JP4638621B2 - Evaluation method of remaining life of metallic materials using creep strain rate - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料のクリープ余寿命評価方法に関し、より詳しくは、クリープひずみ速度を利用した金属材料の余寿命評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、クリープ余寿命評価方法としては、組織変化や硬さ変化等をもとにした評価方法が提案され、実用化されているが、これらの評価因子は寿命消費率の前半に大きく変化するが、寿命消費率の後半に達した場合、変化が少なく寿命消費率後半の余寿命評価精度が低いという問題点がある(入門講座「発電設備の予防保全と余寿命診断」：火力原子力発電Vol.．51 No.523 P104)。
【０００３】
また、クリープひずみはクリープ現象そのものであり、特に寿命消費率の後半に変化が著しいため余寿命評価精度を向上させる指標として有効であるが、クリープひずみの測定では初期寸法データが必要であるのに対し、初期寸法データが得られない等の問題がある。
【０００４】
また、クリープ余寿命評価方法としては、クリープ破断試験による余寿命評価が最も精度の高い手法と考えられているが、試験には数千時間を要し、余寿命の評価結果を出すのに時間がかかる。また、クリープ破断試験は実機温度、応力条件を加速した条件で実施されるため、試験応力、温度の実機応力、温度への外挿や、温度―時間パラメータによる実機温度へのクリープ破断時間の換算において、外挿の仕方や換算係数の値が実機破断時間の推定に及ぼす影響が大きく、推定値の信頼性に問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の問題に鑑み、本発明は、クリープひずみ速度に着目し、寿命消費率の後半においても余寿命評価精度の高い、金属材料の余寿命評価方法を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明ではクリープ試験結果から寿命消費率φとクリープひずみεの関係が、クリープ試験温度、応力によらずほとんど同一であることを利用したもので、あらかじめ、寿命消費率φとクリープひずみεの関係のマスターカーブを求めておき、評価材のある評価時点での寿命消費率とその後の評価時点での寿命消費率との間におけるクリープひずみ変化の勾配（Δε/Δφ）が、前記マスターカーブ上の勾配と一致するような全寿命を求め、評価時点での余寿命を求めることを特徴とするものである。
【０００７】
これにより、評価時点間の平均クリープひずみ速度Δε/Δφと評価時点の使用時間ｔさえわかれば、寿命消費率φとクリープひずみεとの関係のマスターカーブの勾配ｄε/ｄφの変化に着目し、その勾配ｄε/ｄφと一致する評価材の全寿命ｔ0を求め、評価時点での寿命消費率φ（φ＝ｔ/ｔ0）及び余寿命ｔｒ（ｔｒ＝ｔ0−ｔ）を得ることができる。
【０００８】
また、本発明では寿命消費率φと寿命消費率φの変化に対するクリープひずみεの変化率との関係が、クリープ試験温度、応力によらずほとんど同一であることを利用したもので、あらかじめ、寿命消費率φとクリープひずみεの関係を求め、寿命消費率φと寿命消費率φの変化に対するクリープひずみεの変化率（ｄε/ｄφ）との関係のマスターカーブを求めておき、評価材の評価時点でのクリープひずみ速度（ｄε/ｄｔ）から、前記マスターカーブに載るような全寿命を求め、評価時点での余寿命を求めることを特徴とするものである。
【０００９】
さらに、評価材の評価時点でのクリープひずみ速度（ｄε/ｄｔ）を、評価材の使用温度、使用応力、組織及び硬さの情報から算出し、この算出したクリープひずみ速度（ｄε/ｄｔ）から、前記マスターカーブに載るような全寿命を求め、評価時点での余寿命を求めることもできる。この場合において、評価材の使用温度は、新材のクリープ破断強度曲線を用いて前記使用温度と全寿命を関係づけ、前記マスターカーブに載ような温度を求め、評価時点での余寿命を求めることもできるし、評価材の使用応力は、新材のクリープ破断強度曲線を用いて前記使用応力と全寿命を関係づけ、前記マスターカーブに載るような応力を求め、評価時点での余寿命を求めることもできる。
【００１０】
これにより、評価時点でのクリープひずみ速度ｄε/ｄｔと評価時点までの使用時間ｔさえわかれば、寿命消費率φと寿命消費率の変化に対するクリープひずみの変化率ｄε/ｄφとの関係のマスターカーブを利用し、そのマスターカーブに載る評価材の全寿命を求め、評価時点での寿命消費率と余寿命を得ることができる。
【００１１】
ここで、寿命消費率φの変化に対するクリープひずみεの変化率ｄε/ｄφは、ｄε/ｄφ＝ｄε/ (ｄｔ /ｔ0) =ｔ0(ｄε/ｄｔ ) となり、全寿命（ｔ0）とクリープひずみ速度(ｄε/ｄｔ )の積である。
【００１２】
さらに本発明では、あらかじめ、寿命消費率φとクリープひずみεの関係を求め、寿命消費率φと寿命消費率φの変化に対するクリープひずみの変化率（ｄε/ｄφ）との関係のマスターカーブを求めておき、評価材のクリープ試験にて測定したクリープひずみ速度（ｄε/ｄｔ）と任意に設定した新材のクリープ破断時間とから、前記マスターカーブに載るような評価材のクリープ破断時間を、クリープ破断試験途中段階で精度よく求めることもでき、試験時間の短縮が可能である。
【００１３】
また、設定する新材のクリープ破断時間を、あらかじめ新材のクリープ破断試験から求めておくか、新材のクリープ破断強度曲線を用いて求めておけば、精度よく寿命消費率を求めることができる。
【００１４】
