JP3064107B2 - オーステナイト系耐熱鋼の高温損傷評価方法 - Google Patents

オーステナイト系耐熱鋼の高温損傷評価方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はオーステナイト系耐熱
鋼の高温損傷評価方法に関し、特にオ−ステナイト系耐
熱鋼が使用される火力発電プラント等の高温機器の供用
中の検査技術に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、高温、応力下で使用されてい
るオ−ステナイト系耐熱鋼のクリ−プ、クリ−プ疲労等
の高温損傷を評価する方法としては、使用されている材
料を切り出してクリ−プ破断試験、クリ−プ疲労試験等
の破壊試験を行って、未使用状態からの強度低下度を評
価する方法(以後、破壊試験法と称す)、使用された温
度、応力、時間から未使用材の強度を用いて損傷度を推
定する方法(以後、応力解析法と称す)が多用されてい
た。
【0003】また、非破壊的な手法としては、レプリカ
法等によって該機械部品の表面の金属組織を観察し、ク
リ−プ損傷の蓄積と共に生成するクリ−プボイドの数や
面積を計測する方法が用いられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した破壊試験法で
は、機械部品として使用されたオ−ステナイト系耐熱鋼
を破壊試験に供するために切断する必要があることか
ら、その後の該機械の運転のためには、切断工事に加え
て切断した部品を修理するのに費用、工期がかかってい
た。また、長時間機械部品として使用された該オ−ステ
ナイト系耐熱鋼の損傷を評価するためには、なるべく該
機械の運転条件に近い状態で試験を実施する必要があ
り、評価に時間を要していた。
【0005】一方、強度評価法では、機械部品を切断す
る必要はないが、評価に必要な該オ−ステナイト系耐熱
鋼の強度デ−タとして、実際に使用された材料ではな
く、同じ種類の材料のデ−タを用いる必要があることか
ら、実際使用された材料強度デ−タと応力解析の評価に
用いた材料強度デ−タとの差に起因した誤差をもってい
た。
【0006】さらに、クリ−プボイドを計測する方法
は、上述した破壊検査法のように該機械部品を切断する
必要がなく、また長期にわたる試験を実施する必要もな
い。また、強度評価法のように未知の材料強度デ−タも
必要としない。しかし、一般にクリ−プ損傷の過程でオ
−ステナイト鋼にクリ−プボイドが生成するのは破壊ま
での寿命の後半であり、この手法では寿命前半の損傷評
価を行うことはできなかった。
【0007】この発明はこうした事情を考慮してなされ
たもので、高温で運転される機械部品に使用されている
オーステナイト系耐熱鋼の損傷の程度を、破壊試験法よ
りも短時間でかつ同等の精度で行ないうるオーステナイ
ト系耐熱鋼の高温損傷評価方法を提供することを目的と
する。
【0008】
【課題を解決するための手段】従来技術の持つ上記不具
合点を改善するために、本発明は以下の特徴を持つ。 (1)機械部品として実際に使用されているオ−ステナ
イト系耐熱鋼を切断することなく、その表面を研磨、エ
ッチングして、レプリカ法等によって該表面に現出した
金属組織を観察するだけで損傷の程度を評価する。 (2)実際に使用された該オ−ステナイト系耐熱鋼にお
いて、高温損傷と直接関係する粒界析出物およびボイド
を定量化して損傷評価する。
【0009】(3)粒界析出物およびボイドの定量化方
法として、一定面積中の粒界析出物およびボイドの結晶
粒界方向の長さ、または、一定面積中の全粒界の長さに
対する粒界析出物およびボイドの結晶粒界方向の長さの
比を用いる。
【0010】即ち、この発明は、高温、応力下で運転さ
