JP5410395B2 - Method and apparatus for evaluating crack growth rate of metallic material - Google Patents
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Description
本発明は、金属材料のき裂進展速度評価方法および装置に関し、特に、ガスタービン部品等を構成する金属材料のき裂進展速度評価方法および装置に関する。 The present invention relates to a crack growth rate evaluation method and apparatus for metal materials, and more particularly to a crack growth rate evaluation method and apparatus for metal materials constituting gas turbine components and the like.
ガスタービンや蒸気タービンの部品を構成する金属材料は、高い温度と応力に繰り返し曝されるため、疲労損傷を受ける場合があり、かかる損傷が進行するとき裂（クラック）が発生して進展する。多くの静止体部品は、き裂を許容しているが、き裂が過度に進展するとその部品が破壊に至るため、き裂の限界長さを規定する必要がある。 Since the metal materials constituting the components of gas turbines and steam turbines are repeatedly exposed to high temperatures and stresses, they may be subject to fatigue damage, and when such damage progresses, cracks occur and develop. Many stationary parts allow cracking, but if the crack grows excessively, the part will break, so it is necessary to define the limit length of the crack.
き裂が発生してから限界長さに至るまでの熱サイクル数を推定する上で、き裂進展速度は極めて重要である。このき裂進展速度は、き裂先端の応力状態を示す応力拡大係数に依存することが知られている。応力拡大係数は、部品の形状と部品が曝される温度環境および応力が分かれば、有限要素法による計算によって算出され得る。 The crack growth rate is extremely important in estimating the number of thermal cycles from crack initiation to the critical length. It is known that this crack growth rate depends on a stress intensity factor indicating the stress state at the crack tip. The stress intensity factor can be calculated by calculation using the finite element method if the shape of the part and the temperature environment and stress to which the part is exposed are known.
したがって、き裂進展試験を行うことにより応力拡大係数とき裂進展速度との関係を予め調査しておけば、破壊試験やレプリカを用いた調査においてき裂の長さや形状を評価して有限要素法によって応力拡大係数を求めることにより、き劣進展速度を評価することが可能である。 Therefore, if the relationship between the stress intensity factor and the crack growth rate is investigated in advance by conducting a crack growth test, the length and shape of the crack are evaluated in a fracture test or investigation using a replica, and the finite element method is used. It is possible to evaluate the rate of inferior progress by obtaining the stress intensity factor.
しかし、ガスタービンや蒸気タービンにおける高温に曝される部品（以下、「高温部品」という。）は複雑な温度分布を示し、しかも、表面の酸化や肌荒れにより熱伝達係数が変化することから、これらの部品の温度分布の高精度な評価は困難である。また、熱応力は温度分布に由来することから、熱応力の高精度な評価も困難である。さらに、応力と温度の双方が高い部位ではクリープ変形により応力が緩和されるが、応力緩和現象は複雑であり、その高精度な予測は困難である。これらの理由から、有限要素法を用いて、高温部品の実環境におけるき劣進展速度を高精度に予測することは困難であるという問題があった。 However, parts exposed to high temperatures in gas turbines and steam turbines (hereinafter referred to as “hot parts”) exhibit a complex temperature distribution, and the heat transfer coefficient changes due to surface oxidation and rough skin. It is difficult to evaluate the temperature distribution of these parts with high accuracy. Further, since the thermal stress is derived from the temperature distribution, it is difficult to evaluate the thermal stress with high accuracy. Furthermore, although stress is relieved by creep deformation at a site where both stress and temperature are high, the stress relieving phenomenon is complicated, and its accurate prediction is difficult. For these reasons, there has been a problem that it is difficult to accurately predict the inferior progress rate in a real environment of high-temperature parts using the finite element method.
一方、金属材料の微小領域の損傷評価方法として、電子後方散乱回折像（ＥＢＳＰ：Electron Back-Scattering (diffraction) Pattern）法が知られている（例えば、特許文献１〜３等参照）。ＥＢＳＰ法は、試料に電子線を照射することで得られる菊池線を解析し、電子線を照射した部位の結晶の方向を示す結晶方位を解析する手法であり、多結晶材の結晶粒の方位解析に用いられてきた。電子線の照射は、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）を用いて行われるが、高分解能のＳＥＭを用いることにより結晶方位の微視的な分布を計測することが可能であるため、結晶方位のずれから、溶接後の残留応力、クリープ損傷および疲労損傷を評価する試みがなされている。 On the other hand, an electron back-scattering diffraction (EBSP: Electron Back-Scattering (diffraction) Pattern) method is known as a damage evaluation method for a minute region of a metal material (see, for example, Patent Documents 1 to 3). The EBSP method is a technique for analyzing a crystal orientation indicating a crystal direction of a portion irradiated with an electron beam by analyzing a Kikuchi line obtained by irradiating a sample with an electron beam. It has been used for analysis. Although electron beam irradiation is performed using a scanning electron microscope (SEM), since it is possible to measure a microscopic distribution of crystal orientation by using a high-resolution SEM, it is possible to prevent a deviation in crystal orientation. Attempts have been made to evaluate residual stress, creep damage and fatigue damage after welding.