これにより、評価時点までの使用時間と評価材のクリープ試験中のクリープひずみ速度さえわかれば、寿命消費率φと寿命消費率の変化に対するクリープひずみの変化率（ｄε/ｄφ）との関係のマスターカーブを利用し、そのマスターカーブに載る点から評価材のクリープ破断時間を求め、評価材の余寿命を短時間で予測することを可能とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。
【００１６】
【実施例１】
寿命消費率φとクリープひずみεの関係は、例えば、JISSTBA28材の単軸引張りクリープ試験を実機で使用され得る応力10kg/mm2以下の応力の範囲で行った結果、応力、温度に係らず一致することから、あらかじめ寿命消費率φとクリープひずみεの関係のマスターカーブを求めておく。このマスターカーブの一例を図１に示す。
【００１７】
なお、実機では評価材が内圧の負荷された筒状であることが多いため、この場合、単軸クリープ試験より得られた寿命消費率―クリープひずみの曲線を公知の理論式（例えば、平、大谷：材料の高温強度論 第１４２頁１９８０年オーム社発行）を用いて寿命消費率と外径の変化の関係に変換したものを用いるか、実際に内圧クリープ試験を行い寿命消費率―クリープひずみ曲線を求め、これをマスターカーブとして使用することができる。
【００１８】
ここで、ある評価時点t1（10万時間）で測定した寸法L1（502mm）とあるインターバルΔT（５万時間）後の評価時点のt2（１５万時間）に測定した寸法L2（505mm）の差からt1‐t2間のクリープひずみの変化Δεは、t1、t2時点でのクリープひずみをそれぞれε1、ε2とすると、Δε＝ε2―ε１である。
【００１９】
初期寸法をL0（500ｍｍ）とするとt1時点でのクリープひずみε1は
ε1＝ln(L1/L0)＝ln(502/500)
と表される。同様にt2時点でのクリープひずみε2は
ε2＝ln(L2/L0)=ln(505/500)
と表されることから、t1‐t2間のクリープひずみの変化Δεは
Δε= ln(L2/L1)=ln(505/502)=0.00596
となり初期寸法の値がなくてもクリープひずみ変化Δεが得られる。
【００２０】
このΔεからｔ１時点の寿命消費率φ1（＝t1/ｔ0＝10万時間/ｔ0）とt2（15万時間）時点での寿命消費率φ２（＝t2/ｔ0＝15万時間/ｔ0）間のクリープひずみ変化の勾配ｄε/ｄφ（＝ｔ0×ｄε/ (t2‐t1)=ｔ0×0.00596/５万時間）が、マスターカーブ上のφ1（＝t 1/ｔ0＝10万時間/ｔ0）とφ２（＝t2/ｔ0＝15万時間/ｔ0）間の勾配と一致する全寿命t0をトライアンドエラーで求めると例えば全寿命t0＝25万時間となる。これにより、t１（10万時間）時点、t2（15万時間）時点での寿命消費率はそれぞれt1/t0 (=10万時間/25万時間＝0.4)、t2/t0 (=15万時間/25万時間＝0.6)となり、t１時点、t２時点での余寿命はそれぞれt0‐t1(=25万時間−10万時間=15万時間)、t0‐t2＝25万時間−15万時間＝10万時間)で求められる。（図2参照）
【００２１】
【実施例２】
寿命消費率φと寿命消費率φの変化に対するクリープひずみεの変化率ｄε/ｄφの関係は、例えば、JISSTBA28材の単軸引張りクリープ試験を実機で使用され得る応力10kg/mm2以下の応力の範囲で行った結果、応力、温度に係らず一致することから、あらかじめ寿命消費率φと寿命消費率φの変化に対するクリープひずみεの変化率ｄε/ｄφとの関係のマスターカーブ（以下「φ―ｄε/ｄφマスターカーブ」と呼ぶ。）を求めておく。このφ―ｄε/ｄφマスターカーブの一例を図3に示す。
【００２２】
ここで、寿命消費率φの変化に対するクリープひずみεの変化率ｄε/ｄφは
ｄε/ｄφ＝ｄε/ (ｄt /ｔ0) =ｔ0(ｄε/ｄt )
となり全寿命ｔ0とクリープひずみ速度ｄε/ｄt の積で表される。
【００２３】
なお、実機では評価材が内圧の負荷された筒状であることが多いため、この場合、単軸クリープ試験より得られた寿命消費率φ―クリープひずみεの曲線を公知の理論式を用いて寿命消費率φと外径の変化の関係に変換するか、実際に内圧クリープ試験を行い寿命消費率―クリープひずみ曲線を求めることで、φ―ｄε/ｄφマスターカーブを得ることができる。
【００２４】
次に、評価材の寸法をある評価時点t1（10万時間）とあるインターバル後の評価時点t2（15万時間）に測定し、t1（10万時間）とt2（15万時間）間の平均クリープひずみ速度ｄε/ｄｔを実施例1と同様に得ておき、t1（10万時間）時点とt2（15万時間）時点の中間時間(12.5万時間)での寿命消費率(12.5万時間/t0)とt1（10万時間）とt2（15万時間）間の平均クリープひずみ速度ｄε/ｄｔ（0.00596/５万時間）と全寿命t0の積（t0×0.00596/５万時間）の関係がφ―ｄε/ｄφマスターカーブ（図３）に載る全寿命t0をトライアンドエラーで求める。全寿命t0を求めると例えば全寿命t0＝25万時間になるとすると、これにより、t１（10万時間）時点、t2（15万時間）時点での寿命消費率はそれぞれt1/t0 (=10万時間/25万時間＝0.4)、t2/t0 (=15万時間/25万時間＝0.6)となり、t１時点、t２時点での余寿命はそれぞれt0‐t1(=25万時間−10万時間=15万時間)、t0‐t2＝25万時間−15万時間＝10万時間)で求められる。（図４参照）
【００２５】
【実施例３】
実施例２と同様に、あらかじめφ―ｄε/ｄφマスターカーブを求めておく（図３）。
【００２６】
また、あらかじめ、組織、硬さと各温度、応力における転位密度と転位の移動速度とを関連づけておく。転位密度は、実測することも可能であるし、応力急変試験等により求めることも可能である。応力急変試験から転位密度を求める場合、転位の易動度の値が必要であるが、理論解の導出や、実測した転位密度とクリープひずみ速度の関係から逆算が可能である。（例えば、丸山公一、中島英治：高温強度の材料科学 第５６頁１９９７年内田老鶴圃発行）