れる機械部品として使用されているオ−ステナイト系耐
熱鋼の高温損傷を評価する方法において、前記機械部品
の表面を研磨、エッチングして前記オ−ステナイト系耐
熱鋼の金属組織を現出させる工程と、現出させた金属組
織をレプリカ法又は直接観察法によって観察する工程
と、観察された金属組織の一定面積中の結晶粒界に生成
した微小空洞と粒界析出物の結晶粒界方向の長さを計測
する工程と、個々の該測定値を加算して該一定面積中に
生成した微小空洞及び粒界析出物の長さの合計値を該一
定面積又は該一定面積中の結晶粒界の長さの合計値で除
し、粒界損傷線密度(単位面積あたりの微小空洞)及び
粒界損傷率(単位面積あたりの粒界析出物長さ)を求め
る工程と、予め実験室試験によって求めた粒界損傷線密
度、又は粒界損傷率と寿命消費率との関係線図に該測定
値をあてはめることによって前記オ−ステナイト系の耐
熱鋼の寿命消費率を求める工程とを具備することを特徴
とするオーステナイト系耐熱鋼の高温損傷評価方法であ
る。
【0011】
【作用】上述したこの発明の特徴の作用は、以下のとお
りである。 (1)金属組織を観察するだけで損傷を評価するため、
調査ならびに調査後の機械部品の復旧が容易であるとと
もに、評価に要する時間、費用が少ない。
【0012】(2)調査対象部品の金属組織を直接観察
することによって損傷を評価することから、応力解析法
のように材料特性のばらつきによる評価精度の誤差が生
じない。
【0013】(3)オ−ステナイト系耐熱鋼の高温環境
下での使用による破壊までの寿命の前半および後半の高
温損傷の主な要因である、それぞれ粒界析出物およびボ
イド、を定量化することによって損傷評価することから
破壊までの寿命の初期から末期までの損傷の評価精度が
高く、また、粒界析出物およびボイドの生成状況の定量
化方法として、一定面積中の粒界方向の各々の長さを用
いたことから、面積等に比べてエッチング液、エッチン
グ時間等のエッチング条件による大きさの変化の影響を
受けにくい。
【0014】
【実施例】以下、この発明における実施例を図面等を参
照して説明する。
【0015】本発明者等は、高温で使用される機械部品
として使用されたオ−ステナイト系耐熱鋼及び実験室的
にクリ−プ破断試験、クリ−プ疲労試験を破壊までの種
々の時間で中断させたオ−ステナイト系耐熱鋼の組織調
査を行った。
【0016】その結果、前記オ−ステナイト系耐熱鋼に
は高温損傷の蓄積に伴って、まず、その結晶粒界に粗大
な金属間化合物や炭化物が生成し、寿命の後半になると
粗大な金属間化合物や炭化物に隣接して微小な空洞(ボ
イド)が生成することを見いだした。また、ボイドは粒
界析出物に隣接して生成するが、研磨やエッチングによ
っては研磨、エッチング過程で析出物が脱落して生じた
微小な空洞とボイドとの判別が容易ではない場合があっ
た。
【0017】下記「表1」は、3種類のエッチング液を
用いて同じ試験片のエッチングを行って金属組織を現出
させたJIS 規格 SUS321HTB 鋼のクリ−プ中断試験片の
粒界析出物およびボイドの生成状況を、一定面積中の粒
界析出物およびボイドの数(粒界析出物数密度およびボ
イド数密度)、各々の面積(粒界析出物面積率およびボ
イド面積率)、各々の長さの合計(粒界析出物およびボ
イド線密度)によって定量化した結果を示す。
【0018】
【表1】
【0019】粒界析出物面積率およびボイド面積率は、
各々の数密度、線密度と比較して、エッチング液によっ
てその計測値が大きく変化していた。また、各々の数密
度および線密度と比べて各々の計測値をたし合わせた値
(以後、それぞれ、粒界損傷数密度および線密度と称
す)は、エッチング液によるばら付きがさらに小さくな
っていた。
【0020】そこで、試験温度700℃、試験応力6.
