JP4202281B2

JP4202281B2 - 材料特性分布図作成方法

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Publication number: JP4202281B2
Application number: JP2004045741A
Authority: JP
Inventors: 義紀片山; 基司坪田; 善章斉藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2024-02-23
Also published as: JP2005233862A

Description

本発明は、金属材料の材料特性値を推定して材料特性分布図を作成する材料特性分布図作成方法に関する。

例えば、金属材料の材料特性を評価するためには試験片を採取して行う。その際には、試験片のマクロ的な平均値を評価していることになり、ミクロ的な材料特性を評価していない。そこで、微小なサンプルから定量的にその構造部材の塑性変形量を推定できる塑性変形量の推定法として、予め求めたチャートと実際の構造部材から採取した試料の平均粒内歪の計測結果を比較することで、塑性変形を定量的に推定するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１のものでは、塑性変形により生じた各結晶粒の結晶方位のずれ角ｒと測定点までの距離Ｌとを測定してその比ｒ／Ｌの平均を求め、さらに複数結晶粒に対する平均値を平均粒内歪とし、塑性変形量との間の一定の関係から、予め求めたチャートと実際の構造部材から採取した試料の平均粒内歪の計測結果を比較して塑性変形を定量的に推定するようにしている。

また、高温機器に使用される耐熱鋼夫々の母材部および溶接継手等の溶接熱影響部のクリープ損傷評価を精度良く且つ短時間でできるようにしたクリープ損傷評価方法がある（例えば、特許文献２参照）。

この特許文献２のものでは、評価部位における結晶方位角度差が略２°〜３°以上の方位差を持つ結晶粒あるいは亜結晶粒の粒径の、クリープ損傷経過に基づく粒径変化の挙動を、前もって生成した該結晶粒径とクリープ損傷度合（損傷率も含む)の対応線図若しくはマップに基づいて比較することによりクリープ損傷度合の評価を行い、マップが所定応力単位毎に生成された結晶粒あるいは亜結晶粒径とクリープ損傷度合の対応線図の実質的な集合であり、評価部位における負荷応力に基づいてマップより対応する線図を選択若しくは補間計算をして、該選択若しくは補完されたた線図よりクリープ損傷度合の評価を行う。
特開平８−２４７９７４号公報（図１）特開２００３−１０７０１９号公報（図１）

しかしながら、特許文献１のものは塑性変形を定量的に推定するものであり、また、特許文献２のものはクリープ損傷評価を行うものであり、金属材料の材料特性値の分布を得るものではない。例えば、発電プラント等を構成する機器に用いられる構造材料は、使用環境によって延靭性の低下や応力腐食割れ感受性の増大等の経年的な劣化が生じることがあり、また、同一材料においても表面や材料内部等の場所による違いや、製造時に加工を受けた部位と受けていない部位等の違いにより機械的特性値が異なる分布を有していると考えられる。従って金属材料の各部位について材料特性値、すなわち、硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値の分布を把握することは重要なことである。

本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたもので、発電プラント等を構成する機器の構造材料における材料特性の分布を表した材料特性分布図を作成する材料特性分布図作成方法を提供することである。

本発明の材料特性分布図作成方法は、金属材料の材料特性分布を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する工程と、材料特性を評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め結晶方位角度差と材料特性値との対応図を作成する工程と、結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の材料特性分布図を作成する工程とを有したことを特徴とする。材料特性値は、硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値であり、これら材料特性値について個別に材料特性分布図を作成する。

また、金属部材の応力腐食割れ感受性と硬さとの間に相関があるので、応力腐食割れ感受性を評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め結晶方位角度差と硬さとの対応図を作成しておき、金属部材の応力腐食割れ感受性を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成するとともに、硬さと応力腐食割れ感受性との対応図を作成して、硬さと応力腐食割れ感受性との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の応力腐食割れ感受性分布図を作成する。

さらに、寿命を評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め寿命となる結晶方位角度差と材料特性値との対応図を作成しておき、金属材料の寿命を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成し、寿命となる結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の寿命分布図を作成する。