次に、評価部の評価時点ｔでのクリープひずみ速度を評価部の使用温度、使用応力、組織、硬さ、の情報から、転位の移動速度ｖとその密度ρを求め、クリープひずみ速度ｄε/ｄtを、ｄε/ｄt＝Aρｂｖ（A：定数、ｂ：バーガースベクトルの大きさ）から算出する。そのクリープひずみ速度ｄε/ｄtと全寿命t0の積（t0×ｄε/ｄt）が、φ―ｄε/ｄφマスターカーブ（図３）に載る全寿命t0をトライアンドエラーで求める。例えば、評価時点ｔを10万時間、使用温度、使用応力、組織、硬さ、の情報から推定したクリープひずみ速度を10-6とすると、φ―ｄε/ｄφマスターカーブに載る全寿命t0が例えば20万時間となった。これにより、ｔ（10万時間）時点での寿命消費率はt/t0 (=10万時間/20万時間＝0.5)となり、ｔ時点での余寿命はそれぞれt0‐t(=20万時間−10万時間=10万時間)で求められる。（図５（ａ）参照）。
【００２７】
上記評価方法における評価材の使用温度が未知の場合でも、新材のクリープ破断強度曲線（応力と時間−温度パラメータの関係（図５（ｄ）参照）を用いれば、全寿命は温度をパラメータとして関係づけられ、φ―ｄε/ｄφマスターカーブ（図３）に載る温度を求めることで全寿命t0を求めることができる。この場合、全寿命t0= 10((LMP/T)-20 ）で表される。ここで、LMP：T(20+log t0) =aσ2+bσ＋ｃ（T:使用温度（K）、t0：温度T，使用応力における新材の破断時間、a、b、c:定数）である（LMP：ラーソンミラーパラメータ）。
【００２８】
ここで、使用応力4kg/mm2でのLMPは新材のクリープ破断強度曲線（LMP=aσ2+bσ＋ｃ）（図５（ｄ））から21000となったとする。全寿命t0はt0=10（（ 21000/T ） -20 ）となり、温度を変化させることで、図５（ｂ）のようにφ―ｄε/ｄφマスターカーブに載る温度が例えば833Kとなった。これにより、全寿命t0はt0=10（（ 21000/833 ） -20 ）=162000時間と計算され、評価時点ｔ（10万時間）における寿命消費率（t/t0）は0.62となり、評価時点ｔにおける余寿命はそれぞれt0‐t（62000時間）で求められる（図５（ｂ）参照）
一方、上記評価方法における評価部の使用応力が未知の場合でも、新材のクリープ破断強度曲線（LMP=aσ2+bσ＋ｃ）（応力と時間−温度パラメータの関係（図５（ｄ））を用いれば、全寿命は応力σをパラメータとして関係づけられ、全寿命t0=10(LMP/T)-20 ）＝10((a σ 2+b σ＋ｃ )/T)-20 ）で表される。使用温度は既知なので応力を変化させ、φ―ｄε/ｄφマスターカーブに載る応力を求めることで全寿命t0を求めることができる。例えば、使用温度833Kの時の全寿命t0はt0=10（ ( （ a σ 2+b σ＋ｃ） /833)-20 ）となり、応力を変化させることで、図５（ｃ）のようにφ―ｄε/ｄφマスターカーブに載る応力が例えば4kg/mm2となった。応力4kg/mm2での全寿命t0はt0=10（ ( （ a σ 2+b σ＋ｃ） /833)-20 ）となり例えば162000時間となり、評価時点ｔ（10万時間）における寿命消費率はt/t0は0.62となり、評価時点ｔにおける余寿命はそれぞれt0‐t（62000時間）で求められる（図５（ｃ））
【００２９】
【実施例４】
実施例２及び実施例３と同様に、あらかじめφ―ｄε/ｄφマスターカーブを求めておく（図３）。
【００３０】
次に、評価材のクリープ試験を実施し、寿命消費率φにおける寿命消費率の変化に対するクリープひずみの変化率ｄε/ｄφは、その寿命消費率における評価材のクリープひずみ速度(ｄε/ｄt )と評価材の新材状態の同一クリープ条件でのクリープ破断時間ｔ0との積で表されることを利用し、評価材のクリープ試験から遷移クリープ後のクリープひずみ速度ｄε/ｄt を測定し，評価材の新材状態時の同一クリープ試験条件でのクリープ破断時間に適当なto値を設定し、φ―ｄε/ｄφマスターカーブに載る評価材のクリープ破断時間trをトライアンドエラーで求める。
【００３１】
例えば、JIS：STBA28新材を試験温度665℃，応力8kg/mm2でクリープ試験し、それぞれ寿命消費率▲１▼27％，▲２▼58％，▲３▼92%の予損傷を与えたものを評価材とし、690℃応力8kg/mm2でクリープ試験を実施した場合の評価材のクリープひずみ速度からφ―ｄε/ｄφマスターカーブに載るクリープ破断時間trを求めた。その予測結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
評価材のクリープ破断時間をクリープ破断試験時間の20％〜40％の時間で予測でき、予測結果は実際のクリープ破断時間とよく一致している(図６)。予測値の幅は新材状態の同クリープ条件でのクリープ破断時間ｔ0の設定を60時間から500時間まで変えたときの予測値の変化幅であり、設定値にあまり依存しない。
【００３４】
【実施例５】
実施例２〜実施例４と同様に、あらかじめφ―ｄε/ｄφマスターカーブを求めておく（図３）。
【００３５】
実施例４と同様に、評価材のクリープ試験を実施し，寿命消費率φにおける寿命消費率の変化に対するクリープひずみの変化率ｄε/ｄφは、その寿命消費率における評価材のクリープひずみ速度(ｄε/ｄt )と評価材の新材状態の同一クリープ条件でのクリープ破断時間ｔ0との積で表されることを利用し、評価材のクリープ試験から遷移クリープ後のクリープひずみ速度ｄε/ｄt を測定し、評価材の新材状態時の同一クリープ試験条件でのクリープ破断時間ｔ0に新材の同一クリープ試験条件でのクリープ破断試験時間の値を設定し、寿命消費率φはφ＝(ｔ0―tr)/ｔ0、ｄε/ｄφはｄε/ｄφ＝ｔ0(ｄε/ｄt )であるから、φ―ｄε/ｄφマスターカーブに載る評価材のクリープ破断時間trを評価材のクリープ試験から得られた遷移クリープ後のクリープひずみ速度ｄε/ｄt から推定したものである。φ―ｄε/ｄφマスターカーブに載る評価材のクリープ破断時間trをトライアンドエラーで求めることにより寿命消費率φ＝(ｔ0 −tr)/ｔ0 ，及び余寿命ｔ((1/φ)-1) が求められる。
