相当応力σeqと、下記式で定義される応力３軸度βの関係から延性き裂発生条件を同定する。

ここで、σmは主応力（3方向成分）の平均値、σeqはMisesの相当応力を示す。延性き裂発生応力σeq は、図１の（Ｓ６）のグラフに示すように、βに依存して変化する。延性き裂は、き裂発生点でのβに対応するσeqが延性き裂発生応力（図中の曲線）を越えた時点で発生すると判断できる。なお、図１の（Ｓ６）のグラフ中、ＳＭ５，ＳＭ１０は、其々、試験片ＳＭ０，ＳＭ２０とはロール加工を施して板厚変化率が異なり（ＳＭ５は５％、ＳＭ１０は１０%）、その他は同じである。

上記のようにして、有限要素解析（Ｓ４）で得られた応力値から、延性き裂発生応力を同定する（Ｓ６）。

一般に、破壊靭性値は破壊力学試験片を用いた破壊靭性試験から実験的に求まる。このとき、破壊靭性値は破壊力学試験片のき裂先端において延性き裂が発生したときの応力と変形量から算出される。そして、破壊力学試験片に延性き裂が発生するときのき裂先端の応力は、上記（Ｓ６）のようにして求めた延性き裂発生応力と一致すると考えられる。破壊靭性試験における試験片の変形は、スモールパンチ試験（Ｓ２）の試験結果から得られた変形特性（応力−ひずみ特性）（Ｓ３）を用いて計算機上でシミュレートすることができる（Ｓ７）ので、破壊靭性試験における試験片の変形過程における延性き裂発生時の判断も、上記（Ｓ６）のようにして求めた延性き裂発生応力を用いて推定することができる（Ｓ８）。

つまり、上記（Ｓ６）のようにして延性き裂発生応力が求まれば、有限要素解析を用いて破壊靭性試験を計算機上でシミュレートすることができ、破壊靭性値も推定できることになる（Ｓ９）。

破壊靭性値が求まれば、実際のき裂形状を、評価可能な半円または半楕円形状に置き換えてモデル化し（Ｓ１０）、き裂を有する構造物１の破壊強度を算出する（Ｓ１１）ことができる。原子力発電プラントでき裂が発見された場合は、日本機械学会発行の発電用原子力設備規格維持規格にもとづいてき裂の存在する構造物の破壊強度が算出される。そこでは、まず発見されたき裂を、き裂を包絡する半楕円形状に置き換える（モデル化する）（Ｓ１０）。そして、材料の破壊に対する抵抗値である（Ｓ９）で同定した破壊靭性値を用いて、構造物が耐えうる外荷重（破壊荷重）を算出することになる（Ｓ１１）。

上記の説明から明らかなように、本発明によれば、破壊靭性試験に用いられるような大きな破壊力学試験片を用意しなくても、微小な試験片から破壊靭性値を推定することができ、推定した破壊靭性値から破壊強度を算出することができる。

試験片が微小で足りるため、実際にき裂を有している構造物から採取することもでき、実機の破壊強度を評価し、構造物全体の健全性を判断することができる。

また、原子力では照射劣化による破壊靭性値の変化も大きな問題となっているが、一般に照射劣化した材料の入手は困難で、破壊靭性試験片を製作することができない。本発明によれば、微小な試験片から破壊靭性値を推定する有効な手段となりうる。

さらに、溶接部などの組織の不均一な箇所では、破壊靭性値も不均一に分布していることが想定される。破壊はき裂先端の局所から発生することから、破壊強度を算出するには、局所的な破壊靭性値が必要となる。本発明によれば、複数の箇所から微小な試験片を取り出すことで、破壊靭性値の分布を推定することも可能となる。

１ き裂を有する構造物
２ き裂
３ 試験片
５ 試験装置
６ スモールパンチ試験機
７、８ デジタルカメラ
９ パンチャー
１０ アンダーダイ
１２ ボール
１３ アッパーダイ

Claims (3)

1. スモールパンチ試験機により試験片にスモールパンチ試験を実施する第１のステップと、
   前記スモールパンチ試験の試験結果を利用して、前記試験片の応力とひずみの関係を求める第２ステップと、
   前記第２ステップで得られた応力とひずみの関係から、有限要素解析により、前記試験片のスモールパンチ試験をシミュレートする第３ステップと、
   前記第１ステップにおけるスモールパンチ試験機のパンチャーの押込みによる試験片の変形過程をパンチャーの反対側から撮像し、画像相関法を用いて試験片の延性き裂発生時点を特定する第４ステップと、
   前記延性き裂発生時点の試験片の応力である延性き裂発生応力を、前記第３ステップにおける有限要素解析によるスモールパンチ試験のシミュレート結果から求める第５ステップと、
   前記第２ステップで得られた応力とひずみの関係を用いて有限要素解析により前記試験片の破壊靭性試験をシミュレートし、前記第５ステップで求めた延性き裂発生応力を用いて、シミュレートした破壊靭性試験の破壊靭性値を求める第６ステップと、
   を含むことを特徴とする破壊強度評価方法。
2. き裂を有する構造物のき裂形状を所定形状にモデル化し、前記第６ステップで求めた前記破壊靭性値を用いて、き裂を有する構造物の破壊強度を更に求めることを特徴とする請求項１に記載の破壊強度評価方法。
3. き裂を有する構造物から前記１ステップの試験片を採取することを特徴とする請求項１又は２に記載の破壊強度評価方法。