本発明によれば、金属材料全般、例えば発電プラント等を構成する機器の構造材料において、材料評価用試験片サイズ以下のミクロレベルの材料特性値の分布図作成が可能となるので、金属材料の評価が適正に行える。また、各材料特性値の寿命となる上限値あるいは下限値を設定することにより、寿命となっている部位を特定することができ、プラントを構成する機器等の安全運転確保に役立てることができる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる材料特性分布図作成方法の工程図である。まず、材料特性を評価したい金属材料と同一成分系の複数の金属材料を用意し冷間圧延加工して冷間圧延加工材を作製する（Ｓ１）。得られた冷間圧延加工材に対して、電子後方散乱回折像法（ＥＢＳＰ（Electron Back-Scatter Patterns））による結晶方位角度差の測定を行い（Ｓ２）、材料特性試験を行う（Ｓ３）。そして、得られた材料特性値と結晶方位角度差との対応図を作成し（Ｓ４）、分布図作成のための区分設定を行う（Ｓ５）。このようにして、同一成分系の材料について予め結晶方位角度差と材料特性値との対応図を作成する。

一方、金属材料の材料特性分布の評価したい評価部位を採取し（Ｓ６）、電子後方散乱回折像法による結晶方位角度差の測定を行い（Ｓ７）、結晶方位角度差の分布図を作成する（Ｓ８）。このようにして、金属材料の材料特性分布を評価したい部位について、電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する。

次に、ステップＳ５で区分設定された結晶方位角度差と材料特性値との対応図と、ステップＳ８で作成された結晶方位角度差の分布図とに基づいて、結晶方位角度差の分布図の区分基準を変更し（Ｓ９）、材料特性分布図を作成する（Ｓ１０）。このようにして、結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の材料特性分布図を作成する。ここで、材料特性分布図は、材料特性値としての硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値の個々について作成される。

すなわち、予め評価したい金属材料について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差と材料特性値の対応図を作成しておき（Ｓ１〜Ｓ５）、評価したい部位の結晶方位角度差の測定結果を求め（Ｓ６〜Ｓ８）、結晶方位角度差と材料特性値の相関図から評価部位の材料特性値を推定する（Ｓ９、Ｓ１０））。

まず、材料の結晶方位角度差と材料特性値との対応図の作成方法について説明する。実際に評価したい材料と同一成分系であり、かつ結晶粒度が同等な材料について冷間圧延加工等を施し、異なる材料特性値を有した複数の試料を用意する（Ｓ１）。その際、各試料の材料特性値がほぼ均一であることを確認しておく。

次に、各試料のある面積について電子後方散乱回折像法による結晶方位角度差の測定を行う（Ｓ２）。図２は結晶方位角度差の説明図である。図２に示すように、測定点Ａの結晶方位角度差θＡは、測定点Ａに隣接する結晶方位の角度差θ１〜θ６の平均とする。一方、各試料から評価したい材料特性の試験片を採取して材料試験を行う（Ｓ３）。そして、試験により得られた材料特性値と、各試料のある面積について電子後方散乱回折像法による結晶方位角度差との相関性を対応図として作成する（Ｓ４）。

その際、測定した結晶方位角度差には結晶粒界を含んでおり、結晶粒界は通常大きな角度差を有している。冷間圧延加工に伴う材料特性の増加と結晶方位角度差の関係を表わすために、冷間圧延加工を受けていない試料の結晶方位角度差はすべて結晶粒界による角度差と考え、冷間圧延加工を受けていない試料の結晶方位角度差が０となるよう補正することにした。従って、冷間圧延加工を受けた試料の補正は、測定した結晶方位角度差の値から冷間圧延加工を受けていない試料の結晶方位角度差を引いて表わす。

図３は、補正を行ったオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６Ｌ鋼の冷間圧延加工材で測定した硬さ（材料特性値）と結晶方位角度差との関係を示す特性図である。平均結晶方位角度差はビッカース硬さＨＶ（Hardness vale of Vickers）が約３００ＨＶを境界に２本の直線で表すことができた。得られた２本の直線を、それぞれ１次式として近似して対応図とする。ここで、硬さだけでなく、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値の材料特性値についても、硬さの場合と同様に結晶方位角度差との対応図をそれぞれ作成する。そして、これらの材料特性値と結晶方位角度差との対応図から分布図作成のための区分を設定する（Ｓ５）。

次に、評価したい部位の材料特性値（硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）の推定方法について説明する。金属材料についてその材料特性分布を評価したい部位を採取し（Ｓ６）、電子後方散乱回折像法による結晶方位角度差を測定する（Ｓ７）。電子後方散乱回折像法による結晶方位角度差の測定方法は、図２に示したように測定点と隣り合う全点の値との平均を測定点の値とする。そして、結晶方位角度差の分布図を作成する（Ｓ８）。

