JP6365813B2 - Fatigue strength estimation method - Google Patents
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Description
本発明は、例えばタービン翼材などを評価対象材として疲労強度を推定する疲労強度推定方法に関するものである。 The present invention relates to a fatigue strength estimation method for estimating fatigue strength using, for example, a turbine blade material as an evaluation target material.
火力発電プラントのタービン翼に使用されるタービン翼材（評価対象材）としては、例えば１２Ｃｒ鋼や１７−４ＰＨ鋼などの耐食性と強度に優れたステンレス鋼が使用されている。回転体に用いる翼材は高い信頼性が要求されるため、これまで１次溶解及び２次溶解を施して材料中の介在物や偏析等を低減してきた。一方、１次溶解のみで製造された翼材では、介在物や偏析は若干増大するが大幅なコスト低減を図ることができる。このような低コスト材を採用するためには、正確に材料特性を把握して、翼材の信頼性を損なわないようにすることが重要である。この清浄度は、ＪＩＳ Ｇ ０５５５に定められるものであり、清浄度が大きいほど、その材料中に含まれる非金属介在物（例えば酸化物）の割合が多いことを意味する。 As a turbine blade material (evaluation target material) used for a turbine blade of a thermal power plant, for example, stainless steel having excellent corrosion resistance and strength such as 12Cr steel and 17-4PH steel is used. Since the blade material used for the rotating body is required to have high reliability, until now, primary melting and secondary melting have been performed to reduce inclusions and segregation in the material. On the other hand, in the blade material manufactured only by primary melting, inclusions and segregation are slightly increased, but a significant cost reduction can be achieved. In order to employ such a low-cost material, it is important to accurately grasp the material characteristics so as not to impair the reliability of the blade material. This cleanliness is defined in JIS G 0555, and the greater the cleanliness, the greater the proportion of non-metallic inclusions (eg oxides) contained in the material.
また、２Ｃｒ鋼や１７−４ＰＨ鋼などのステンレス鋼では偏析によりδフェライト相が析出し、材料特性の悪化の一因となる。δフェライトの析出量は、ＪＩＳ Ｇ ０５５５に定められる点算法やＡＭＳ ２３１５に定められた手法にて計測することができる。上述のようなタービン翼材においてδフェライトの含有量の上限を許容したり、表面欠陥や内部欠陥を許容したりすることができれば、鋼材の選択肢が増えてコストを低減することができると考えられる。
なお、本明細書中においては、材料中に分散する介在物やδフェライト、材料中に形成されている表面欠陥、内部欠陥などを含めて単に欠陥と称する。
Further, in stainless steels such as 2Cr steel and 17-4PH steel, a δ ferrite phase is precipitated due to segregation, which contributes to deterioration of material properties. The amount of precipitation of δ ferrite can be measured by a point calculation method defined in JIS G 0555 or a method defined in AMS 2315. If it is possible to allow the upper limit of the content of δ ferrite in the turbine blade material as described above, or to allow surface defects and internal defects, it is considered that the choice of steel materials can be increased and the cost can be reduced. .
In the present specification, inclusions and δ ferrite dispersed in the material, surface defects formed in the material, internal defects, and the like are simply referred to as defects.
上述のような欠陥を許容することができれば、タービン翼材のコストの低減を図ることが可能となるが、このような欠陥が存在する場合、欠陥を起因とした疲労破壊が生じ易くなり、疲労強度が低下してしまうおそれがある。したがって、評価対象となるタービン翼材をすべて疲労試験し、疲労強度が十分な特性を有しているかどうかを確認する必要がある。しかしながら、このように疲労試験を全ての溶解ロット毎に逐一行うことは、時間とコストが過剰にかかってしまう。また、評価対象となるタービン翼材から欠陥を試験部に含む試験片を作製することは困難といった問題もある。
そこで、例えば、特許文献１には、微小欠陥が形成された微小欠陥部材の疲労強度の低下を推定する方法が開示されている。
If such defects can be tolerated, the cost of the turbine blade material can be reduced. However, when such defects exist, fatigue failure due to the defects is likely to occur, and fatigue is reduced. There is a risk that the strength may decrease. Therefore, it is necessary to perform a fatigue test on all the turbine blade materials to be evaluated to confirm whether the fatigue strength has sufficient characteristics. However, performing the fatigue test one by one for every dissolution lot in this way is excessive in time and cost. There is also a problem that it is difficult to produce a test piece including a defect in a test part from a turbine blade material to be evaluated.
Thus, for example, Patent Document 1 discloses a method for estimating a decrease in fatigue strength of a minute defect member in which a minute defect is formed.