【００３６】
なお、新材の同一クリープ試験条件でのクリープ破断時間ｔ0は，公表されているクリープ破断データを用いるか，あるいは実際に新材をクリープ破断試験し求めることができる。これにより、精度の高い余寿命、寿命消費率を求めることができる。
【００３７】
例えば、JIS：STBA28新材を試験温度665℃、応力8kg/mm2でクリープ試験し、それぞれ寿命消費率▲１▼27％，▲２▼58％，▲３▼92%の予損傷を与えたものを評価材とし，690℃応力8kg/mm2でクリープ試験を実施した場合の評価材のクリープひずみ速度から寿命消費率及び余寿命を評価した結果を表１に示す。
【００３８】
ここで、新材状態の690℃応力8kg/mm2でのクリープ破断時間ｔ0を実際にクリープ破断試験によって求めておき、その値133時間とその約倍の240時間、約1/2の60時間及び500時間の4ケースで設定した。寿命消費率φはφ＝(ｔ0―tr)/ｔ0であり、φはtrによって変化する。一方、ｄε/ｄφはｄε/ｄφ＝ｔ0(ｄε/ｄt )であり、ｄε/ｄtは予損傷材を690℃応力8kg/mm2でクリープ試験することにより求められることから φ―ｄε/ｄφマスターカーブに載る評価材のクリープ破断時間trが推定できる。
【００３９】
これより、寿命消費率φ＝(ｔ0 −tr)/ｔ0 及び余寿命ｔ((1/φ)-1) が求められる。
【００４０】
図７は、実際の寿命消費率と予測した寿命消費率とを比較したものであるが、新材のクリープ破断時間133時間を用いることで寿命消費率が精度よく予測できている。
【００４１】
以上、各実施例を説明したが、クリープ試験でクリープひずみ速度が求められるのと同様に、スモールパンチクリープ試験でもクリープひずみ速度あるいは変位速度が求められることから、スモールパンチクリープ試験でも本発明を適用できる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、寿命消費率とクリープひずみの変化率の関係あるいは寿命消費率と寿命消費率の変化に対するクリープひずみの変化率との関係を利用することで、評価材のクリープひずみ速度さえわかれば寿命消費率の後半に余寿命評価精度の高い余寿命評価を可能とする。
【００４３】
また、あるインターバルで評価材の寸法変化を測定するだけで寿命消費率の後半に余寿命評価精度の高い余寿命評価を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 寿命消費率とクリープひずみの関係のマスターカーブの一例
【図２】 図１に示すマスターカーブから余寿命を評価する模式図
【図３】 寿命消費率と寿命消費率の変化に対するクリープひずみの変化率との関係のマスターカーブの一例
【図４】 図３に示すマスターカーブから余寿命を評価する模式図
【図５】 クリープひずみ速度を、評価材の使用温度、使用応力、組織及び硬さの情報から算出して余寿命を評価する模式図で、同図（ａ）は使用温度、使用応力が既知の場合、同図（ｂ）は使用温度が未知の場合、同図（ｃ）は使用応力が未知の場合の模式図であり、同図（ｄ）はクリープ破断強度曲線の模式図
【図６】 クリープ試験途中のクリープひずみ速度を利用したクリープ破断時間予測結果を示す図
【図７】 クリープ試験途中のクリープひずみ速度による寿命消費率予測結果を示す図[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a creep remaining life evaluation method for a metal material, and more particularly relates to a remaining life evaluation method for a metal material using a creep strain rate.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a creep remaining life evaluation method, an evaluation method based on a structural change or a hardness change has been proposed and put into practical use, but these evaluation factors greatly change in the first half of the life consumption rate. However, when it reaches the second half of the lifetime consumption rate, there is a problem that there is little change and the remaining life evaluation accuracy in the second half of the lifetime consumption rate is low (Introductory Lecture “Preventive maintenance and remaining life diagnosis of power generation facilities”: Thermal Power Generation Vol. .. 51 No.523 P104).