しかしながら、上記従来のＥＢＳＰ法による分析を用いた技術は、クリープ損傷や疲労損傷の評価を対象としているが、き裂進展の評価については何ら考慮していない。このため当該技術は、上述した高温部品の実環境におけるき裂進展速度を高精度に予測することは困難であるという課題の解決を提供するものではない。 However, the technique using the analysis by the conventional EBSP method is intended for evaluation of creep damage and fatigue damage, but does not consider any evaluation of crack propagation. For this reason, this technique does not provide a solution to the problem that it is difficult to accurately predict the crack growth rate in the real environment of the high-temperature component described above.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、金属材料のき裂進展速度を高精度に評価し、ひいては余寿命を評価することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to evaluate the crack growth rate of a metal material with high accuracy and to evaluate the remaining life.
本発明者らは、き裂が発生した金属材料について詳細なＥＢＳＰ法による分析を実施し、上述の課題を解決する発明に至った。 The inventors of the present invention have conducted detailed analysis by EBSP method on a metal material in which a crack has occurred, and have arrived at an invention that solves the above-described problems.
すなわち、上記目的を達成すべく、本発明に係る金属材料のき裂進展速度評価方法は、金属材料の試料におけるき裂の先端を含む領域内の複数の測定点の結晶方位を電子後方散乱回折像法により測定する測定ステップと、各測定点の結晶方位のずれを示す方位差関数値を解析して前記試料の評価パラメータを得る解析ステップと、前記試料と同種の金属材料から形成され予めき裂進展試験を実施することによりき裂進展速度が既知の他の試料を用いて取得しておいた、き裂進展速度および評価パラメータの相関関係を参照することによって、前記解析ステップにおける解析の結果得られた前記試料の評価パラメータから、当該試料のき裂進展速度を評価する評価ステップと、を有することを特徴とする。 That is, in order to achieve the above object, the method for evaluating the crack growth rate of a metal material according to the present invention is based on the electron backscatter diffraction of crystal orientations at a plurality of measurement points in a region including a crack tip in a metal material sample. A measurement step of measuring by an imaging method, an analysis step of obtaining an evaluation parameter of the sample by analyzing a misorientation function value indicating a deviation in crystal orientation at each measurement point, and a preliminarily formed metal material of the same type as the sample. Results of analysis in the analysis step by referring to the correlation between crack growth rate and evaluation parameters obtained using another sample with known crack growth rate by performing a crack growth test An evaluation step for evaluating the crack growth rate of the sample from the obtained evaluation parameter of the sample.
また、上記目的を達成すべく、本発明に係る金属材料のき裂進展速度評価装置は、金属材料の試料におけるき裂の先端を含む領域内の複数の測定点の結晶方位を電子後方散乱回折像法により測定する測定手段と、各測定点の結晶方位のずれを示す方位差関数値を解析して前記試料の評価パラメータを得る解析手段と、前記試料と同種の金属材料から形成され予めき裂進展試験を実施することによりき裂進展速度が既知の他の試料を用いて取得しておいた、き裂進展速度および評価パラメータの相関関係を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶されている前記き裂進展速度および評価パラメータの相関関係を参照することによって、前記解析手段による解析の結果得られた前記試料の評価パラメータから、当該試料のき裂進展速度を評価する評価手段と、を有することを特徴とする。 In addition, in order to achieve the above object, the metal material crack growth rate evaluation apparatus according to the present invention determines the crystal orientation of a plurality of measurement points in a region including a crack tip in a metal material sample by electron backscatter diffraction. A measuring means for measuring by an imaging method, an analyzing means for obtaining an evaluation parameter of the sample by analyzing a misorientation function value indicating a deviation in crystal orientation at each measurement point, and a preliminarily formed metal material of the same type as the sample. Storage means for storing the correlation between the crack growth rate and the evaluation parameter, which has been obtained using another sample whose crack growth rate is known by performing a crack growth test, and stored in the storage unit The crack growth rate of the sample is evaluated from the evaluation parameter of the sample obtained as a result of the analysis by the analyzing means by referring to the correlation between the crack growth rate and the evaluation parameter. And having a evaluation unit.
本発明によれば、金属材料のき裂進展速度を高精度に評価し、ひいては余寿命を評価することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to evaluate the crack growth rate of a metal material with high accuracy, and thus to evaluate the remaining life.
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る金属材料のき裂進展速度評価装置１の概略構成を示すブロック図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a metal material crack growth rate evaluation apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.
図１に示すように、き裂進展速度評価装置１は、ＥＢＳＰ装置２と、情報処理装置３とを備えており、これらは相互に通信可能にケーブル４で接続されている。 As shown in FIG. 1, the crack growth rate evaluation device 1 includes an EBSP device 2 and an information processing device 3, which are connected by a cable 4 so that they can communicate with each other.