しかしながら、特許文献１に記載された疲労強度の推定方法では、残留応力の影響を考慮して疲労強度の低下度合いを推定しており、上述したような介在物をはじめとする欠陥が疲労強度に及ぼす影響を把握することはできなかった。 However, in the fatigue strength estimation method described in Patent Document 1, the degree of decrease in fatigue strength is estimated in consideration of the effect of residual stress, and defects such as inclusions as described above become fatigue strength. I couldn't figure out the effect.
この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、評価対象材が介在物などをはじめとする欠陥を有する場合であっても、低コストかつ短時間で疲労強度を精度良く推定することが可能な疲労強度推定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is capable of accurately estimating fatigue strength at a low cost and in a short time even when the evaluation target material has defects such as inclusions. It is an object of the present invention to provide a fatigue strength estimation method capable of performing the above.
前述の課題を解決するために、本発明の疲労強度推定方法は、評価対象材に疲労強度に影響を与える欠陥が存在しない場合の疲労強度である健全材疲労強度を取得する健全材疲労強度取得工程と、前記評価対象材における疲労強度に影響を及ぼす欠陥因子として介在物サイズを測定する欠陥因子測定工程と、予め取得した前記評価対象材における前記疲労強度及び前記健全材疲労強度の比と前記介在物サイズとの関係に基づいて、前記欠陥因子測定工程において取得した前記介在物サイズから、前記疲労強度の低下率を取得する疲労強度低下率取得工程と、を備え、前記疲労強度低下率取得工程は、介在物を有する場合の前記疲労強度及び前記健全材疲労強度の比と介在物サイズとの関係を、［健全材疲労強度×Ａ／｛√（欠陥サイズ）｝ １／６ ］の関係から求めた曲線に基づいて取得し、前記曲線に前記介在物サイズを対応させて疲労強度の低下率を取得することを特徴とする疲労強度推定方法。
なお、Ａは材料ごとに決められる定数である。
In order to solve the above-described problems, the fatigue strength estimation method of the present invention acquires a healthy material fatigue strength that is a fatigue strength when the evaluation target material has no defect that affects the fatigue strength. A defect factor measuring step of measuring inclusion size as a defect factor affecting the fatigue strength in the evaluation target material, a ratio of the fatigue strength and the healthy material fatigue strength in the evaluation target material acquired in advance, and A fatigue strength reduction rate acquisition step of acquiring the fatigue strength reduction rate from the inclusion size acquired in the defect factor measurement step based on the relationship with the inclusion size, and acquiring the fatigue strength reduction rate process, the fatigue strength and the relationship between the ratio and the inclusion size of the sound material fatigue strength, healthy material fatigue strength × a / {√ (defect size)} when having inclusions 1 Obtained based on the curve obtained from relationship 6], fatigue strength estimation method characterized by obtaining a reduction rate of the fatigue strength in correspondence with the inclusion size to the curve.
A is a constant determined for each material.
本発明の疲労強度推定方法によれば、評価対象材に疲労強度に影響を与える欠陥が存在しない場合における疲労強度を健全材疲労強度として取得する健全材疲労強度取得工程と、前述の評価対象材における疲労強度に影響を及ぼす欠陥因子を少なくとも一つ測定する欠陥因子測定工程とを備えているので、予め取得した前述の評価対象材における欠陥因子と疲労強度との関係に基づいて、欠陥因子測定工程において取得した欠陥因子から、疲労強度の低下率を取得することができる。そして、この疲労強度の低下率と健全材欠陥疲労強度とを積算することによって、評価対象材の疲労強度を得ることができる。
したがって、本発明の疲労強度推定方法においては、評価対象材を直接疲労試験することなく、評価対象材の欠陥因子を測定することによって、評価対象材の疲労強度を推定することができるので、低コストかつ短時間で疲労強度を把握することが可能となる。また、欠陥因子を測定することにより疲労強度を推定する構成とされているので、疲労強度の推定精度を高めることができる。
According to the fatigue strength estimation method of the present invention, the healthy material fatigue strength acquisition step of acquiring the fatigue strength as the healthy material fatigue strength when the evaluation target material has no defect that affects the fatigue strength, and the evaluation target material described above A defect factor measurement step for measuring at least one defect factor that affects the fatigue strength in the case, the defect factor measurement based on the relationship between the defect factor and the fatigue strength in the previously obtained evaluation target material The reduction rate of fatigue strength can be acquired from the defect factor acquired in the process. And the fatigue strength of evaluation object material can be obtained by integrating | accumulating this fall rate of fatigue strength and healthy material defect fatigue strength.
