JP4148639B2

JP4148639B2 - 鋼部材の使用形態とその使用環境の設定方法

Info

Publication number: JP4148639B2
Application number: JP2000264716A
Authority: JP
Inventors: 周作高木; 忠信井上; 兼彰津崎
Original assignee: JFE Steel Corp; National Institute for Materials Science
Current assignee: JFE Steel Corp; National Institute for Materials Science
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: EP1184657A3; US6523416B2; CN1344932A; EP1184657A2; US20020043111A1; JP2002071674A; KR20020018136A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、鋼部材の使用形態とその使用環境の設定方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、引張り強さ１０００ＭＰａを超える高強度鋼等を用いた鋼部材において、遅れ破壊を発生させないようにすることのできる、鋼部材の使用形態とその使用環境の設定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、引張り強さが１０００ＭＰａを超える高強度鋼が開発されてきているが、このような高強度鋼の場合には、遅れ破壊が発生する危険性が高いため、実用化されている例は少ない。
【０００３】
そこで、以上のような遅れ破壊の発生が懸念される鋼部材については、従来では、試験片形状で変化すると同じ負荷荷重であっても遅れ破壊発生状況が変化することから、なによりも応力集中を減少させる部材形状にすることが検討されてきている。
【０００４】
しかしながら、実際には、遅れ破壊を、鋼部材の形状による応力状態によって制御することは可能ではなく、ボルトのような複雑形状の部材には、非常に大きな安全率をとって設計することが必要であった。
【０００５】
また、鋼材の水素に対する抵抗力を示す限界拡散性水素量を上昇させるための方策も検討されてきているが、依然として、遅れ破壊を有効に制御することには成功していないのが実情である。
【０００６】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来技術の問題点を解消し、鋼材の遅れ破壊を部材の応力状態の制御によって有効に防止し、複雑な形状の部材であっても鋼材の材料特性の限界ぎりぎりでの設計をも可能とする、新しい方策を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記のとおりの課題を解決するものとして、第１には、部材の使用中に鋼中に侵入する侵入拡散性水素量よりも限界拡散性水素量が大きい条件下の次式

で示されるWeibull 応力以下となるように部材の形状および使用応力条件を定めることを特徴とする鋼部材の使用形態の設定方法を提供する。
【０００８】
また、この出願の発明は、上記第１の発明について、第２には、単純形状の試験片で限界拡散性水素量とWeibull 応力との関係を求め、また部材の使用中に侵入する侵入拡散性水素量を求め、次いで、侵入拡散性水素量が限界拡散性水素量と等しくなるWeibull 応力を求め、この求められたWeibull 応力以下のWeibull 応力で、部材の形状および使用応力条件を定めることを特徴とする鋼部材の使用形態の設定方法を提供し、第３には、Weibull 応力は、次式
【０００９】
【数３】

【００１０】
により有限要素法によって電子演算装置で算出することを特徴とする高強度鋼部材の使用形態の設定方法を提供する。
【００１１】
そして、この出願の発明は、第４には、所定の次式

で示されるWeibull 応力の場合の限界拡散性水素量よりも部材の使用中に鋼中に侵入する侵入拡散性水素量が小さくなるように部材の使用環境を定めることを特徴とする鋼部材の使用環境の設定方法を提供し、第５には、Weibull 応力は、次式
【００１２】
【数４】

【００１３】
により有限要素法によって電子演算装置で算出することを特徴とする上記の鋼部材の使用環境の設定方法を提供する。
【００１４】
さらにこの出願の発明は、第６には、部材の限界拡散性水素量に対応する次式