ＥＢＳＰ装置２は、金属材料の試料におけるき裂の先端を含む領域内の複数の測定点の結晶方位を電子後方散乱回折像（ＥＢＳＰ）法により測定する。このＥＢＳＰ装置２は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を備えて構成されており、試料の組織観察を行ったうえで、任意の視野について所定のステップ間隔で測定を行うことができる。測定の結果得られた結晶方位の情報は、情報処理装置３に送出される。 The EBSP apparatus 2 measures crystal orientations at a plurality of measurement points in a region including a crack tip in a metal material sample by an electron backscatter diffraction image (EBSP) method. The EBSP apparatus 2 includes a scanning electron microscope (SEM), and can perform measurement at a predetermined step interval for an arbitrary field of view after observing the structure of a sample. Information on the crystal orientation obtained as a result of the measurement is sent to the information processing device 3.
情報処理装置３は、データ処理部３１、記憶部３２、表示部３３、および入力装置３４を有している。情報処理装置３としては、例えば一般的なＰＣ（パーソナルコンピュータ）が使用され得る。 The information processing device 3 includes a data processing unit 31, a storage unit 32, a display unit 33, and an input device 34. As the information processing apparatus 3, for example, a general PC (personal computer) can be used.
データ処理部３１はＣＰＵを含んでおり、プログラムにしたがって上記各部の制御や各種の演算処理等を行う。本実施形態では、データ処理部３１は、ＥＢＳＰ装置２から受信した結晶方位の情報に基づいて、各測定点の結晶方位のずれを示す方位差関数値を解析して試料の評価パラメータを得る。 The data processing unit 31 includes a CPU, and controls the above-described units and performs various arithmetic processes according to a program. In the present embodiment, the data processing unit 31 analyzes the orientation difference function value indicating the crystal orientation deviation at each measurement point based on the crystal orientation information received from the EBSP device 2 to obtain the evaluation parameter of the sample.
また、データ処理部３１は、上記解析の対象と同種の金属材料から形成され予めき裂進展試験を実施することによりき裂進展速度が既知の他の試料を用いて取得しておいた、き裂進展速度および評価パラメータの相関関係を示すマスターカーブを参照することによって、上記解析の結果得られた試料の評価パラメータから、当該試料のき裂進展速度を演算する。ここで、き裂進展速度は、１サイクル当たりのき裂の進展長さであり、余寿命は、き裂の限界長さに至るまでの残された繰返し数（または時間）である。 In addition, the data processing unit 31 is made of a metal material that is the same kind as the object of the above analysis and has been acquired using another sample whose crack growth rate is known in advance by performing a crack growth test. By referring to the master curve indicating the correlation between the crack growth rate and the evaluation parameter, the crack growth rate of the sample is calculated from the evaluation parameter of the sample obtained as a result of the above analysis. Here, the crack growth rate is the length of crack growth per cycle, and the remaining life is the number of repetitions (or time) remaining until the limit length of the crack is reached.
記憶部３２は、予め各種プログラムやデータを格納しておくＲＯＭと、作業領域として一時的にプログラムやデータを記憶するＲＡＭと、各種プログラムやデータを格納し、さらにデータ処理により得られた結果等を保存するために使用されるハードディスクとを有している。本実施形態では、記憶部３２のハードディスクには、前述したマスターカーブのデータが保存される。 The storage unit 32 stores a ROM for storing various programs and data in advance, a RAM for temporarily storing the programs and data as a work area, various programs and data, and results obtained by data processing, etc. And a hard disk used to store the data. In the present embodiment, the master curve data described above is stored in the hard disk of the storage unit 32.
表示部３３は、ＬＣＤ等のディスプレイであり、データ処理部３１による演算結果等の各種の情報を表示する。入力装置３４は、キーボードやマウス等を含み、き裂進展速度評価に関する指令等の各種の入力を行うために使用される。 The display unit 33 is a display such as an LCD, and displays various types of information such as calculation results by the data processing unit 31. The input device 34 includes a keyboard, a mouse, and the like, and is used for performing various inputs such as a command related to crack growth rate evaluation.
図２は、本実施形態に係る金属材料のき裂進展速度評価方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートにしたがって、本実施形態についてさらに詳細に説明する。 FIG. 2 is a flowchart showing a procedure of a crack growth rate evaluation method for a metal material according to the present embodiment. The present embodiment will be described in further detail according to this flowchart.
ステップＳ１では、測定者が試料の準備を行う。すなわち、まず評価対象となる金属材料の試料が採取され、ＥＢＳＰ法による分析に適した表面状態となるように準備される。ここで、機械的研磨、電解研磨等の一般的な手法を用いることにより、ＥＢＳＰ法による分析用の試料を作成することが可能である。但し、その際には、試料準備によって生じ得る表面状態の差異（変化）を最小限にとどめるように、一定条件下で試料の作成を行うことが望ましい。 In step S1, the measurer prepares the sample. That is, a sample of a metal material to be evaluated is first collected and prepared so as to have a surface state suitable for analysis by the EBSP method. Here, a sample for analysis by the EBSP method can be prepared by using a general method such as mechanical polishing or electrolytic polishing. However, in that case, it is desirable to prepare the sample under a certain condition so as to minimize the difference (change) in the surface state that may be caused by the sample preparation.