Therefore, in the fatigue strength estimation method of the present invention, the fatigue strength of the evaluation target material can be estimated by measuring the defect factor of the evaluation target material without directly performing a fatigue test on the evaluation target material. It becomes possible to grasp the fatigue strength at a low cost and in a short time. Moreover, since it is set as the structure which estimates fatigue strength by measuring a defect factor, the estimation precision of fatigue strength can be improved.
本発明の疲労強度推定方法は、前記健全材疲労強度と、前記疲労強度の低下率との積を前記評価対象材の疲労強度として取得する疲労強度算出工程を備えていても良い。
この場合、前述の健全材疲労強度と、前述の疲労強度の低下率との積を評価対象材の疲労強度として取得する構成とされているので、評価対象材の疲労強度を把握し、その評価対象材の疲労強度が、例えば構造部材として十分であるかどうかを判断することができる。
The fatigue strength estimation method of the present invention may include a fatigue strength calculation step of acquiring a product of the healthy material fatigue strength and the fatigue strength reduction rate as the fatigue strength of the evaluation target material.
In this case, since the product of the above-mentioned healthy material fatigue strength and the above-mentioned fatigue strength decrease rate is obtained as the fatigue strength of the evaluation target material, the fatigue strength of the evaluation target material is grasped and the evaluation is performed. It can be determined whether the fatigue strength of the target material is sufficient as, for example, a structural member.
また、本発明の疲労強度推定方法は、前記欠陥因子として、介在物、δフェライト、磁粉探傷試験における欠陥指示長さ、及び超音波探傷試験における欠陥指示長さ、の中から少なくとも一つ選択する構成としても良い。
評価対象材中に分散する介在物、δフェライト、評価対象材に存在する上述の欠陥指示長さは、疲労強度に影響を及ぼす因子であり、本発明の疲労強度推定方法において、上述のような欠陥因子を選択することによって、より精度の高い疲労強度を取得することができる。また、上述の因子をふたつ以上選択し、予測された疲労強度の中からより低い疲労強度を把握することによって、より安全側の評価をすることが可能である。
In the fatigue strength estimation method of the present invention, at least one of the inclusion, δ ferrite, defect indication length in the magnetic particle inspection test, and defect indication length in the ultrasonic inspection test is selected as the defect factor. It is good also as a structure.
The inclusions dispersed in the evaluation target material, δ ferrite, and the above-described defect indication length existing in the evaluation target material are factors that affect fatigue strength. In the fatigue strength estimation method of the present invention, By selecting a defect factor, a more accurate fatigue strength can be obtained. Further, by selecting two or more of the above-mentioned factors and grasping a lower fatigue strength from the predicted fatigue strength, it is possible to make a more safe evaluation.
また、本発明の疲労強度推定方法は、前記欠陥因子として、介在物を選択した場合に、評価対象材中に分散する介在物の長径と短径の平均長さを測定することが好ましい。
この場合、評価対象材の疲労強度に影響を及ぼす介在物の長径と短径の平均長さを欠陥因子としているので、より精度の高い疲労強度の評価を行うことができる。
In the fatigue strength estimation method of the present invention, when inclusions are selected as the defect factor, it is preferable to measure the average length of the major axis and minor axis of the inclusions dispersed in the evaluation target material.
In this case, since the average length of the major axis and the minor axis of the inclusion that affects the fatigue strength of the evaluation target material is used as a defect factor, the fatigue strength can be evaluated with higher accuracy.
また、本発明の疲労強度推定方法は、前記欠陥因子の測定結果の平均値に、さらに前記欠陥因子の標準偏差をｎ倍した値を足し合わせたものを用いて疲労強度低下率を取得する構成としても良い。
この場合、欠陥因子の測定の結果の平均値に、欠陥因子の標準偏差をｎ倍した値をさらに足した上で、疲労強度低下率を取得する構成とされているので、より安全側の評価をすることができる。
ここで、ｎは、正の数であり、必要な安全率に応じて適宜設定することができる。また、欠陥因子の測定結果の平均値は、例えば正規分布とされている。
In addition, the fatigue strength estimation method of the present invention is configured to obtain a fatigue strength reduction rate by using an average value of the measurement results of the defect factor and a value obtained by adding n times the standard deviation of the defect factor. It is also good.
In this case, the average value of the defect factor measurement results is added to the value obtained by multiplying the standard deviation of the defect factor by n, and the fatigue strength reduction rate is obtained. Can do.
Here, n is a positive number and can be set as appropriate according to the required safety factor. Moreover, the average value of the measurement result of a defect factor is made into normal distribution, for example.