[0003]
In addition, creep strain is a creep phenomenon itself, and it is effective as an index to improve the remaining life evaluation accuracy because the change is remarkable in the latter half of the lifetime consumption rate, but initial dimension data is necessary for measuring creep strain. On the other hand, there is a problem that initial dimension data cannot be obtained.
[0004]
As the creep remaining life evaluation method, the remaining life evaluation by creep rupture test is considered to be the most accurate method, but the test takes several thousand hours, and it takes time to obtain the remaining life evaluation result. It takes. In addition, since the creep rupture test is performed under conditions where the actual machine temperature and stress conditions are accelerated, extrapolation of test stress, temperature to actual machine stress, temperature, and conversion of creep rupture time to actual machine temperature using temperature-time parameters However, the extrapolation method and the value of the conversion factor have a great influence on the estimation of the actual machine breakage time, and there is a problem in the reliability of the estimated value.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above-described problems, the present invention focuses on the creep strain rate, and an object thereof is to provide a method for evaluating the remaining life of a metal material having high remaining life evaluation accuracy even in the latter half of the life consumption rate.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention utilizes the fact that the relationship between the life consumption rate φ and the creep strain ε is almost the same regardless of the creep test temperature and stress from the creep test result, and the relationship between the life consumption rate φ and the creep strain ε in advance. The slope of the change in creep strain (Δε / Δφ) between the life consumption rate at a certain evaluation point of the evaluation material and the life consumption rate at the subsequent evaluation point of the evaluation material is determined on the master curve. It is characterized in that the total lifetime that matches the gradient is obtained, and the remaining lifetime at the time of evaluation is obtained.
[0007]
Thus, as long as the average creep strain rate Δε / Δφ between the evaluation points and the use time t at the evaluation point are known, the change in the slope dε / dφ of the master curve of the relationship between the life consumption rate φ and the creep strain ε is noticed. Obtaining the total life t 0 of the evaluation material that coincides with the gradient dε / dφ, and obtaining the life consumption rate φ (φ = t / t 0 ) and the remaining life tr (tr = t 0 -t) at the time of evaluation. it can.
[0008]
In the present invention, the relationship between the life consumption rate φ and the change rate of the creep strain ε with respect to the change in the life consumption rate φ is substantially the same regardless of the creep test temperature and stress. The relationship between the consumption rate φ and the creep strain ε is obtained, the master curve of the relationship between the change rate of the creep strain ε (dε / dφ) with respect to the change in the life consumption rate φ and the life consumption rate φ is obtained, and the evaluation material is evaluated. From the creep strain rate at the time (dε / dt), the total life as it is placed on the master curve is obtained, and the remaining life at the time of evaluation is obtained.
[0009]
Further, the creep strain rate (dε / dt) at the time of evaluation of the evaluation material is calculated from information on the use temperature, use stress, structure and hardness of the evaluation material, and from the calculated creep strain rate (dε / dt). It is also possible to obtain the total life as placed on the master curve and obtain the remaining life at the time of evaluation. In this case, the service temperature of the evaluation material is related to the service temperature and the total life using the creep rupture strength curve of the new material, the temperature as found on the master curve is determined, and the remaining life at the time of evaluation is determined. It is also possible to use the stress of the evaluation material by using the creep rupture strength curve of the new material to correlate the service stress with the total life, and obtain the stress that is placed on the master curve, and calculate the remaining life at the time of evaluation. You can ask for it.
[0010]
Thus, as long as the creep strain rate dε / dt at the time of evaluation and the use time t until the time of evaluation are known, the master curve of the relationship between the life consumption rate φ and the creep strain change rate dε / dφ with respect to the change in the life consumption rate Can be used to obtain the total life of the evaluation material placed on the master curve and obtain the life consumption rate and the remaining life at the time of evaluation.
[0011]
Here, the change rate dε / dφ of the creep strain ε with respect to the change in the life consumption rate φ is dε / dφ = dε / (dt / t 0 ) = t 0 (dε / dt), and the total life (t 0 ) It is the product of creep strain rate (dε / dt).
[0012]
Further, in the present invention, the relationship between the life consumption rate φ and the creep strain ε is obtained in advance, and a master curve of the relationship between the life consumption rate φ and the creep strain change rate (dε / dφ) with respect to the change in the life consumption rate φ is obtained. From the creep strain rate (dε / dt) measured in the creep test of the evaluation material and the creep rupture time of the new material arbitrarily set, the creep rupture time of the evaluation material placed on the master curve It can be obtained with high accuracy in the middle of the fracture test, and the test time can be shortened.