ステップＳ２では、ＥＢＳＰ装置２が、試料におけるき裂の先端を含む領域内の複数の測定点の結晶方位をＥＢＳＰ法により測定する。すなわち、ＥＢＳＰ装置２により試料の測定が実施され、これによって、試料の結晶方位差や結晶粒径の解析に必要な結晶方位の情報が採取される。 In step S2, the EBSP apparatus 2 measures the crystal orientations at a plurality of measurement points in the region including the crack tip in the sample by the EBSP method. That is, measurement of a sample is performed by the EBSP apparatus 2, and thereby information on crystal orientation necessary for analysis of the crystal orientation difference and crystal grain size of the sample is collected.
ステップＳ３では、情報処理装置３が、各測定点の結晶方位のずれを示す方位差関数値を解析して、試料の評価パラメータを算出する。ここでは具体的には、方位差関数値の平均値（以下、「平均方位差関数値」という。）が評価パラメータとして得られる。このようにすれば、き裂進展速度との相関関係をより明りょうにすることができる。方位差関数値の解析は、ＥＢＳＰ法による測定によって得られた結晶方位の情報に基づいて行われる。 In step S <b> 3, the information processing apparatus 3 analyzes the orientation difference function value indicating the crystal orientation shift at each measurement point, and calculates the evaluation parameter of the sample. Specifically, an average value of the azimuth difference function values (hereinafter referred to as “average azimuth difference function value”) is obtained as an evaluation parameter. In this way, the correlation with the crack growth rate can be made clearer. The analysis of the orientation difference function value is performed based on the crystal orientation information obtained by the measurement by the EBSP method.
本実施形態では、基準の測定点に対する各測定点の結晶方位差で定義されるＯＤ（Orientation Distribution）の方位差関数値が用いられる。但し、任意の測定点における隣接測定点との結晶方位差の平均値で定義されるＫＡＭ（Karnel Average Misorientation）の方位差関数値、あるいは結晶粒における隣接測定点間の方位差の平均値で定義されるＧＡＭ（Grain Average Misorientation）の方位差関数値が用いられてもよい。方位差関数値は、結晶方位のずれを示すものであって、ミスオリエンテーションとも称され、一般に角度（deg.）で表される。 In this embodiment, an OD (Orientation Distribution) orientation difference function value defined by a crystal orientation difference at each measurement point with respect to a reference measurement point is used. However, it is defined by an orientation difference function value of KAM (Karnel Average Misorientation) defined by the average value of crystal orientation difference between adjacent measurement points at an arbitrary measurement point or an average value of orientation difference between adjacent measurement points in crystal grains. A GAM (Grain Average Misorientation) orientation difference function value may be used. The orientation difference function value indicates a deviation in crystal orientation and is also referred to as misorientation, and is generally represented by an angle (deg.).
図３（ａ）は、ＯＤの方位差関数値を説明するための模式図、図３（ｂ）はＫＡＭ、ＧＡＭの方位差関数値を説明するための模式図である。図３（ａ）において、ＯＤの方位差関数値の演算に用いられる基準の測定点を符号「Ａ」で示し、基準の測定点Ａに対する各測定点の結晶方位差で定義されるＯＤの方位差関数値を矢印で示す。一方、ＫＡＭ、ＧＡＭの方位差関数値を演算する際には、基準の測定点は存在せず、具体的には図３（ｂ）に示すように、或る測定点の方位差関数値は隣接する６つの測定点との結晶方位差の平均値で与えられる。 FIG. 3A is a schematic diagram for explaining the azimuth difference function value of OD, and FIG. 3B is a schematic diagram for explaining the azimuth difference function value of KAM and GAM. In FIG. 3 (a), the reference measurement point used for the calculation of the OD orientation difference function value is indicated by the symbol "A", and the OD orientation defined by the crystal orientation difference of each measurement point with respect to the reference measurement point A The difference function value is indicated by an arrow. On the other hand, when calculating the azimuth difference function values of KAM and GAM, there is no reference measurement point. Specifically, as shown in FIG. 3B, the azimuth difference function value at a certain measurement point is It is given by the average value of the crystal orientation difference between 6 adjacent measurement points.
上述したOD、ＫＡＭ、およびＧＡＭのいずれの方位差関数値を用いても、各測定点に対して値が決まる。しかし、ＫＡＭやＧＡＭの方位差関数値は、隣接測定点との結晶方位差の平均値で定義されるため、空間上での測定するステップ間隔によって値が大きく変化してしまう。このため、例えば二つの分析結果同士を比較する場合には、同じ測定ステップ間隔を適用する必要があり、実際にき裂進展速度評価を行う際に、分析範囲や分析時間が制約される。 Whichever OD difference function value of OD, KAM, and GAM is used, the value is determined for each measurement point. However, since the orientation difference function value of KAM or GAM is defined by the average value of the crystal orientation difference between adjacent measurement points, the value greatly varies depending on the step interval measured in space. For this reason, for example, when two analysis results are compared with each other, it is necessary to apply the same measurement step interval, and the analysis range and analysis time are restricted when actually evaluating the crack growth rate.