また、本発明の疲労強度推定方法は、前記健全材疲労強度取得工程では、硬さ試験又は引張試験の結果を、予め取得した疲労強度と引張強度との関係に対応させて、前記健全材疲労強度を取得する構成としても良い。
例えば、ＪＩＳ鉄鋼Ｉ巻末に記載されている鋼材の硬さと引張強度との関係（ＳＡＥ Ｊ ４１７）から引張強度を求めることが可能である。硬さ試験から引張強度を推定したり、引張試験を行うことにより、評価対象材の引張強度を取得したりすることによって得られた引張強度の結果を、予め取得した疲労強度と引張強度との関係に対応させることによって健全材疲労強度を容易に把握することができる。
Further, the fatigue strength estimation method of the present invention is the above-mentioned healthy material fatigue strength acquisition step, in which the result of the hardness test or the tensile test corresponds to the relationship between the fatigue strength and the tensile strength acquired in advance, It is good also as composition which acquires intensity.
For example, it is possible to obtain the tensile strength from the relationship between the hardness and tensile strength of the steel material described at the end of JIS steel I (SAE J 417). The result of the tensile strength obtained by estimating the tensile strength from the hardness test or by obtaining the tensile strength of the material to be evaluated by performing the tensile test is the difference between the fatigue strength and the tensile strength obtained in advance. By corresponding to the relationship, the fatigue strength of the healthy material can be easily grasped.
また、本発明の疲労強度推定方法は、タービン翼材の余肉部から、前記欠陥因子測定工程において測定される前記評価対象材の試験片を取得する構成とされても良い。
この場合、タービン翼を構成することになるタービン翼材から評価対象材の試験片を取得することができるので、実際に使用するタービン翼の疲労強度の推定精度を高めることが可能となる。
Moreover, the fatigue strength estimation method of the present invention may be configured to acquire the test piece of the evaluation object material measured in the defect factor measurement step from the surplus portion of the turbine blade material.
In this case, since the test piece of the material to be evaluated can be obtained from the turbine blade material that constitutes the turbine blade, it is possible to improve the estimation accuracy of the fatigue strength of the turbine blade that is actually used.
本発明によれば、評価対象材が介在物などをはじめとする欠陥を有する場合であっても、低コストかつ短時間で疲労強度を精度良く評価することが可能な疲労強度推定方法を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a fatigue strength estimation method capable of accurately evaluating fatigue strength at a low cost and in a short time even when a material to be evaluated has defects such as inclusions. be able to.
以下に、本発明の実施形態である疲労強度推定方法について添付した図面を参照して説明する。 Hereinafter, a fatigue strength estimation method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
本実施形態である疲労強度推定方法は、タービン翼を構成するタービン翼材の疲労強度を推定する方法である。ここで、タービン翼は、例えば１２Ｃｒ鋼、１７−４ＰＨ鋼などの耐食性と強度に優れたステンレス鋼で構成されている。このような鋼材は、その内部に介在物（非金属介在物）やδフェライトを有していたり、表面欠陥や内部欠陥が形成されていたりする場合がある。本実施形態においては、このような介在物、δフェライト、表面欠陥、内部欠陥を含めて単に「欠陥」と称する。上述したような欠陥が鋼材に存在する場合には、これらの欠陥を起点として疲労破壊が生じ易くなるため、疲労強度が低下するおそれがある。
本実施形態である疲労強度推定方法は、上述のような欠陥に起因して疲労強度が低下する場合の疲労強度（疲労限）を推定する方法である。
The fatigue strength estimation method according to this embodiment is a method for estimating the fatigue strength of the turbine blade material constituting the turbine blade. Here, the turbine blade is made of stainless steel having excellent corrosion resistance and strength such as 12Cr steel and 17-4PH steel. Such a steel material may have inclusions (non-metallic inclusions) and δ ferrite inside thereof, or surface defects and internal defects may be formed. In the present embodiment, such inclusions, δ ferrite, surface defects, and internal defects are simply referred to as “defects”. When the above-described defects are present in the steel material, fatigue failure tends to occur starting from these defects, so that the fatigue strength may be reduced.
The fatigue strength estimation method according to the present embodiment is a method for estimating the fatigue strength (fatigue limit) when the fatigue strength is reduced due to the above-described defects.
本発明の実施形態である疲労強度推定方法は、図１のフロー図に示すように、健全材疲労強度取得工程Ｓ０１と、欠陥因子測定工程Ｓ０２と、疲労強度低下率取得工程Ｓ０３と、疲労強度算出工程Ｓ０４と、を備えている。
以下に各工程の詳細について説明する。なお、本実施形態では、評価対象材として、上述したような鋼材を用いた。
As shown in the flowchart of FIG. 1, the fatigue strength estimation method according to the embodiment of the present invention includes a sound material fatigue strength acquisition step S01, a defect factor measurement step S02, a fatigue strength reduction rate acquisition step S03, and a fatigue strength. Calculation step S04.