[0013]
In addition, if the creep rupture time of the new material to be set is obtained in advance from the creep rupture test of the new material or is obtained using the creep rupture strength curve of the new material, the life consumption rate can be obtained accurately. .
[0014]
As a result, as long as the usage time up to the evaluation time and the creep strain rate during the creep test of the evaluation material are known, the master of the relationship between the life consumption rate φ and the creep strain change rate (dε / dφ) with respect to the change in the life consumption rate. Using the curve, the creep rupture time of the evaluation material is obtained from the point on the master curve, and the remaining life of the evaluation material can be predicted in a short time.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
[0016]
[Example 1]
The relationship between the life consumption rate φ and creep strain ε is the same regardless of the stress and temperature, for example, as a result of conducting a uniaxial tensile creep test of JISSTBA28 material within a stress range of 10 kg / mm 2 or less that can be used with actual equipment. Therefore, a master curve of the relationship between the life consumption rate φ and the creep strain ε is obtained in advance. An example of this master curve is shown in FIG.
[0017]
In actual machines, the evaluation material is often in the form of a cylinder loaded with internal pressure. In this case, the life consumption rate-creep strain curve obtained from the uniaxial creep test is expressed by a known theoretical formula (for example, flat, Otani: Using the theory of high-temperature strength of materials (page 142, published by 1980 Ohm)), or using the one converted into the relationship between the change in life consumption rate and outer diameter, or actually conducting the internal pressure creep test, the life consumption rate-creep strain A curve can be determined and used as a master curve.
[0018]
Here, the dimension L 1 (502 mm) measured at a certain evaluation time t 1 (100,000 hours) and the dimension L 2 (measured at t 2 (150,000 hours) at the evaluation time after a certain interval ΔT (50,000 hours). change [Delta] [epsilon] of creep strain between t 1 -t 2 the difference of 505 mm) is, t 1, t respectively epsilon 1 creep strain at two time points, when epsilon 2, a Δε = ε 2 -ε 1.
[0019]
The initial dimensions When L 0 (500 mm) Creep strain epsilon 1 at time point t 1 is ε 1 = ln (L 1 / L 0) = ln (502/500)
It is expressed. Similarly, the creep strain ε 2 at time t 2 is ε 2 = ln (L 2 / L 0 ) = ln (505/500)
Therefore, the creep strain change Δε between t 1 and t 2 is Δε = ln (L 2 / L 1 ) = ln (505/502) = 0.00596
Thus, even if there is no initial dimension value, a creep strain change Δε can be obtained.
[0020]
The life consumption rate of time point t 1 from Δε φ 1 (= t 1 /
[0021]
[Example 2]
The relationship between the life consumption rate φ and the change rate dε / dφ of the creep strain ε to the change in the life consumption rate φ is, for example, a stress of 10 kg / mm 2 or less that can be used in a uniaxial tensile creep test of JISSTBA28 As a result of performing in the range, the values agree with each other regardless of the stress and temperature. Therefore, a master curve (hereinafter referred to as “φ−”) of the relationship between the life consumption rate φ and the change rate dε / dφ of the creep strain ε with respect to the change of the life consumption rate φ in advance. (referred to as “dε / dφ master curve”). An example of this φ-dε / dφ master curve is shown in FIG.
[0022]
Here, the change rate dε / dφ of the creep strain ε with respect to the change in the life consumption rate φ is dε / dφ = dε / (dt / t 0 ) = t 0 (dε / dt).
And expressed by the product of the total lifetime t 0 and the creep strain rate dε / dt.
[0023]
In actual machines, the evaluation material is often in the form of a cylinder loaded with internal pressure. In this case, the life consumption rate φ-creep strain ε curve obtained from the uniaxial creep test is calculated using a known theoretical formula. A φ-dε / dφ master curve can be obtained by converting to the relationship between the life consumption rate φ and the change in outer diameter or by actually conducting an internal pressure creep test to obtain a life consumption rate-creep strain curve.
[0024]
Next, the dimensions of the evaluation material are measured at an evaluation time point t 1 (100,000 hours) and an evaluation time point t 2 (150,000 hours) after an interval, and t 1 (100,000 hours) and t 2 (150,000 hours). ) Average creep strain rate dε / dt during the same period as in Example 1 was obtained. Lifetime consumption at the intermediate time (125,000 hours) between t 1 (100,000 hours) and t 2 (150,000 hours) Product of the average creep strain rate dε / dt (0.00596 / 50,000 hours) between the rate (125,000 hours / t 0 ), t 1 (100,000 hours) and t 2 (150,000 hours) and the total lifetime t 0 (t 0 × 0.00596 / 50,000 hours) is obtained by a trial and error for the total life t 0 on the φ-dε / dφ master curve (FIG. 3). When the total lifetime t 0 is obtained, for example, when the total lifetime t 0 = 250,000 hours, the lifetime consumption rate at the time t 1 (100,000 hours) and the time t 2 (150,000 hours) is t 1 / t 0 (= 100,000 hours / 250,000 hours = 0.4), t 2 / t 0 (= 150,000 hours / 250,000 hours = 0.6), and the remaining life at time t 1 and time t 2 is t 0 − t 1 (= 250,000 hours−100,000 hours = 150,000 hours), t 0 −t 2 = 250,000 hours−150,000 hours = 100,000 hours). (See Figure 4)
[0025]
[Example 3]
As in Example 2, a φ-dε / dφ master curve is obtained in advance (FIG. 3).