一方で、本実施形態のＯＤの方位差関数値は、基準となる測定点との結晶方位差で定義されるため、空間上での測定するステップ間隔によっては値の変化が定義上生じない。このため、例えば二つの異なる測定ステップ間隔を適用した分析結果同士を比較することができる。したがって、実際の評価において、必要に応じて測定ステップ間隔を調整することにより、広い範囲の評価を行ったり、短時間化したりするなど、柔軟に対応することが可能である。 On the other hand, since the OD orientation difference function value of this embodiment is defined by the crystal orientation difference from the reference measurement point, the value does not change by definition depending on the step interval measured in space. For this reason, for example, analysis results to which two different measurement step intervals are applied can be compared. Therefore, in actual evaluation, by adjusting the measurement step interval as necessary, it is possible to flexibly cope with evaluations over a wide range or shortening the time.
本実施形態では、方位差関数値は、基準の測定点と、当該基準の測定点と同一の結晶粒内におけるそれ以外の各測定点との結晶方位差として与えられる。すなわち、解析範囲が複数の結晶粒にまたがる場合には、基準の測定点は、結晶粒ごとに一つずつ存在する。これにより、結晶粒界における大きな結晶方位差の影響が除去される。なお、結晶粒界は、結晶方位の情報に基づいて認識され得る。この基準の測定点は、測定者が任意に選択して一義的に定めることが可能である。ここでは、一義的に決定される基準の測定点の結晶方位として、当該基準の測定点が含まれる結晶粒内における全測定点の平均結晶方位が用いられる。このようにすれば、簡単な計算で基準の測定点の結晶方位を求めることができ、処理時間が短縮される。あるいは、基準の測定点の結晶方位として、当該基準の測定点が含まれる結晶粒内において隣接する測定点との結晶方位差の平均値が最小となる測定点、すなわち方位差変化が最も小さい測定点の結晶方位が用いられてもよい。このようにすれば、方位差関数値が大きく表れる結果、感度がより良好となる可能性が高い。 In this embodiment, the orientation difference function value is given as a crystal orientation difference between the reference measurement point and each other measurement point in the same crystal grain as the reference measurement point. That is, when the analysis range extends over a plurality of crystal grains, one reference measurement point exists for each crystal grain. This eliminates the effect of large crystal orientation differences at the grain boundaries. The crystal grain boundary can be recognized based on information on crystal orientation. The measurement point of this reference can be arbitrarily selected by the measurer and selected arbitrarily. Here, the average crystal orientation of all measurement points in the crystal grain including the reference measurement point is used as the crystal orientation of the reference measurement point that is uniquely determined. In this way, the crystal orientation of the reference measurement point can be obtained by simple calculation, and the processing time is shortened. Alternatively, as the crystal orientation of the reference measurement point, the measurement point at which the average value of the crystal orientation difference with the adjacent measurement point in the crystal grain including the reference measurement point is minimum, that is, the measurement with the smallest change in orientation difference. The crystal orientation of the points may be used. In this way, as a result of the large bearing difference function value, there is a high possibility that the sensitivity will be better.
図２のステップＳ４では、情報処理装置３が、ステップＳ３で得られた試料の平均方位差関数値をマスターカーブと比較する。このマスターカーブは、評価対象の試料と同種の金属材料から形成され予めき裂進展試験を実施することによりき裂進展速度が明らかになっている他の試料について、評価対象の試料と同等の条件下でＥＢＳＰ法による分析（測定および解析）を行って作成されるものであり、き裂進展速度と平均方位差関数値との相関関係を示すものである。 In step S4 of FIG. 2, the information processing device 3 compares the average orientation difference function value of the sample obtained in step S3 with the master curve. This master curve is formed from the same type of metal material as the sample to be evaluated, and the crack growth rate has been clarified by conducting a crack growth test in advance. It is created by performing analysis (measurement and analysis) by the EBSP method below, and shows the correlation between the crack growth rate and the average orientation difference function value.
ここで、マスターカーブの作成方法について説明する。図４は、き裂進展試験に用いた供試材の化学成分を示す図表である。この供試材は、熱間加工により成型された鍛造材である。供試材からＣＴ試験片（コンパクト引張標準試験片）を採取し、このＣＴ試験片を試料として使用して予めき裂進展試験を実施した。き裂進展試験として、破断試験と２条件の中断試験を実施した。図５は、き裂進展試験の結果を示す図である。こうして、き裂進展速度が既知の試料を得ることができる。次いで、負荷を中断した試料について、ＥＢＳＰ法による分析を実施し、き裂の先端周辺の方位差関数値を解析して、平均方位差関数値を評価パラメータとして得た。なお、図５において、○は破断試験でのき裂進展についての結果、△は中断試験でのき裂進展についての結果、□はもう一つの中断試験でのき裂進展についての結果をプロットしたものである。 Here, a method of creating a master curve will be described. FIG. 4 is a chart showing chemical components of the test material used in the crack growth test. This sample material is a forged material formed by hot working. A CT test piece (compact tensile standard test piece) was taken from the test material, and a crack growth test was performed in advance using this CT test piece as a sample. As a crack growth test, a fracture test and a two-state interruption test were performed. FIG. 5 is a diagram showing the results of a crack growth test. In this way, a sample with a known crack growth rate can be obtained. Next, an analysis by the EBSP method was performed on the sample where the load was interrupted, the orientation difference function value around the crack tip was analyzed, and the average orientation difference function value was obtained as an evaluation parameter. In FIG. 5, ◯ is the result of crack growth in the fracture test, △ is the result of crack growth in the interruption test, and □ is the result of crack growth in the other interruption test. Is.