Details of each step will be described below. In the present embodiment, the steel material as described above is used as the evaluation target material.
（健全材疲労強度取得工程Ｓ０１）
まず、評価対象材における硬さ試験を実施し、ＪＩＳ鉄鋼Ｉ巻末に記載されている鋼材の硬さと引張強度との関係（ＳＡＥ Ｊ ４１７）から、評価対象材の引張強度Ｘ１を取得する。なお、硬さ試験は、例えばＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠して行えば良い。
そして、予め実験室の実験などで取得した疲労強度と引張強度との関係に基づいて、前述の硬さ試験によって求めた引張強度から評価対象材の疲労強度（基準疲労強度）を取得する。
ここで、取得される疲労強度は、評価対象材に疲労強度に影響を与える欠陥が存在しない場合の疲労強度である健全材疲労強度である。また、予め取得した疲労強度と引張強度との関係は、欠陥がない又は疲労強度に影響を与える欠陥が極力少ない試験片を用いて実施室で各試験を行い、取得したものである。
(Healing material fatigue strength acquisition step S01)
First, a hardness test is performed on the evaluation target material, and the tensile strength X1 of the evaluation target material is acquired from the relationship between the hardness and tensile strength of the steel material described in the end of JIS steel I (SAE J 417). The hardness test may be performed according to JIS Z 2244, for example.
Then, based on the relationship between the fatigue strength and the tensile strength acquired in advance in a laboratory experiment or the like, the fatigue strength (reference fatigue strength) of the evaluation target material is acquired from the tensile strength obtained by the above-described hardness test.
Here, the acquired fatigue strength is a healthy material fatigue strength that is a fatigue strength in the case where there is no defect that affects the fatigue strength in the evaluation target material. In addition, the relationship between the fatigue strength and the tensile strength acquired in advance is obtained by performing each test in the implementation room using a test piece that has no defects or has few defects that affect the fatigue strength as much as possible.
具体的には、図２に示す予め取得した疲労強度と引張強度との関係（図２において直線Ａ）に、引張強度Ｘ１を対応させて、疲労強度Ｙ１を取得することによって評価対象材の健全材疲労強度を取得することができる。
なお、引張強度Ｘ１については、評価対象材に対して引張試験を行い、引張強度を取得しても良いし、市販品である評価対象材の場合は、ミルシートなどの検査結果から引張強度を取得しても良い。
Specifically, the relationship between the fatigue strength and tensile strength acquired in advance shown in FIG. 2 (straight line A in FIG. 2) corresponds to the tensile strength X1, and the fatigue strength Y1 is acquired to obtain the soundness of the evaluation target material. The material fatigue strength can be acquired.
As for the tensile strength X1, a tensile test may be performed on the evaluation target material to obtain the tensile strength. In the case of a commercially available evaluation target material, the tensile strength is obtained from the inspection result of a mill sheet or the like. You may do it.
（欠陥因子測定工程Ｓ０２）
次に、前述の評価対象材における疲労強度に影響を及ぼす欠陥因子を少なくとも一つ選択して測定する。この欠陥因子は、疲労強度に及ぼす因子であれば、どのような因子でも良い。具体的には、欠陥因子として、評価対象材中に分散する介在物の量やサイズ、評価対象材中に分散するδフェライトの量やサイズなどが挙げられる。
(Defect factor measurement step S02)
Next, at least one defect factor that affects the fatigue strength of the above-described evaluation target material is selected and measured. The defect factor may be any factor as long as it affects the fatigue strength. Specifically, examples of the defect factor include the amount and size of inclusions dispersed in the evaluation target material, and the amount and size of δ ferrite dispersed in the evaluation target material.
また、評価対象材を磁粉探傷試験（ＭＴ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐａｒｔｉｌｅ Ｔｅｓｔｉｎｇと称されることもある）によって検査し、評価対象材の表面欠陥に相当する欠陥指示長さを欠陥因子としても良い。また、評価対象材を超音波探傷試験（ＵＴ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇと称されることもある）によって検査し、評価対象材の内部欠陥に相当する欠陥指示長さを欠陥因子としても良い。 Further, the evaluation target material may be inspected by a magnetic particle inspection test (also referred to as MT: Magnetic Particulate Testing), and a defect indication length corresponding to a surface defect of the evaluation target material may be used as a defect factor. Further, the evaluation target material may be inspected by an ultrasonic flaw detection test (also referred to as UT: Ultrasonic Testing), and a defect indication length corresponding to an internal defect of the evaluation target material may be used as a defect factor.
