JP2019190886A - Method for evaluating polycrystal metal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多結晶金属の評価方法に関するものである。 The present invention relates to a method for evaluating polycrystalline metal.
多結晶金属合金製部品の疲労破壊の評価手法として、走査型電子顕微鏡を用いたEBSD法(Electron BackScatter Diffraction pattern)がある。このEBSD法は、試料上で電子線を止め、電子の後方散乱により試料の破面近傍における結晶方位を求める手法である。例えば、特許文献1には、このEBSD法を用いて結晶方位を測定し、各結晶方位の方位差からき裂進展速度を算出し、余寿命を評価する評価手法が開示されている。 As an evaluation method for fatigue fracture of parts made of polycrystalline metal alloy, there is an EBSD method (Electron BackScatter Diffraction Pattern) using a scanning electron microscope. The EBSD method is a method for obtaining a crystal orientation in the vicinity of a fracture surface of a sample by stopping electron beams on the sample and backscattering electrons. For example, Patent Document 1 discloses an evaluation method in which the crystal orientation is measured using the EBSD method, the crack growth rate is calculated from the orientation difference of each crystal orientation, and the remaining life is evaluated.
このような疲労破壊の評価手法は、例えばガスタービン等の高温下で使用される部品に適用されることがある。しかしながら、EBSD法において分析に用いられる方位差パラメータは、ほとんど温度依存性を有しておらず、EBSD法を用いて変形温度を推定することが困難である。 Such a fatigue fracture evaluation method may be applied to components used at high temperatures such as a gas turbine. However, the orientation difference parameter used for analysis in the EBSD method has almost no temperature dependence, and it is difficult to estimate the deformation temperature using the EBSD method.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、多結晶金属において変形温度を推定することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to estimate a deformation temperature in a polycrystalline metal.
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。 The present invention adopts the following configuration as means for solving the above-described problems.
第1の手段として、多結晶金属の試料に照射された電子線の後方散乱の特性に基づいて結晶方位を求める結晶方位測定工程と、前記結晶方位の方位差に基づいて結晶粒界近傍の方位差パラメータを算出する方位差パラメータ算出工程と、前記方位差パラメータを規格化した基準データを算出する規格化工程と、予め算出された前記基準データと温度との相関に基づいて試料の変形温度を推定する温度推定工程とを有する、という手段を採用する。 As a first means, a crystal orientation measurement step for obtaining a crystal orientation based on a backscattering characteristic of an electron beam irradiated on a polycrystalline metal sample, and an orientation near a grain boundary based on the orientation difference of the crystal orientation An azimuth difference parameter calculating step for calculating a difference parameter, a normalization step for calculating reference data obtained by normalizing the azimuth difference parameter, and a deformation temperature of the sample based on a correlation between the reference data and temperature calculated in advance A temperature estimation step of estimating is employed.
第2の手段として、上記第1の手段において、前記方位差パラメータ算出工程では、前記方位差パラメータとして、KAM(Kernel Average Misorientation)を用いる、という手段を採用する。 As the second means, in the first means, the means that the KAM (Kernel Average Misorientation) is used as the orientation difference parameter in the orientation difference parameter calculation step.
第3の手段として、上記第1または第2の手段において、前記方位差パラメータ算出工程では、結晶粒界に接する位置における方位差パラメータを算出する、という手段を採用する。 As a third means, in the first or second means, a means is adopted in which the orientation difference parameter calculation step calculates an orientation difference parameter at a position in contact with the crystal grain boundary.
第4の手段として、上記第1〜3のいずれかの手段において、前記規格化工程では、前記方位差パラメータ算出工程において算出された結晶粒界の方位差パラメータを、複数の結晶粒における方位差パラメータの平均値により規格化する、という手段を採用する。 As a fourth means, in any one of the above first to third means, in the normalization step, the crystal grain boundary orientation difference parameter calculated in the orientation difference parameter calculation step is used to calculate the orientation difference in a plurality of crystal grains. A method of normalizing by an average value of parameters is adopted.