図６は、試料として使用されたＣＴ試験片におけるき裂の先端周辺について、ＥＢＳＰ法による分析を行った結果であり、ＯＤの方位差関数値の分布の一例を示す図である。ここでは、結晶粒内の平均結晶方位との差で与えられる方位差関数値を用いた。図６において、方位差関数値（ミスオリエンテーション）は、き裂以外の部分において色の濃淡で表されており、明るい部分は方位差関数値が大きい部分であることを示す（図８においても同様）。解析の範囲は、き裂の先端Ｐ０から当該き裂に沿って起点側に向かう方向であるき裂発生方向に５００μｍ以内（横方向解析範囲：Ｙ）であって、当該き裂からき裂発生方向と垂直な方向に５００μｍ以内（縦方向解析範囲：Ｔ）とした。また、き裂の先端からき裂発生側（起点側）のいくつかの点（例えば図中Ｐ１、Ｐ２）についても、過去にき裂の先端であったことを踏まえてき裂の先端と仮定し、同様の解析を行った。なお、き裂の先端と仮定された点のき裂進展速度は、試験の際に得られるき裂長さとき裂進展速度との関係から推定した。試験は荷重一定で行われることからき裂の進展に伴ってき裂進展速度が速くなるが、これに対応して、結晶方位のずれが発生している幅も広くなっていることがわかる。 FIG. 6 is a diagram showing an example of the distribution of OD orientation difference function values, which is a result of analysis by the EBSP method around the crack tip in a CT test piece used as a sample. Here, the orientation difference function value given by the difference from the average crystal orientation in the crystal grains was used. In FIG. 6, the azimuth difference function value (misorientation) is represented by shades of color in the portion other than the crack, and the bright portion indicates that the azimuth difference function value is large (the same applies to FIG. 8). ). The analysis range is within 500 μm (lateral analysis range: Y) in the crack generation direction that is the direction from the crack tip P 0 toward the starting point along the crack, and the crack generation direction from the crack. And within 500 μm in the vertical direction (longitudinal analysis range: T). In addition, some points on the crack generation side (starting side) from the crack tip (for example, P 1 and P 2 in the figure) are also assumed to be crack tips based on the fact that they have been crack tips in the past. The same analysis was performed. The crack growth rate at the point assumed to be the tip of the crack was estimated from the relationship between the crack length obtained during the test and the crack growth rate. Since the test is carried out with a constant load, the crack propagation speed increases with the progress of the crack. Correspondingly, it can be seen that the width in which the crystal orientation shift occurs is widened.
図７は、平均方位差関数値とき裂進展速度との相関関係を示す図であり、マスターカーブとして使用されるものである。なお、かかる相関関係は、図７に示すようなグラフに限定されるものではなく、例えばテーブルや数式で表されてもよい。図７に示すように、ＫＡＭ、ＧＡＭによる平均方位差関数値もき裂進展速度との相関関係が得られているが、▲で示されるＯＤによる平均方位差関数値が最も値の変化が大きい（図７におけるグラフの傾きが大きい）ため、き裂進展速度に対する感度が良いことがわかる。 FIG. 7 is a diagram showing a correlation between the average orientation difference function value and the crack growth rate, and is used as a master curve. Such a correlation is not limited to the graph as shown in FIG. 7, and may be represented by a table or a mathematical expression, for example. As shown in FIG. 7, the average azimuth difference function value by KAM and GAM is also correlated with the crack growth rate, but the average azimuth difference function value by OD indicated by ▲ has the largest change in value. (The slope of the graph in FIG. 7 is large), so it can be seen that the sensitivity to the crack growth rate is good.
図２のステップＳ５では、情報処理装置３が、評価対象の試料の平均方位差関数値に相当するき裂進展速度を、マスターカーブから読み取る。すなわち、マスターカーブを参照することによって、評価対象の試料の分析の結果得られた平均方位差関数値から、当該試料のき裂進展速度が演算される。また、き裂の限界長さに至るまでの残された繰返し数が演算される。こうして、試料のき裂進展速度、および余寿命を評価することが可能となる。評価結果は、例えば表示部３３に出力される。 In step S5 of FIG. 2, the information processing device 3 reads from the master curve the crack growth rate corresponding to the average orientation difference function value of the sample to be evaluated. That is, by referring to the master curve, the crack growth rate of the sample is calculated from the average orientation difference function value obtained as a result of the analysis of the sample to be evaluated. The remaining number of repetitions until the limit length of the crack is calculated. In this way, it is possible to evaluate the crack growth rate and the remaining life of the sample. The evaluation result is output to the display unit 33, for example.