本実施形態においては、欠陥因子として、レプリカ法を用いて評価対象材中に分散する介在物サイズ及びδフェライト面積率（最大面積率）を測定した。レプリカ法は、所定の処理を施して現出させた測定対象箇所の表面の金属組織に対応する凹凸をフィルムに転写し、この転写した凹凸を光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡などを用いて組織観察する方法であり、この観察結果から例えば介在物及びδフェライトの大きさ、面積率、個数密度などを把握することができる。また、介在物などを測定する場合に、電界抽出残渣分析によって粒径分布や最大粒径などを測定しても良い。 In this embodiment, as a defect factor, the size of inclusions dispersed in the evaluation target material and the δ ferrite area ratio (maximum area ratio) were measured using a replica method. In the replica method, the irregularities corresponding to the metal structure of the surface of the measurement target area that has been exposed after a predetermined treatment are transferred to a film, and the transferred irregularities are observed with a microscope using an optical microscope or a scanning electron microscope. From this observation result, for example, the size, area ratio, number density, and the like of inclusions and δ ferrite can be grasped. When measuring inclusions, the particle size distribution, maximum particle size, etc. may be measured by electric field extraction residue analysis.
介在物サイズの測定結果の一例として、例えば図３に示すように、介在物サイズとその頻度との関係（図３において曲線Ｂ）を把握することができる。本実施形態では、介在物サイズ及びδフェライト面積率として、平均値にさらに標準偏差σの３倍（＋３σ）を足し合わせたもの（介在物サイズの場合は、図３におけるＸ２）を、以下の工程で用いる。なお、図３に示すように、介在物サイズとその頻度との関係は正規分布となっている。 As an example of the measurement result of the inclusion size, for example, as shown in FIG. 3, the relationship between the inclusion size and its frequency (curve B in FIG. 3) can be grasped. In the present embodiment, the inclusion size and the δ ferrite area ratio are obtained by adding three times the standard deviation σ (+ 3σ) to the average value (X2 in FIG. 3 in the case of the inclusion size): Used in the process. In addition, as shown in FIG. 3, the relationship between the inclusion size and its frequency has a normal distribution.
（疲労強度低下率取得工程Ｓ０３）
次に、予め実験室での実験によって取得した介在物を有する場合の疲労強度σｗ及び健全材疲労強度σｗ０の比と、欠陥因子との関係に基づいて、前述の欠陥因子測定工程Ｓ０２において取得した欠陥因子の値から、疲労強度の低下率を取得する。本実施形態においては、前述のようにして求めた介在物サイズＸ２又はδフェライトの値を、予め取得した介在物を有する場合の疲労強度σｗ及び健全材疲労強度σｗ０の比と、介在物サイズ又はδフェライトとの関係に対応させて疲労強度の低下率を取得する。
(Fatigue strength reduction rate acquisition step S03)
Next, in the above-described defect factor measurement step S02, based on the relationship between the defect factor and the ratio of the fatigue strength σ w and the healthy material fatigue strength σ w0 in the case of having inclusions obtained in advance by experiments in the laboratory The fatigue strength reduction rate is acquired from the acquired defect factor value. In the present embodiment, the inclusion size X2 or δ ferrite value obtained as described above is used to determine the ratio between the fatigue strength σ w and the healthy material fatigue strength σ w0 when inclusions are acquired in advance, and the inclusions. The reduction rate of fatigue strength is obtained in correspondence with the size or the relationship with δ ferrite.
より具体的には、予め実験室などの実験によって求めた介在物を有する場合の疲労強度σｗ及び健全材疲労強度σｗ０の比と、介在物サイズとの関係（図４において曲線Ｃ）に、欠陥因子測定工程Ｓ０２で求めた介在物サイズＸ２を対応させて、評価対象材の疲労強度低下率Ｙ２を把握する。
なお、図４における曲線Ｃは、例えば介在物を有する場合の疲労強度を［健全材疲労強度×Ａ／｛√（欠陥サイズ）｝１／６］の関係から求めることもできる（日本機械学会論文集（Ａ編）５４巻４９９号（昭６３−３）参照）。ここで、Ａは材料ごとに決められる定数である。
More specifically, the relationship between the ratio of the fatigue strength σ w and the healthy material fatigue strength σ w0 in the case of having inclusions obtained in advance by experiments in a laboratory and the inclusion size (curve C in FIG. 4) Then, the fatigue strength reduction rate Y2 of the evaluation target material is grasped in correspondence with the inclusion size X2 obtained in the defect factor measurement step S02.