第5の手段として、上記第1〜3のいずれかの手段において、前記規格化工程では、前記方位差パラメータ算出工程において算出された結晶粒界の方位差パラメータを、結晶粒内における方位差パラメータの平均値により規格化する、という手段を採用する。 As a fifth means, in any one of the first to third means, in the normalization step, the orientation difference parameter of the crystal grain boundary calculated in the orientation difference parameter calculation step is changed to an orientation difference parameter in the crystal grain. The method of normalizing by the average value of is adopted.
第6の手段として、上記第1〜5のいずれかの手段において、予め算出された前記方位差パラメータとひずみとの相関に基づいて前記試料のひずみレベルを算出するひずみレベル推定工程を備える、という手段を採用する。 As a sixth means, in any one of the first to fifth means, a strain level estimation step of calculating a strain level of the sample based on a correlation between the orientation difference parameter and strain calculated in advance is provided. Adopt means.
多結晶金属においては、粒界において高温になるほど転位が発生しやすい特性が存在する。本発明によれば、EBSD法によって測定された結晶方位から、結晶粒界近傍の方位差パラメータを算出する。そして、粒界近傍の方位差パラメータを規格化することにより、方位差パラメータの温度依存性を明瞭化することができる。したがって、粒界近傍の方位差パラメータより、変形温度を推定することが可能である。 Polycrystalline metals have a characteristic that dislocations are more likely to occur at higher grain boundaries. According to the present invention, the orientation difference parameter near the crystal grain boundary is calculated from the crystal orientation measured by the EBSD method. Then, by standardizing the misorientation parameter near the grain boundary, the temperature dependence of the misorientation parameter can be clarified. Therefore, the deformation temperature can be estimated from the orientation difference parameter near the grain boundary.
以下、図面を参照して、本発明に係る多結晶金属の評価方法の一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of a method for evaluating a polycrystalline metal according to the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、本実施形態に係る多結晶金属の評価方法に用いられる計測装置を説明する。
図1は、本実施形態に係る多結晶金属の評価方法に用いられる装置の構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態に係る多結晶金属の評価方法は、計測装置1と、制御装置2とにより構成される走査型電子顕微鏡により実施される。計測装置1は、電子線を試料Aに照射する電子発射装置1aと、試料Aを収容する試料収容部1bと、試料Aから反射する反射電子を検出する検出器1cと、電子線を移動させる走査コイル(不図示)とを備えている。このような計測装置1は、制御装置2により制御され、電子発射装置1aより発射された電子線を走査コイルにより移動させて試料Aに照射し、試料Aにより反射される電子の信号を検出器1cにより検出することで、試料Aの微細な形状を検出する装置である。制御装置2は、例えばコンピュータ等とされ、計測装置1の電子発射装置1a、走査コイル及び検出器1cの制御を行う。
First, a measuring apparatus used in the polycrystalline metal evaluation method according to the present embodiment will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an apparatus used in the polycrystalline metal evaluation method according to the present embodiment. As shown in this figure, the polycrystalline metal evaluation method according to the present embodiment is performed by a scanning electron microscope including a measuring device 1 and a
解析装置3は、所定のプログラムに基づいた結晶方位の解析を実施する装置であり、信号処理部3aと、記憶部3bと、操作部3cと、表示部3dとを備えている。この解析装置3は、記憶部3bに所定のプログラムを記憶し、信号処理部3aが所定のプログラムに基づいて検出器1cにより検出されたデータを後述するEBSD法により解析処理を行う。このような解析装置3は、例えばコンピュータとされ、作業者により操作部3cに入力された操作に基づき解析処理を実行し、解析結果を表示部3dに表示することができる。
The
ここで、本実施形態において実施されるEBSD法(Electron BackScatter Diffraction pattern)について説明する。図2は、本実施形態における多結晶金属の試料Aに対するEBSD法による測定方法を示す図である。 Here, the EBSD method (Electron BackScatter Diffraction Pattern) implemented in the present embodiment will be described. FIG. 2 is a diagram showing a measurement method by EBSD method for a polycrystalline metal sample A in the present embodiment.