図８は、実機で使用された高温部品に発生したき裂の先端周辺について、ＥＢＳＰ法による分析を行った結果であり、ＯＤの方位差関数値の分布の一例を示す図である。例えば図８の例において、縦方向解析範囲Ｔを５００μｍ以内、横方向解析範囲Ｙを５００μｍ以内とした場合のき裂の先端周辺の平均方位差関数値は、０．７５deg.であった。この平均方位差関数値（０．７５deg.）に相当するき裂進展速度を図７に示すマスターカーブから読み取ると、この部位のき裂進展速度は１．０×１０−６（ｍ／ｃｙｃｌｅ）と推定することができる。 FIG. 8 is a diagram showing an example of the distribution of OD orientation difference function values, which is a result of analysis by the EBSP method around the tip of a crack generated in a high-temperature part used in an actual machine. For example, in the example of FIG. 8, when the longitudinal analysis range T is 500 μm or less and the lateral analysis range Y is 500 μm or less, the average orientation difference function value around the crack tip is 0.75 deg. When the crack growth rate corresponding to this average orientation difference function value (0.75 deg.) Is read from the master curve shown in FIG. 7, the crack growth rate at this site is 1.0 × 10 −6 (m / cycle). Can be estimated.
次に、き劣の先端から一定距離の領域の平均方位差関数値とき劣進展速度との相関関係を調査した結果についてさらに詳しく説明する。調査結果によれば、方位差関数値の平均値を取る領域、すなわち解析の範囲を適正化すれば、き劣の先端から一定距離の領域の平均方位差関数値と、き劣進展速度との間に、より良好な相関関係が得られることがわかった。具体的には、解析の範囲は、き裂の先端から当該き裂に沿って起点側に向かう方向であるき裂発生方向に１００〜５００μｍ以内（横方向解析範囲）であって、当該き裂から前記き裂発生方向と垂直な方向に１００〜５００μｍ以内（縦方向解析範囲）であることが望ましい。つまり、横方向解析範囲が１００μｍよりも短いとバラツキが大きくなり、５００μｍよりも長くなると実際のき裂進展速度よりも、き裂がより短かった際のき裂進展速度に近づくことになり、誤差が大きくなる。また、縦方向解析範囲が５００μｍよりも長くなると感度が悪くなり、１００μｍよりも短いとバラツキが大きくなるとともに、き裂進展速度が大きくなっても、方位差関数値の増加が飽和してしまうために、き裂の先端から一定距離の領域の平均方位差関数値と、き裂進展速度との間に良好な相関関係が得られなくなる。 Next, the results of investigating the correlation between the average azimuth difference function value and the inferior progress rate in a region at a fixed distance from the tip of the defect will be described in more detail. According to the survey results, if the area where the average value of the azimuth difference function value is taken, that is, the range of analysis is optimized, the average azimuth difference function value of the area at a constant distance from the tip of the defect and the rate of progress of the defect In the meantime, a better correlation was found. Specifically, the analysis range is within 100 to 500 μm (lateral analysis range) in the crack generation direction, which is the direction from the crack tip to the origin side along the crack, and from the crack, It is desirable that it is within 100 to 500 μm (longitudinal analysis range) in a direction perpendicular to the crack generation direction. In other words, when the lateral analysis range is shorter than 100 μm, the variation becomes larger, and when it is longer than 500 μm, the crack growth rate approaches the crack growth rate when the crack is shorter than the actual crack growth rate. Becomes larger. In addition, when the longitudinal analysis range is longer than 500 μm, the sensitivity is deteriorated, and when it is shorter than 100 μm, the variation becomes large, and even if the crack growth rate is increased, the increase in the orientation difference function value is saturated. In addition, a good correlation cannot be obtained between the average azimuth difference function value in a certain distance region from the crack tip and the crack growth rate.
なお、縦方向解析範囲は、き裂の上側および下側（き裂を挟む両側）のうちのいずれか一方の側に適用され得る。一般に、縦方向解析範囲を上側に設定した場合と、下側に設定した場合との平均方位差関数値は同等だからである。但し、両側を解析してその平均値が使用されてもよい。 The longitudinal analysis range can be applied to either one of the upper side and the lower side of the crack (both sides sandwiching the crack). This is because the average azimuth difference function value is generally the same when the vertical analysis range is set on the upper side and when set on the lower side. However, the average value may be used by analyzing both sides.
以上述べたように、本実施形態では、金属材料の試料におけるき裂の先端を含む領域内の複数の測定点の結晶方位がＥＢＳＰ法により測定され（Ｓ２）、所定の範囲内において各測定点の結晶方位のずれを示す方位差関数値を解析することにより試料の評価パラメータが得られる（Ｓ３）。そして、上記試料と同種の金属材料から形成され予めき裂進展試験を実施することによりき裂進展速度が既知の他の試料を用いて取得しておいた、き裂進展速度および評価パラメータの相関関係を参照することによって、上記解析の結果得られた試料の評価パラメータから、当該試料のき裂進展速度および余寿命が評価される（Ｓ４、Ｓ５）。 As described above, in this embodiment, crystal orientations of a plurality of measurement points in a region including a crack tip in a metal material sample are measured by the EBSP method (S2), and each measurement point is within a predetermined range. By analyzing the orientation difference function value indicating the deviation of the crystal orientation, an evaluation parameter of the sample can be obtained (S3). Correlation between the crack growth rate and the evaluation parameters, which were obtained from another sample that was formed from the same type of metal material as the above sample and had previously been subjected to a crack growth test. By referring to the relationship, the crack growth rate and remaining life of the sample are evaluated from the evaluation parameters of the sample obtained as a result of the above analysis (S4, S5).