0kgf/mm2 におけるクリ−プ試験を種々の時間で中断さ
せた前記SUS321HTB 鋼のクリ−プ中断試験片の粒界析出
物およびボイドの数密度、線密度を測定した。図1に粒
界析出物およびボイドの数密度および線密度と寿命消費
率との関係を示す。なお、寿命消費率は試験温度700
℃、試験応力6.0kgf/mm2 における前記SUS321HTB 鋼
のクリ−プ破断時間に対する中断時間の割合とした。
【0021】ボイド数密度は、寿命中期に増加するもの
の、寿命中期以降はほとんど増加しなかった。一方、ボ
イド線密度は寿命の初期から末期まで連続的に増加して
おり、ボイド数密度よりもボイド線密度の方が寿命中期
以降の損傷評価に適していることが明らかになった。一
方、粒界析出物数密度および線密度は寿命の初期から中
期にかけて変化しており、この手法が寿命の初期から中
期にかけての損傷評価に適していることが明らかになっ
た。また、粒界損傷線密度は寿命の初期から末期まで連
続的に変化しており、この測定によりオ−ステナイト鋼
の高温損傷を寿命の初期から末期まで評価できる可能性
があることがわかった。そこで、発電用ボイラの伝熱管
として長時間高温、応力下で使用された2体のSUS321HT
B 鋼の損傷の程度を本発明方法よって評価した。
【0022】即ち、該伝熱管表面をグラインダ−、研磨
紙、ダイヤモンド粒子を用いて鏡面になるまで順次研磨
し、その後硝酸、フッ酸、エタノ−ルおよび水からなる
混合液でエッチングして金属組織を現出させた。さら
に、現出させた金属組織をレプリカ法によって転写し、
走査型電子顕微鏡によって採取したレプリカの組織調査
を行い、500倍の倍率で連続して30視野の走査型電
子顕微鏡写真を撮影した。 撮影した写真に観察された
個々の粒界析出物およびボイドの長さを計測し、観察し
た領域中に観察されたすべての粒界析出物およびボイド
の長さを合計し、これを観察面積で除した値を粒界損傷
線密度とした。得られた粒界損傷線密度を図1に示した
粒界損傷線密度と寿命消費率との関係線図にあてはめ、
寿命消費率を求めた。
【0023】また、上記調査の後、前記伝熱管を抜管
し、クリ−プ破断試験片を採取して、試験温度700
℃、応力6.0kgf/mm2 でクリ−プ破断試験を実施し
た。その結果得られた前記伝熱管のクリ−プ破断時間
と、同等鋼種の未使用材の同一条件下のクリ−プ破断試
験の結果得られた破断時間から、前記伝熱管のクリ−プ
破断寿命消費率を求めた結果を、下記「表2」に示す。
【0024】
【表2】 両者の結果は精度よく一致しており、本発明方法による
評価結果は、破壊試験法による評価結果とほぼ同等であ
ることが明らかになった。上述したように、本発明方法
によれば、破壊試験法よりも短時間で簡便に、破壊試験
法とほぼ同等の精度の寿命評価法を提供できる。
【0025】また、同様の結果は、粒界析出物およびボ
イドの粒界方向の長さの和を計測面積ではなく、計測面
積中のすべての粒界の長さで除した値を用いても得られ
た。さらに、同様の結果は、SUS347鋼およびSUS316鋼に
おいても得られた。
【0026】
【発明の効果】上述したように、この発明方法によれ
ば、高温で運転される機械部品に使用されているオ−ス
テナイト系耐熱鋼の損傷の程度を破壊試験法よりも短時
間で且つ同等の精度で行う損傷評価方法を提供できるこ
とから、機械部品の供用中検査の迅速化を図ることがで
きる。さらに、評価に機械部品の切断、復旧作業を伴わ
ないこと、および長時間に渡る機械試験を行わなくても
良いことから、破壊試験法よりも簡便で且つ安価であ
り、評価工事の効率化、検査範囲の拡大による検査精度
の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例として得られた、JIS 規格
SUS321HTB 鋼のクリ−プ中断材の組織解析による粒界
析出物およびボイドの数密度および線密度とクリ−プ破
断寿命消費率との関係線図。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 33/20 G01N 1/28 G01N 1/32 G01N 17/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高温、応力下で運転される機械部品とし
    て使用されているオ−ステナイト系耐熱鋼の高温損傷を
    評価する方法において、前記機械部品の表面を研磨、エ
    ッチングして前記オ−ステナイト系耐熱鋼の金属組織を
    現出させる工程と、現出させた金属組織をレプリカ法又
    は直接観察法によって観察する工程と、観察された金属
    組織の一定面積中の結晶粒界に生成した微小空洞と粒界
    析出物の結晶粒界方向の長さを計測する工程と、個々の
    該測定値を加算して該一定面積中に生成した微小空洞及
    び粒界析出物の長さの合計値を該一定面積又は該一定面
    積中の結晶粒界の長さの合計値で除し、粒界損傷線密度
    及び粒界損傷率を求める工程と、予め実験室試験によっ
    て求めた粒界損傷線密度、又は粒界損傷率と寿命消費率
    との関係線図に該測定値をあてはめることによって前記
    オ−ステナイト系の耐熱鋼の寿命消費率を求める工程と
    を具備することを特徴とするオーステナイト系耐熱鋼の
    高温損傷評価方法。
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