[0026]
In addition, the dislocation density at each temperature and stress and the moving speed of dislocations are associated in advance. The dislocation density can be actually measured, or can be obtained by a stress sudden change test or the like. When obtaining the dislocation density from the stress sudden change test, the value of dislocation mobility is required, but a reverse calculation is possible from the derivation of the theoretical solution and the relationship between the measured dislocation density and the creep strain rate. (For example, Koichi Maruyama, Eiji Nakajima: Material Science of High Temperature Strength, page 56, 1997, published by Uchida Otsukuru)
Next, the creep strain rate at the evaluation time t of the evaluation part is obtained from the information on the use temperature, use stress, structure, and hardness of the evaluation part, and the moving speed v of the dislocation and its density ρ are obtained, and the creep strain rate dε / dt is calculated from dε / dt = Aρbv (A: constant, b: size of Burgers vector). Its creep strain rate d? / Dt and the product of the entire lifetime t 0 (t 0 × d? / Dt) is to determine the total lifetime t 0 which rests phi-d? / D.phi master curve (FIG. 3) by trial and error. For example, if the evaluation time point t is 100,000 hours, and the creep strain rate estimated from the information of operating temperature, operating stress, structure and hardness is 10 −6 , the total lifetime t 0 on the φ-dε / dφ master curve is For example, it was 200,000 hours. As a result, the lifetime consumption rate at time t (100,000 hours) is t / t 0 (= 100,000 hours / 200,000 hours = 0.5), and the remaining lives at time t are t 0 −t (= 200,000 hours). Time-100,000 hours = 100,000 hours). (See FIG. 5 (a)).
[0027]
Even when the operating temperature of the evaluation material in the above evaluation method is unknown, if the creep rupture strength curve of the new material (relationship between stress and time-temperature parameter (see FIG. 5D)) is used, the total lifetime is determined using the temperature as a parameter. The total lifetime t 0 can be determined by determining the temperature on the φ-dε / dφ master curve (Fig. 3), in which case the total lifetime t 0 = 10 ((LMP / T) -20 ) Where LMP: T (20 + log t 0 ) = aσ2 + bσ + c (T: operating temperature (K), t0: temperature T, breaking time of new material at operating stress, a, b, c : Constant) (LMP: Larson Miller parameter).
[0028]
Here, it is assumed that the LMP at a working stress of 4 kg / mm 2 is 21000 from the creep rupture strength curve (LMP = aσ2 + bσ + c) of the new material (FIG. 5 (d)). The total lifetime t0 is t0 = 10 (( 21000 / T ) -20 ) . By changing the temperature, the temperature on the φ-dε / dφ master curve becomes 833K, for example, as shown in FIG. 5B. Thus, the total lifetime t 0 is calculated as t 0 = 10 (( 21000/833 ) −20 ) = 162000 hours, and the lifetime consumption rate (t / t 0 ) at the evaluation time point t (100,000 hours) is 0.62. The remaining lifetimes at the evaluation time t are obtained by t 0 -t (62000 hours), respectively (see FIG. 5B).
On the other hand, even when the stress used in the evaluation part in the above evaluation method is unknown, the creep rupture strength curve (LMP = aσ2 + bσ + c) of the new material (relationship between stress and time-temperature parameter (FIG. 5 (d)) is used. The total life is related by using the stress σ as a parameter, and is expressed by the total life t0 = 10 (LMP / T) −20 ) = 10 (( aσ2 + bσ + c ) / T) −20 ) . Since the operating temperature is known, the total life t 0 can be obtained by changing the stress and obtaining the stress on the φ-dε / dφ master curve. For example, the total lifetime t 0 at a use temperature of 833 K is t 0 = 10 ( ( ( a σ 2 + b σ + c) / 833) -20 ) . By changing the stress, as shown in FIG. The stress placed on the φ-dε / dφ master curve was 4 kg / mm 2 , for example. All life t 0 at a stress 4 kg / mm 2 is t 0 = 10 (((a σ 2 + b σ + c) / 833) -20) and be for example, a 162,000 hour life consumption rate at the time of evaluation t (10 thousand hours) T / t 0 is 0.62, and the remaining lifetimes at the evaluation time t are obtained by t 0 -t (62000 hours), respectively (FIG. 5 (c)).
[0029]
[Example 4]
Similar to the second and third embodiments, a φ-dε / dφ master curve is obtained in advance (FIG. 3).
[0030]
Next, a creep test of the evaluation material is performed, and the creep strain change rate dε / dφ with respect to the change in the life consumption rate at the life consumption rate φ is the creep strain rate (dε / dt) of the evaluation material at the life consumption rate. The creep strain rate dε / dt after transition creep is measured from the creep test of the evaluation material by using the product expressed by the product of the creep rupture time t 0 under the same creep condition of the new material state of the evaluation material, and evaluated. An appropriate to value is set for the creep rupture time under the same creep test conditions when the material is in a new material state, and the creep rupture time tr of the evaluation material placed on the φ-dε / dφ master curve is obtained by trial and error.