In addition, the curve C in FIG. 4 can also obtain | require the fatigue strength in the case of having an inclusion, for example, from the relationship of [sound material fatigue strength × A / {√ (defect size)} 1/6 ]. (Ref. A, Volume 54, No. 499 (Sho 63-3)). Here, A is a constant determined for each material.
（疲労強度算出工程Ｓ０４）
次に、健全材疲労強度取得工程Ｓ０１において取得した健全材疲労強度と、疲労強度低下率取得工程Ｓ０３において取得した疲労強度の低下率との積を、評価対象材の疲労強度として取得する。なお、予め図４において、縦軸を［介在物を有する評価対象材の疲労強度σｗ］にしておけば、これにＸ２を対応させることで、グラフから疲労強度を取得することもできる。
以上のようにして、本実施形態である疲労強度推定方法が完了する。
(Fatigue strength calculation step S04)
Next, the product of the healthy material fatigue strength acquired in the healthy material fatigue strength acquisition step S01 and the fatigue strength reduction rate acquired in the fatigue strength reduction rate acquisition step S03 is acquired as the fatigue strength of the evaluation target material. In addition, if the vertical axis in FIG. 4 is [fatigue strength σ w of the evaluation target material having inclusions] in advance, the fatigue strength can be obtained from the graph by making X2 correspond to this.
As described above, the fatigue strength estimation method according to the present embodiment is completed.
以上のような構成とされた本実施形態である疲労強度推定方法においては、評価対象材に疲労強度に影響を与える欠陥が存在しない場合における疲労強度を健全材疲労強度として取得する健全材疲労強度取得工程Ｓ０１と、前述の評価対象材における疲労強度に影響を及ぼす欠陥因子として介在物サイズ及びδフェライト面積率を測定する欠陥因子測定工程Ｓ０２とを備えている。よって、予め取得した前述の評価対象材における介在物サイズ又はδフェライト面積率と疲労強度との関係に基づいて、欠陥因子測定工程Ｓ０２において取得した介在物サイズ又はδフェライト面積率から、疲労強度の低下率を取得することができる。そして、この疲労強度の低下率と健全材欠陥疲労強度とを積算することによって、評価対象材の疲労強度を得ることができる。 In the fatigue strength estimation method according to the present embodiment configured as described above, the sound material fatigue strength is obtained as the sound material fatigue strength when the evaluation target material has no defect that affects the fatigue strength. An acquisition step S01 and a defect factor measurement step S02 for measuring the inclusion size and the δ ferrite area ratio as defect factors affecting the fatigue strength of the evaluation object material described above are provided. Therefore, based on the relationship between the inclusion size or δ ferrite area ratio and the fatigue strength in the previously obtained evaluation target material, the fatigue strength of the inclusion size or δ ferrite area ratio acquired in the defect factor measurement step S02 The reduction rate can be acquired. And the fatigue strength of evaluation object material can be obtained by integrating | accumulating this fall rate of fatigue strength and healthy material defect fatigue strength.
したがって、本実施形態である疲労強度推定方法においては、評価対象材を直接疲労試験することなく、評価対象材の欠陥因子（介在物サイズ及びδフェライト面積率）を測定することによって、評価対象材の疲労強度を推定することができるので、低コストかつ短時間で疲労強度を把握することが可能となる。また、欠陥因子（介在物サイズ及びδフェライト面積率）を測定することにより疲労強度を推定する構成とされているので、疲労強度の推定精度を高めることができる。 Therefore, in the fatigue strength estimation method according to this embodiment, the evaluation target material is measured by measuring the defect factors (inclusion size and δ ferrite area ratio) of the evaluation target material without directly performing a fatigue test on the evaluation target material. Therefore, it is possible to grasp the fatigue strength at low cost and in a short time. Moreover, since it is set as the structure which estimates a fatigue strength by measuring a defect factor (inclusion size and (delta) ferrite area ratio), the estimation precision of fatigue strength can be raised.
また、本実施形態である疲労強度推定方法は、健全材疲労強度と、疲労強度の低下率との積を評価対象材の疲労強度として取得する疲労強度算出工程Ｓ０４を備えているので、評価対象材の疲労強度を把握することができる。そして、その評価対象材の疲労強度が、例えば構造部材として十分であるかどうかを判断することができる。 In addition, the fatigue strength estimation method according to the present embodiment includes the fatigue strength calculation step S04 for obtaining the product of the healthy material fatigue strength and the fatigue strength reduction rate as the fatigue strength of the evaluation target material. The fatigue strength of the material can be grasped. And it can be judged whether the fatigue strength of the evaluation object material is enough as a structural member, for example.