次に、金属材料の評価部位の結晶方位角度差と、予め作成した結晶方位角度差と材料特性値（硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）との対応図との比較により（Ｓ９）、材料特性値（硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）を推定することができる（Ｓ１０）。

図４は、オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６Ｌ鋼の加工層およびその近傍の硬さ分布図である。構造材料は機械加工等により表面に加工層が形成されることがある。この場合、加工層の硬さと内部の硬さとは大きさが異なる。図４に示すように、電子後方散乱回折像法による結晶方位角度差を測定し、材料特性値（硬さ）に対応させ、その分布図を作成することで、表面加工層の硬さ分布を得ることが可能となる。硬さ以外の材料特性値（耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）についても、同様に分布図を作成することにより、材料特性値（耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）の分布を得ることができる。

また、応力腐食割れ感受性についてもその分布図の作成が可能である。応力腐食割れ感受性と硬さの間に相関関係があるので、応力腐食割れ感受性のための指標として硬さを用い、その硬さを電子後方散乱回折像法による結晶方位角度差を測定することにより、応力腐食割れ感受性の分布図を作成する。例えば、文献「Stress Corrosion Cracking of Cold Worked Stainless Steels in high temperature Water」(CORROSION 94,No.237)には、図５に示すように、応力腐食割れ感受性と硬さの間に相関関係があることが記載されている。すなわち、硬さは応力腐食割れ感受性の指標としても使用可能である。従って、予め求めておいた応力腐食割れ感受性を有する硬さの値を境界として応力腐食割れ感受性分布図が作成できる。

第１の実施の形態によれば、金属材料全般、例えば発電プラント等を構成する機器の構造材料において、材料評価用試験片サイズ以下のミクロレベルの材料特性値の分布図作成が可能となるので、材料特性値が未知である金属材料の材料特性分布図を作成でき、金属材料の評価が適正に行える。

（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２の実施の形態に係わる材料特性分布図作成方法の工程図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、材料特性値と結晶方位角度差との対応図から分布図作成のための区分を設定すること（Ｓ５）に代えて、寿命分布図作成のための区分設定を行うこと（Ｓ１１）とし、各材料特性値の寿命となる上限値あるいは下限値を設定することにより、評価したい金属材料の部位の寿命分布図を作成する（Ｓ１２）ようにしたものである。

図６に示すように、まず、材料特性を評価したい金属材料と同一成分系の複数の金属材料を用意し冷間圧延加工して冷間圧延加工材を作製する（Ｓ１）。得られた冷間圧延加工材に対して、電子後方散乱回折像法による結晶方位角度差の測定を行い（Ｓ２）、材料特性試験を行う（Ｓ３）。その際、電子後方散乱回折像法による結晶方位角度差の測定結果から予め寿命となる材料特性値（硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）のいずれか一つあるいは複数の上限値あるいは下限値を設定する。そして、予め対象材料の結晶方位角度差と必要な材料特性値（硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）との対応図を作成し（Ｓ４）、寿命分布図作成のための区分設定を行う（Ｓ１１）。このようにして、寿命を評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め寿命となる結晶方位角度差と材料特性値（硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）との対応図を作成する。

一方、金属材料の寿命評価したい評価部位を採取し（Ｓ６）、電子後方散乱回折像法による結晶方位角度差の測定を行い（Ｓ７）、結晶方位角度差の分布図を作成する（Ｓ８）。電子後方散乱回折像法による結晶方位角度差の測定方法は、図２に示したように測定点と隣り合う全点の値との平均を測定点の値とする。このようにして、金属材料の寿命を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する。

次に、ステップＳ５で区分設定された結晶方位角度差と材料特性値（硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）との対応図と、ステップＳ８で作成された結晶方位角度差の分布図とに基づいて、結晶方位角度差の分布図の区分基準を変更し（Ｓ９）、寿命分布図を作成する（Ｓ１２）。このようにして、寿命となる結晶方位角度差と材料特性値（硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の寿命分布図を作成する。

このように、評価したい部位の結晶方位角度差と、予め作成した結晶方位角度差と材料特性値（硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）との対応図との比較により、材料特性値（硬さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー衝撃値および破壊靭性値）の予め設定した上限値あるいは下限値を境界とした寿命分布図を作成することができる。