本実施形態において計測対象となる試料Aは、例えば、引張方向において荷重を受けることで変形されたSUS316製(ステンレス)の部品である。
EBSD法は、計測装置1を用いて、多結晶金属の結晶方位を解析する手法である。EBSD法においては、図2に示すように、試料Aの観測を行う面(本実施形態においては破面)に対して電子線が約20度の角度を形成するように、試料Aを傾斜させて電子線を照射することで、試料Aにおいて後方散乱が発生する。検出器1cは、図1に示すように、電子線照射方向に対して約90度の方向に配置され、試料Aにおいて回折された電子による回折パターン(菊池パターン)を検出する。この回折パターンを解析することにより、電子線が照射された試料Aの一点(ピクセル)における結晶方位を測定する。なお、このような電子線の照射を繰り返すことで、図3に示すように結晶粒子内において複数のピクセルに電子が照射される。このようなEBSD法による測定を、一定間隔で試料Aの破面上において実施することにより、試料A全体の結晶方位マッピングを作成することができる。
The sample A to be measured in the present embodiment is, for example, a part made of SUS316 (stainless steel) deformed by receiving a load in the tensile direction.
The EBSD method is a method of analyzing the crystal orientation of a polycrystalline metal using the measuring device 1. In the EBSD method, as shown in FIG. 2, the sample A is tilted so that the electron beam forms an angle of about 20 degrees with respect to the surface on which the sample A is observed (the fracture surface in this embodiment). By irradiating with an electron beam, back scattering occurs in the sample A. As shown in FIG. 1, the
本実施形態の多結晶金属の評価方法では、ピクセルにおける結晶方位の基準に対する方位差に基づく方位差パラメータを評価に用いる。本実施形態においては、方位差パラメータとしてKAM(Kernel Average Misorientation)を用いる。KAMは、下式1に示すように、対象となるピクセル(図3において淡色で表示)と境界を接する周囲のピクセル(図3において濃色で表示)の方位差θの平均を算出する手法である。なお、式1におけるθn(n:自然数)は対象となるピクセルの周囲のピクセルの方位差を示す。
また、結晶粒界に接するピクセルにおいては、該ピクセルと同一の結晶内において、該ピクセルと接しているピクセルの方位差のみ(図3においては3か所)の平均を算出する。
In the polycrystalline metal evaluation method of the present embodiment, an orientation difference parameter based on an orientation difference with respect to a crystal orientation reference in a pixel is used for evaluation. In the present embodiment, KAM (Kernel Average Misorientation) is used as the orientation difference parameter. KAM is a method of calculating the average of the azimuth difference θ between the target pixel (displayed in light color in FIG. 3) and the surrounding pixels (displayed in dark color in FIG. 3) that touch the boundary, as shown in Equation 1 below. is there. Note that θ n (n: natural number) in Equation 1 represents the azimuth difference between pixels around the target pixel.
In addition, in the pixel in contact with the crystal grain boundary, the average of only the orientation difference (three in FIG. 3) of the pixel in contact with the pixel is calculated in the same crystal as the pixel.
次に、本実施形態の多結晶金属の評価方法について説明する。
初めに、データベース作成工程について、図4を参照して説明する。
Next, the polycrystalline metal evaluation method of this embodiment will be described.
First, the database creation process will be described with reference to FIG.
初めに、作業員により、試験片に対して荷重試験が行われる(ステップS1)。ステップS1では、作業員は、試験片に対して複数の温度条件にて既知の荷重を付加し、試験片にひずみを付与する。そして、上述したEBSD法にて、ひずみが形成された試験片の結晶方位が計測される(ステップS2)。 First, a load test is performed on a test piece by an operator (step S1). In step S1, the worker applies a known load to the test piece under a plurality of temperature conditions, and applies strain to the test piece. Then, the crystal orientation of the test piece in which the strain is formed is measured by the above-described EBSD method (step S2).