このように本実施形態によれば、実機で使用した高温部品等を構成する金属材料に発生したき裂の先端周辺についてＥＢＳＰ法を用いて解析することにより、金属材料のき裂進展速度を高精度に評価し、ひいては余寿命を評価することが可能になる。 As described above, according to the present embodiment, the crack growth rate of the metal material is increased by analyzing the periphery of the crack tip generated in the metal material constituting the high-temperature part used in the actual machine by using the EBSP method. It becomes possible to evaluate the accuracy and, in turn, the remaining life.
本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims.
例えば、上述した実施形態において、金属材料のき裂進展速度評価方法は、測定者等が試料を準備した後には、き裂進展速度評価装置１によって実行される場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばマスターカーブを描いた図面を用いて解析の結果得られた評価パラメータから測定者がき裂進展速度を求めることなど、測定者等によってさらに他の部分が実行されてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the method of evaluating the crack growth rate of the metal material has been described with respect to the case where the method is performed by the crack growth rate evaluation apparatus 1 after the sampler prepares the sample. However, the present invention is not limited to this, and other parts are executed by the measurer, for example, the measurer obtains the crack growth rate from the evaluation parameter obtained as a result of the analysis using the drawing depicting the master curve. May be.
また、上述した実施形態では、方位差関数値の平均値が評価パラメータとして用いられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば方位差関数値の広がりの程度を表す半値幅等の指標が評価パラメータとして用いられ得る。この場合の半値幅は、方位差関数値の最大値の半分の値を取るところのき裂からのき裂発生方向と垂直な方向の距離とされ得る。 In the above-described embodiment, the average value of the azimuth difference function values is used as the evaluation parameter. However, the present invention is not limited to this. For example, the half-value width indicating the degree of spread of the azimuth difference function values. Can be used as an evaluation parameter. The half width in this case can be a distance in a direction perpendicular to the crack initiation direction from the crack, which takes a half value of the maximum value of the orientation difference function value.
１ き裂進展速度評価装置
２ ＥＢＳＰ装置（測定手段）
３ 情報処理装置
３１ データ処理部（解析手段および評価手段）
３２ 記憶部（記憶手段）
３３ 表示部
３４ 入力装置
ｘ 解析範囲
1 Crack growth rate evaluation device 2 EBSP device (measuring means)
3 Information processing device 31 Data processing section (analysis means and evaluation means)
32 storage unit (storage means)
33 Display 34 Input device x Analysis range
Claims (7)
各測定点の結晶方位のずれを示す方位差関数値を解析して前記試料の評価パラメータを得る解析ステップと、
前記試料と同種の金属材料から形成され予めき裂進展試験を実施することによりき裂進展速度が既知の他の試料を用いて取得しておいた、き裂進展速度および評価パラメータの相関関係を参照することによって、前記解析ステップにおける解析の結果得られた前記試料の評価パラメータから、当該試料のき裂進展速度を評価する評価ステップと、
を有することを特徴とする金属材料のき裂進展速度評価方法。 A measurement step of measuring crystal orientations of a plurality of measurement points in a region including a crack tip in a metal material sample by an electron backscatter diffraction image method;
An analysis step for obtaining an evaluation parameter of the sample by analyzing an orientation difference function value indicating a deviation in crystal orientation at each measurement point;
Correlation between the crack growth rate and the evaluation parameters obtained from another sample with a known crack growth rate formed from a metal material of the same type as that of the sample and performing a crack growth test in advance. By referring to, from the evaluation parameters of the sample obtained as a result of the analysis in the analysis step, an evaluation step of evaluating the crack growth rate of the sample,
A crack growth rate evaluation method for a metal material characterized by comprising:
各測定点の結晶方位のずれを示す方位差関数値を解析して前記試料の評価パラメータを得る解析手段と、
前記試料と同種の金属材料から形成され予めき裂進展試験を実施することによりき裂進展速度が既知の他の試料を用いて取得しておいた、き裂進展速度および評価パラメータの相関関係を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶されている前記き裂進展速度および評価パラメータの相関関係を参照することによって、前記解析手段による解析の結果得られた前記試料の評価パラメータから、当該試料のき裂進展速度を評価する評価手段と、
を有することを特徴とする金属材料のき裂進展速度評価装置。 Measuring means for measuring the crystal orientation of a plurality of measurement points in a region including a crack tip in a sample of a metal material by an electron backscatter diffraction image method;
Analyzing means for analyzing an orientation difference function value indicating a deviation in crystal orientation at each measurement point to obtain an evaluation parameter of the sample;
Correlation between the crack growth rate and the evaluation parameters obtained from another sample with a known crack growth rate formed from a metal material of the same type as that of the sample and performing a crack growth test in advance. Storage means for storing;
By referring to the correlation between the crack growth rate and the evaluation parameter stored in the storage unit, the crack growth rate of the sample is obtained from the evaluation parameter of the sample obtained as a result of the analysis by the analysis unit. An evaluation means to evaluate;
A crack growth rate evaluation apparatus for a metal material characterized by comprising:
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