で示されるWeibull 応力と、部材の使用中に鋼中に侵入する侵入拡散性水素量に対応する前記Weibull 応力とを比較し、後者の応力が前者の応力よりも大きいことをもって遅れ破壊の発生を判別することを特徴とする鋼部材の遅れ破壊の評価方法を提供する。
【００１５】
以上のとおりのこの出願の発明は、部材形状および使用応力条件によらずに一義的に遅れ破壊の発生を評価するためにはWeibull 応力σ_ｗと限界拡散水素量Ｈ_ｃをパラメーターとすることができること、そして遅れ破壊を発生しない条件は、部材の使用中の鋼材中に侵入する拡散性水素量Ｈ_Ｅよりも前記の限界拡散水素量Ｈ_ｃが大きいことであるとの、発明者により得られた知見に基づいている。
【００１６】
従って、この出願の発明においては、遅れ破壊を防止するために、前記Ｈ_ｃ＞Ｈ_Ｅの条件を満たすσ_ｗの範囲において、適宜に部材形状や使用応力条件を設定すること、あるいは、部材の使用環境条件を設定すればよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの構造をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１８】
まず、この出願の発明の、鋼部材の使用形態の設定方法では、前記のとおり、部材の使用中に鋼中に侵入する侵入拡散性水素量よりも限界拡散性水素量が大きい条件下のWeibull 応力以下となるように部材の形状および使用応力条件を定めることを特徴としている。
【００１９】
この方法においては、たとえば、より詳しくは、図１にそのためのプロセスを示したように、まず、単純形状の試験片で限界拡散性水素量（Ｈ_ｃ）を測定し、またWeibull 応力を算出した後に、両者の関係を求め、限界拡散性水素量（Ｈ_ｃ）−Weibull 応力（σ_ｗ）曲線を作成する。また、一方で、部材の使用中に侵入する侵入拡散性水素量（Ｈ_Ｅ）を求める。次いで、前記の曲線から、侵入拡散性水素量（Ｈ_Ｅ）が限界拡散性水素量（Ｈ_ｃ）と等しくなるWeibull 応力（σ_ｗＡ）を求め、この求められたWeibull 応力（σ_ｗＡ）以下のWeibull 応力（σ_ｗＢ）条件において、実部材の形状および使用応力条件を定めることができる。
【００２０】
つまり、実部材の形状や応力条件は、
Ｈ_ｃ＞Ｈ_Ｅ
σ_ｗＡ＞σ_ｗＢ
において、適宜に定めればよいことになる。
【００２１】
ここで、Ｈ_ｃ、すなわち限界拡散性水素量について説明すると、この限界拡散性水素量（Ｈ_ｃ）は、ある荷重負荷条件下で試験片が破断しない場合の鋼中に含まれた最大の拡散性水素量を意味している。このＨ_ｃの求め方としては、たとえば次の手法が望ましものとして示されている。まず、鋼材中への水素拡散については、試験片中に陰極電解チャージにより水素を導入し、試験片表面にＣｄメッキを施した後に加熱等によって試験片中の水素分布を均一化し、一定荷重を負荷し、１００時間後に破断しない最大の拡散性水素量を求めることである。そして、拡散性水素量そのものの測定は、試料を加熱したときに３５０℃以下で放出される水素量として測定可能である。この水素量の測定は、サンプルの温度を１時間に５０℃以上８００℃以下の範囲で一定とした条件で昇温させながら３５０℃までにサンプルより放出された水素を四重極質量分析計もしくはガスクロマトグラフィーを用いて定量することが好ましい。
【００２２】
一方、部材の使用中に侵入する侵入拡散性水素量（Ｈ_Ｅ）については、使用環境をできるだけ忠実に再現した試験機中に試験片を設置し、曝露試験として行うことが望ましい。この場合の水素量そのものの測定は前記Ｈ_ｃと同様とすることができる。
【００２３】
また、Weibull 応力（σ_ｗ）は、水素割れ発生の駆動力を示すものであって、このWeibull 応力については、その算出手法に解釈の幅があるものの、この出願の発明では、前記のとおり、次式
【００２４】
【数５】