第２の実施の形態によれば、各材料特性値の寿命となる上限値あるいは下限値を設定することにより、寿命となっている部位を特定することができ、プラントを構成する機器等の安全運転確保に役立てることができる。

本発明の第１の実施の形態に係わる材料特性分布図作成方法の工程図。本発明の第１の実施の形態における結晶方位角度差の説明図。本発明の第１の実施の形態における補正を行ったオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６Ｌ鋼における平均結晶方位角度差と硬さの関係を示す特性図。本発明の第１の実施の形態におけるオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６Ｌ鋼の加工層およびその近傍の硬さ分布図。本発明の第１の実施の形態における応力腐食割れ感受性と硬さの間の相関関係図。本発明の第２の実施の形態に係わる材料特性分布図作成方法の工程図。

符号の説明

Ｓ１…冷間圧延加工材作製ステップ、Ｓ２…結晶方位角度差測定ステップ、Ｓ３…材料特性試験ステップ、Ｓ４…対応図作成ステップ、Ｓ５…区分設定ステップ、Ｓ６…評価部位採取ステップ、Ｓ７…結晶方位角度差測定ステップ、Ｓ８…結晶方位角度差分布図作成ステップ、Ｓ９…分布図区分基準変更ステップ、Ｓ１０…材料特性分布図作成ステップ、Ｓ１１…区分設定ステップ、Ｓ１２…寿命分布図作成ステップ

Claims

金属材料の材料特性分布を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する工程と、材料特性を評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め結晶方位角度差と材料特性値との対応図を作成する工程と、結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の材料特性分布図を作成する工程とを有したことを特徴とする材料特性分布図作成方法。
金属材料の硬さ分布を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する工程と、硬さを評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め結晶方位角度差と硬さとの対応図を作成する工程と、結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の硬さ分布図を作成する工程とを有したことを特徴とする材料特性分布図作成方法。
金属材料の耐力分布を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する工程と、耐力を評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め結晶方位角度差と耐力との対応図を作成する工程と、結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の耐力分布図を作成する工程とを有したことを特徴とする材料特性分布図作成方法。
金属材料の引張強さ分布を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する工程と、引張強さを評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め結晶方位角度差と引張強さとの対応図を作成する工程と、結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の引張強さ分布図を作成する工程とを有したことを特徴とする材料特性分布図作成方法。
金属材料の伸び分布を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する工程と、伸びを評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め結晶方位角度差と伸びとの対応図を作成する工程と、結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の伸び分布図を作成する工程とを有したことを特徴とする材料特性分布図作成方法。
金属材料の絞り分布を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する工程と、絞りを評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め結晶方位角度差と絞りとの対応図を作成する工程と、結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の絞り分布図を作成する工程とを有したことを特徴とする材料特性分布図作成方法。
金属材料のシャルピー衝撃値分布を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する工程と、シャルピー衝撃値を評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め結晶方位角度差とシャルピー衝撃値との対応図を作成する工程と、結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位のシャルピー衝撃値分布図を作成する工程とを有したことを特徴とする材料特性分布図作成方法。
金属材料の破壊靭性値分布を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する工程と、破壊靭性値を評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め結晶方位角度差と破壊靭性値との対応図を作成する工程と、結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の破壊靭性値分布図を作成する工程とを有したことを特徴とする材料特性分布図作成方法。
金属部材の応力腐食割れ感受性を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する工程と、応力腐食割れ感受性を評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め結晶方位角度差と硬さとの対応図を作成する工程と、硬さと応力腐食割れ感受性との対応図を作成する工程と、硬さと応力腐食割れ感受性との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の応力腐食割れ感受性分布図を作成する工程とを有したことを特徴とする材料特性分布図作成方法。
金属材料の寿命を評価したい部位について電子後方散乱回折像法により測定した結晶方位角度差の分布図を作成する工程と、寿命を評価したい金属材料と同一成分系の材料について予め寿命となる結晶方位角度差と材料特性値との対応図を作成する工程と、寿命となる結晶方位角度差と材料特性値との対応図と結晶方位角度差の分布図とに基づいて評価したい金属材料の部位の寿命分布図を作成する工程とを有したことを特徴とする材料特性分布図作成方法。