次に、計測された結晶方位から方位差パラメータの算出が行われる(ステップS3)。ステップS3では、解析装置3が、計測された結晶方位中の結晶粒内の全てのピクセルにおけるKAM値を算出する。
Next, an orientation difference parameter is calculated from the measured crystal orientation (step S3). In step S3, the
そして、算出された方位差パラメータより、温度基準データが作成される(ステップS4)。ステップS4では、解析装置3は、算出された結晶粒内のKAM値のうち、結晶粒界近傍のピクセルにおけるKAM値であるKAMg.b.を抽出する。さらに、解析装置3は、検出器1cの視野内のKAM値の平均値を算出し、KAMg.b.を該平均値で除する(規格化)ことにより、基準値を算出する。そして、解析装置3は、試験時の温度条件と、基準値とを関連付けた温度基準データを記憶部3bに記憶する。
図5(a)は、規格化された基準値を縦軸とし、結晶粒界からの距離(ピクセル数)を横軸としたグラフである。このグラフに示すように、温度が高いほど、基準値が大きくなる傾向が見られる。さらに、この傾向は、結晶粒界からの距離が近いほど顕著となると考えられる。したがって、結晶粒界からの距離が近いピクセルを抽出して方位差パラメータを算出することで、温度傾向をより正確に推定することが可能である。図5(b)は、基準値を縦軸とし、温度を横軸としたひずみ基準データのグラフである。解析装置3は、例えば図5(b)に示すようなひずみ基準データを記憶部3bに記憶する。
Then, temperature reference data is created from the calculated orientation difference parameter (step S4). In step S4, the
FIG. 5A is a graph in which the normalized reference value is the vertical axis, and the distance (number of pixels) from the crystal grain boundary is the horizontal axis. As shown in this graph, the reference value tends to increase as the temperature increases. Furthermore, this tendency is considered to become more prominent as the distance from the crystal grain boundary is shorter. Therefore, it is possible to estimate the temperature tendency more accurately by extracting pixels having a short distance from the crystal grain boundary and calculating the orientation difference parameter. FIG. 5B is a graph of strain reference data with the reference value on the vertical axis and the temperature on the horizontal axis. The
また、算出された方位差パラメータより、ひずみ基準データが作成される(ステップS5)。ステップS5では、解析装置3は、算出されたKAM値と、試験時の荷重条件から導出されるひずみレベルとを関連付けたひずみ基準データを記憶部3bに記憶する。
Further, strain reference data is created from the calculated orientation difference parameter (step S5). In step S5, the
続いて、金属評価方法について、図6を参照して説明する。
まず、上述した手法により、データベース作成工程が行われる(ステップS11)。
そして、結晶方位測定工程が行われる(ステップS12)。ステップS12では、作業員により、評価対象となる試料AについてEBSD法により、結晶方位の測定が行われる。
Next, the metal evaluation method will be described with reference to FIG.
First, a database creation step is performed by the above-described method (step S11).
Then, a crystal orientation measurement step is performed (step S12). In step S12, the operator measures the crystal orientation of the sample A to be evaluated by the EBSD method.
次に、方位差パラメータ算出工程が行われる(ステップS13)。ステップS13では、解析装置3が、試料Aについて計測された結晶方位中の視野内のピクセルにおけるKAM値を算出する。そして、規格化工程が行われる(ステップS14)。ステップS14では、解析装置3は、試料Aにおいて算出された視野内のKAM値のうち、結晶粒界近傍のピクセルにおけるKAM値であるKAMg.b.を抽出する。さらに、解析装置3は、視野内のKAM値の平均値を算出し、KAMg.b.を該平均値で除する(規格化)ことにより、基準値を算出する。
Next, an azimuth difference parameter calculation step is performed (step S13). In step S <b> 13, the
そして、ひずみレベル推定工程が行われる(ステップS15)。ステップS16では、解析装置3は、結晶粒内のKAM値の平均値とひずみ基準データとに基づいて、試料Aのひずみレベルを推定する。
さらに、温度推定工程が行われる(ステップS16)。ステップS15では、解析装置3は、試料Aの基準値と、ひずみレベルと、温度基準データとに基づいて、試料Aの変形温度を推定する。
Then, a strain level estimation step is performed (step S15). In step S16, the
Furthermore, a temperature estimation process is performed (step S16). In step S15, the
本実施形態によれば、試料Aの結晶方位に基づいて方位差パラメータを算出し、方位差パラメータを規格化した温度基準データに基づいて方位差パラメータから変形温度を推定する。これにより、方位差パラメータを算出することで、変形温度を推定することができる。このような評価方法は、単層の体心立方格子(Bcc)または面心立方格子(Fcc)構造の多結晶金属に対して適用可能である。 According to this embodiment, the orientation difference parameter is calculated based on the crystal orientation of the sample A, and the deformation temperature is estimated from the orientation difference parameter based on the temperature reference data obtained by standardizing the orientation difference parameter. Thus, the deformation temperature can be estimated by calculating the orientation difference parameter. Such an evaluation method can be applied to a polycrystalline metal having a single-layer body-centered cubic lattice (Bcc) or face-centered cubic lattice (Fcc) structure.