【００２５】
により有限要素法により求めることができる。
【００２６】
この式は、すでに知られたものであって、南二三吉、“機械の研究，第５１巻，第１２号，第７９〜８８頁（１９９９）を参考にすることができる。
【００２７】
この式においては、σ_ｅｆｆは、破壊を支配する力であって、最大主応力を示すものとすることができ、Ｖ_ｏは、破壊の基本体積で、一定値を示し、Ｖ_ｆ
は、破壊のプロセスゾーンを示し、破壊に寄与する可能性のある領域である。
【００２８】
なお、Ｖ_ｏは、任意の値をとっても Weibull応力の相対的な比較には影響しないことから、たとえば１ｍｍ^３とすることができる。また、Ｖ_ｆについては、図２に示したように、応力の負荷方向（α）に対し、斜線部で示した領域とすることができる。
【００２９】
さらにまた、ｍは、形状の異なる試験片での実験結果が Weibull応力により一義的に整理できるように決定することができる。通常は、概ね１０〜３０であって、このｍは、南二三吉らの手法によって求めることが好ましいが、２０程度でうまく整理できることが多いので、２０に固定してもよい。
【００３０】
前記の有限要素法によるWeibull 応力の算出では、電子計算機（コンピューター）等の電子演算装置を用いることができる。
【００３１】
前記のとおりのWeibull 応力（σ_ｗＢ）を条件として、実部材の形状や使用応力条件は適宜に設計することができる。
【００３２】
そして、この出願の発明においては、所定のWeibull 応力の場合の限界拡散性水素量よりも部材の使用中に鋼中に侵入する侵入拡散性水素量が小さくなるように部材の使用環境を定めることもできる。
【００３３】
ここで言うところの使用環境とは、たとえば、高強度ボルトを使用する環境等を意味している。
【００３４】
この出願の発明によれば、以上のことからも明らかなように、鋼材の遅れ破壊の評価も可能になる。
【００３５】
以上のとおりのこの出願の発明によれば、遅れ破壊を発生させない領域を鋼材毎に明確にして実部材を設計することができ、また、形状の複雑な部材であっても、材料特性の限界ぎりぎりでの設計が可能になる。
【００３６】
このため、遅れ破壊発生の精度の良い予測と、その防止が明瞭に考慮されることにより、これまで実用化されなかった引張り強度１０００ＭＰａを超える高強度鋼が実際的に使用されることになる。種々の装置、機械等の軽量化が図られ、社会全体としてのエネルギー使用効率が向上することになる。
【００３７】
なお、この出願の発明が対象とする鋼材は、その組成において各種のものであてよく、特に、この発明は、従来、実際的に使用される例の少なかった、引張り強度１０００ＭＰａを超える高強度鋼に対し、好適に適用される。
【００３８】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく、この出願の発明について説明する。
【００３９】
【実施例】
直径１０ｍｍの試験片中央部に環状ノッチを有するＴＳ１４００ＭＰａ級ＳＣＭ４４０鋼（Ｆｅ−０．４０Ｃ−０．２４Ｓｉ−０．８Ｍｎ−０．０２Ｐ−０．００７Ｓ−１．０Ｃｒ−０．１６Ｍｏ）を用いて表１に示す条件で遅れ破壊試験を行い、Ｈ_ｃを求めた。一方で各条件でのσ_ｗを、有限要素法手法（陰解法）を用いた解析を行うためのソフトウエア：ＦＥＭコードＡＢＡＱＵＳ−Standard（日本ＨＫＳ，市販）を用いて求めた。
【００４０】
【表１】