[0031]
For example, a JIS: STBA28 new material was subjected to a creep test at a test temperature of 665 ° C and a stress of 8kg / mm 2 , and pre-damaged with life consumption rates of (1) 27%, (2) 58%, and (3) 92%, respectively. The creep rupture time tr placed on the φ-dε / dφ master curve was obtained from the creep strain rate of the evaluation material when the creep test was carried out under the stress of 8 kg / mm 2 at 690 ° C. with the material as the evaluation material. The prediction results are shown in Table 1.
[0032]
[Table 1]
[0033]
The creep rupture time of the evaluation material can be predicted with a time of 20% to 40% of the creep rupture test time, and the prediction result is in good agreement with the actual creep rupture time (FIG. 6). The range of the predicted value is the range of change in the predicted value when the setting of the creep rupture time t 0 under the same creep condition in the new material state is changed from 60 hours to 500 hours, and does not depend much on the set value.
[0034]
[Example 5]
In the same manner as in Examples 2 to 4, a φ-dε / dφ master curve is obtained in advance (FIG. 3).
[0035]
In the same manner as in Example 4, the creep test of the evaluation material is performed, and the creep strain change rate dε / dφ with respect to the change in the life consumption rate at the life consumption rate φ is the creep strain rate (dε) of the evaluation material at the life consumption rate. / dt) and the creep rupture time t 0 under the same creep condition in the new material state of the evaluated material, the creep strain rate dε / dt after transition creep from the creep test of the evaluated material is calculated. The value of the creep rupture test time under the same creep test condition of the new material is set as the creep rupture time t 0 under the same creep test condition when the evaluation material is in the new material state, and the life consumption rate φ is φ = ( Since t 0 -tr) / t 0 and dε / dφ are dε / dφ = t 0 (dε / dt), the creep rupture time tr of the evaluation material placed on the φ-dε / dφ master curve is determined as the creep test of the evaluation material. Creep creep after transition creep obtained from This is estimated from the shear rate dε / dt. By determining the creep rupture time tr of the evaluation material placed on the φ-dε / dφ master curve by trial and error, the life consumption rate φ = (t 0 −tr) / t 0 and the remaining life t ((1 / φ) − 1) is required.
[0036]
The creep rupture time t 0 of the new material under the same creep test conditions can be obtained by using the published creep rupture data or by actually performing a creep rupture test on the new material. As a result, a highly accurate remaining life and life consumption rate can be obtained.
[0037]
For example, a JIS: STBA28 new material was subjected to a creep test at a test temperature of 665 ° C and a stress of 8 kg / mm 2 , and pre-damaged with life consumption rates of (1) 27%, (2) 58%, and (3) 92%, respectively. Table 1 shows the results of evaluating the life consumption rate and the remaining life from the creep strain rate of the evaluation material when a creep test was conducted at 690 ° C stress 8 kg / mm 2 with the material as the evaluation material.
[0038]
Here, the creep rupture time t 0 at a new material state of 690 ° C. stress of 8 kg / mm 2 was actually obtained by a creep rupture test, and its value was 133 hours, approximately twice that value, 240 hours, approximately 1/2 of 60 Set for 4 cases of time and 500 hours. The lifetime consumption rate φ is φ = (t 0 −tr) / t 0 , and φ varies with tr. On the other hand, dε / dφ is dε / dφ = t 0 (dε / dt), and dε / dt is obtained by performing a creep test on a pre-damaged material at a stress of 8 kg / mm 2 at 690 ° C. Therefore, φ−dε / dφ The creep rupture time tr of the evaluation material placed on the master curve can be estimated.
[0039]
From this, the life consumption rate φ = (t 0 −tr) / t 0 and the remaining life t ((1 / φ) −1) are obtained.
[0040]
FIG. 7 shows a comparison between the actual life consumption rate and the predicted life consumption rate. By using the creep rupture time of 133 hours for the new material, the life consumption rate can be accurately predicted.
[0041]
Each example has been described above, but the creep strain rate or the displacement rate is also obtained in the small punch creep test as well as the creep strain rate in the creep test. Therefore, the present invention is applied in the small punch creep test. it can.
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, the creep strain rate of the evaluation material can be obtained by utilizing the relationship between the life consumption rate and the change rate of the creep strain or the relationship between the life consumption rate and the change rate of the creep strain with respect to the change in the life consumption rate. For example, the remaining life evaluation with high remaining life evaluation accuracy can be performed in the latter half of the life consumption rate.
[0043]
In addition, it is possible to perform a remaining life evaluation with a high remaining life evaluation accuracy in the latter half of the life consumption rate only by measuring the dimensional change of the evaluation material at a certain interval.
[Brief description of the drawings]
[Fig. 1] Example of master curve of relationship between life consumption rate and creep strain [Fig. 2] Schematic diagram for evaluating remaining life from master curve shown in FIG. 1 [Fig. 3] Creep with respect to changes in life consumption rate and life consumption rate Example of master curve in relation to strain change rate [Fig.4] Schematic diagram for evaluating remaining life from master curve shown in Fig.3 [Fig.5] Creep strain rate, operating temperature, stress, structure and evaluation material FIG. 6A is a schematic diagram for evaluating the remaining life by calculating from the hardness information. FIG. 10A shows a case where the use temperature and use stress are known, and FIG. ) Is a schematic diagram when the operating stress is unknown, and FIG. 6D is a schematic diagram of a creep rupture strength curve. FIG. 6 is a diagram showing a prediction result of creep rupture time using a creep strain rate during the creep test. Fig. 7 Creep test Of life consumption rate prediction results based on creep strain rate
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