また、本実施形態によれば、試料Aの結晶方位に基づいて方位差パラメータを算出し、方位差パラメータよりひずみレベルを推定する。したがって、変形温度と共にひずみレベルを推定することが可能であり、試料Aの状態をより詳細に評価することが可能である。 Further, according to the present embodiment, the orientation difference parameter is calculated based on the crystal orientation of the sample A, and the strain level is estimated from the orientation difference parameter. Therefore, the strain level can be estimated together with the deformation temperature, and the state of the sample A can be evaluated in more detail.
また、本実施形態によれば、結晶粒界に接するピクセルについてKAMg.b.を算出する。結晶粒界に接するピクセルにおけるKAM値は、図5(a)に示すように、温度依存性が大きいため、より正確に変形温度を推定することが可能である。 Further, according to the present embodiment, KAM gb is calculated for a pixel in contact with the crystal grain boundary. As shown in FIG. 5A, the KAM value in the pixel in contact with the crystal grain boundary has a large temperature dependency, and therefore, the deformation temperature can be estimated more accurately.
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring drawings, this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the spirit of the present invention.
(1)上記実施形態においては、方位差パラメータとしてKAMを用いるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼においては、方位差パラメータとしてDMGB(Distribution of misorientation near grain boundary)を用いることも可能である。ただし、この場合は、対応粒界(CSL粒界)とランダム粒界とを区別する必要がある。また、粒界近傍におけるピクセルを抽出し、方位差の分布を算出することが可能な方位差パラメータであれば適用可能である。 (1) In the above embodiment, KAM is used as the orientation difference parameter, but the present invention is not limited to this. For example, in austenitic stainless steel, it is also possible to use DMGB (Distribution of misorientation near grain boundary) as an orientation difference parameter. However, in this case, it is necessary to distinguish between the corresponding grain boundary (CSL grain boundary) and the random grain boundary. Also, any orientation difference parameter that can extract a pixel near the grain boundary and calculate the orientation difference distribution is applicable.
(2)また、上記実施形態においては、規格化の手法として、検出器1cの視野内のKAM値の平均値で除する手法を採用したが、本発明はこれに限定されない。結晶粒内のピクセルにおけるKAM値の平均値により除するものとしてもよい。
(2) In the above embodiment, as a standardization method, a method of dividing by the average value of the KAM values in the field of view of the
(3)また、上記実施形態においては、ひずみレベルを推定するものとしたが、本発明はこれに限定されず、変形温度のみを推定するものとしてもよい。 (3) In the above embodiment, the strain level is estimated. However, the present invention is not limited to this, and only the deformation temperature may be estimated.
(4)また、図5(a)に示すように、粒界から数ピクセル程度離れたピクセルのKAM値を規格化することによっても、変形温度を推定可能である。 (4) Further, as shown in FIG. 5A, the deformation temperature can be estimated by normalizing the KAM value of a pixel that is several pixels away from the grain boundary.
(5)また、データベース作成工程は、予め複数種類の多結晶金属について実施することにより、様々な試料の温度推定に用いることが可能である。 (5) In addition, the database creation step can be used for temperature estimation of various samples by performing a plurality of types of polycrystalline metals in advance.
1 計測装置
1c 検出器
2 制御装置
3 解析装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
前記結晶方位の方位差に基づいて結晶粒界近傍の方位差パラメータを算出する方位差パラメータ算出工程と、
前記方位差パラメータを規格化した基準データを算出する規格化工程と、
予め算出された前記基準データと温度との相関に基づいて試料の変形温度を推定する温度推定工程と
を有することを特徴とする多結晶金属の評価方法。 A crystal orientation measuring step for obtaining a crystal orientation based on the characteristics of backscattering of an electron beam irradiated to a polycrystalline metal sample;
An orientation difference parameter calculation step for calculating an orientation difference parameter in the vicinity of a grain boundary based on the orientation difference of the crystal orientation,
A normalization step of calculating reference data obtained by normalizing the orientation difference parameter;
And a temperature estimation step of estimating a deformation temperature of the sample based on a correlation between the reference data calculated in advance and the temperature.
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