【００４１】
このσ_ｗの算出においては、Ｖ_ｏ＝１ｍｍ³、ｍ＝２０とした。σ_ｅｆｆは種々変化することになる。たとえば表１でＫｔ＝４．９、負荷応力／切り欠き引張強さ＝０．４７の条件では、図３に例示したように、２５４４ＭＰａから５８７ＭＰａの間に分布している。また、Ｖ_ｆは、前記のように、図２のように定義している。
【００４２】
算出の結果、Ｋｔによらずσ_ｗとＨ_ｃは一義的な関係を持つ、図４の曲線を得た。一方、この鋼種のＨ_Ｅは０．０５ｐｐｍ〜０．０９ｐｐｍであることが報告されている（櫛田隆弘：遅れ破壊解明の新展開、材料の組織と特性部会編、日本鉄鋼協会、東京、（１９９５）、１４５）図４からＨ_ｃが０．０９ｐｐｍとなるσ_ｗは２３００ＭＰａである。一方で、図５に試験片への平均負荷応力σとＨ_ｃの関係を示す。Ｈ_ｃがＨ_Ｅよりも大きくなるσはＫｔ応力集中係数により異なる。次に、遅れ破壊試験を行ったのと同じ応力条件で暴露試験を行った。試験方法は、試験片に所定の荷重を負荷し、朝、晩２回３％食塩水を吹き付けた。図６では、実施例として、各条件の破壊確率とσ_ｗとの関係を示す。σ_ｗが２３００ＭＰａ未満の条件では割れ発生確率は０であったのに対し２３００ＭＰａ以上の条件では遅れ破壊発生確率はσ_ｗの増加とともに高くなった。このことから、遅れ破壊試験を行っていない形状でもσ_ｗが２３００ＭＰａ未満の条件で設計すればよいことがわかる。一方、図７では、比較例として破壊確率とσの関係を示す。応力集中係数が異なると破断確率が０となる限界のσも異なり、遅れ破壊試験を行ったものと異なる形状のものは設計できないことは明白である。
【００４３】
実施例で示した鋼種は遅れ破壊の起点には旧γ粒界破壊が観察された。しかしながら、最近開発されている材料には、遅れ破壊の起点に旧γ粒界破壊ではなく、擬へき開が観察されるものがある。破壊が起点旧γ粒界割れから擬へき開へと変化すると、材料の水素に対する抵抗力が向上する、すなわちＨ_ｃが大きくなる。一方で、この発明は、材料の割れに対する応力の寄与を定量評価したものであるので、割れ形態に関係なく、種々の鋼種に適用できる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、遅れ破壊を発生させた領域を鋼材毎に明確にして実部材を設計することができ、また、形状の複雑な部材であっても、材料特性の限界ぎりぎりでの設計が可能になる。
【００４５】
このため、遅れ破壊発生の精度の良い予測と、その防止が明瞭に考慮されることにより、これまで実用化されなかった引張り強度１０００ＭＰａを超える高強度鋼が実際的に使用されることになる。種々の装置、機械等の軽量化が図られ、社会全体としてのエネルギー使用効率が向上することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の作業プロセスを例示したブロック図である。
【図２】Ｖ_ｆについて説明した図である。
【図３】ノッチ底からの距離と最大主応力との関係を例示した図である。
【図４】限界拡散性水素量−Weibull 応力曲線である。
【図５】限界拡散性水素量−平均負荷応力曲線である。
【図６】遅れ破壊発生確率−Weibull 応力曲線である。
【図７】遅れ破壊発生確率−平均負荷応力曲線である。

Claims

部材の使用中に鋼中に侵入する侵入拡散性水素量よりも限界拡散性水素量が大きい条件下の次式

で示されるWeibull 応力以下となるように部材の形状および使用応力条件を定めることを特徴とする鋼部材の使用形態の設定方法。
単純形状の試験片で限界拡散性水素量とWeibull 応力との関係を求め、また部材の使用中に侵入する侵入拡散性水素量を求め、次いで、侵入拡散性水素量が限界拡散性水素量と等しくなるWeibull 応力を求め、この求められたWeibull 応力以下のWeibull 応力で、部材の形状および使用応力条件を定めることを特徴とする請求項１の鋼部材の使用形態の設定方法。
Weibull 応力は、次式

により有限要素法によって電子演算装置で算出することを特徴とする請求項１または２の高強度鋼部材の使用形態の設定方法。
所定の次式

で示されるWeibull 応力の場合の限界拡散性水素量よりも部材の使用中に鋼中に侵入する侵入拡散性水素量が小さくなるように部材の使用環境を定めることを特徴とする鋼部材の使用環境の設定方法。
Weibull 応力は、次式

により有限要素法によって電子演算装置で算出することを特徴とする請求項４の鋼部材の使用環境の設定方法。
部材の限界拡散性水素量に対応する次式

で示されるWeibull 応力と、部材の使用中に鋼中に侵入する侵入拡散性水素量に対応する前記Weibull 応力とを比較し、後者の応力が前者の応力よりも大きいことをもって遅れ破壊の発生を判別することを特徴とする鋼部材の遅れ破壊の評価方法。