また、本実施形態である疲労強度推定方法は、欠陥因子として、介在物のサイズ及びδδフェライトの面積率を測定しているので、予測された疲労強度の中からより低い疲労強度を把握することによって、より安全側の評価をすることが可能である。 In addition, the fatigue strength estimation method according to the present embodiment measures the size of inclusions and the area ratio of δδ ferrite as defect factors, so that a lower fatigue strength can be grasped from the predicted fatigue strength. Therefore, it is possible to make a safer evaluation.
また、本実施形態である疲労強度推定方法は、介在物サイズの測定結果の平均値に、さらに標準偏差を３倍した値を足し合わせたものを用いて疲労強度低下率を取得する構成とされているので、より安全側の評価をすることができる。 In addition, the fatigue strength estimation method according to the present embodiment is configured to acquire the fatigue strength reduction rate by using an average value of inclusion size measurement results and a value obtained by adding three times the standard deviation. Therefore, it is possible to make a safer evaluation.
以上、本発明の実施形態である、翼材の寿命評価方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、この発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 The blade material life evaluation method, which is an embodiment of the present invention, has been described above, but the present invention is not limited to this, and can be changed as appropriate without departing from the technical idea of the present invention.
例えば、評価対象材をタービン翼材の余肉部から、前述の欠陥因子測定工程において測定される評価対象材の試験片を取得する構成とされても良い。具体的には、図５に示すように、放電加工機などを用いてタービン翼材１０の余肉部１１から試験片をサンプリングすれば良い。タービン翼材となる角材の板厚中心部に介在物などの偏析が存在し、この偏析は、鍛伸方向に平行に伸長して分布する傾向にある。角材中心部は、機械工により削り出しされてタービン翼とされた場合にタービン翼のプロファイル表面に現出する部分である。タービン翼においては、このプロファイル表面において疲労強度が問題となることが多く、このプロファイル表面の近傍からサンプリングを行い、上述の実施形態で説明した疲労強度推定方法を適用することによって、より精度の高い疲労強度を把握することができる。
For example, the evaluation target material may be configured to acquire a test piece of the evaluation target material measured in the above-described defect factor measurement step from the surplus portion of the turbine blade material. Specifically, as shown in FIG. 5, the test piece may be sampled from the
なお、上記の実施形態では、タービン翼材に対して本実施形態である疲労強度推定方法を適用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、介在物を有する金属材料や、表面欠陥又は／及び内部欠陥が形成された金属材料に疲労強度推定方法を適用しても良い。 In the above embodiment, the case where the fatigue strength estimation method according to the present embodiment is applied to the turbine blade material has been described. However, the present invention is not limited to this, and the metal material having inclusions or the surface The fatigue strength estimation method may be applied to a metal material in which defects or / and internal defects are formed.
以下に、本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
本実施例においては、１２ＣｒＭｏ鋼を評価対象材として、上記の実施形態で説明した疲労強度推定方法を行った。
まず、評価対象材である１２ＣｒＭｏ鋼に対して、引張試験を行った。その結果、引張強さσＢ＝６０ｋｇｆ／ｍｍ２であった。ここで、予め把握しておいた１２ＣｒＭｏ鋼の疲労強度σＷ０と引張強さσＢとの関係、σＷ０＝０．５σＢの関係より、σＷ０＝３０ｋｇｆ／ｍｍ２が算出される。
Below, the confirmation experiment performed in order to confirm the effectiveness of this invention is demonstrated.
In this example, the fatigue strength estimation method described in the above embodiment was performed using 12CrMo steel as an evaluation target material.
First, the tensile test was done with respect to 12CrMo steel which is an evaluation object material. As a result, the tensile strength σ B was 60 kgf / mm 2 . Here, σ W0 = 30 kgf / mm 2 is calculated from the relationship between the fatigue strength σ W0 and the tensile strength σ B of the 12CrMo steel previously grasped, and the relationship of σ W0 = 0.5σ B.
次に、評価対象材である１２ＣｒＭｏ鋼に対して介在物サイズの評価を行った。評価はレプリカ法により行い、長径の平均値と短径の平均値を求め、これらの平均値を介在物サイズとした。すなわち、介在物の形状は楕円として、長径と短径を求め、これらの平均値である平均長さを算出した。 Next, the inclusion size was evaluated for 12CrMo steel, which is an evaluation target material. Evaluation was performed by the replica method, and the average value of the major axis and the average value of the minor axis were obtained, and these average values were used as the inclusion size. That is, the shape of the inclusion was an ellipse, the major axis and the minor axis were obtained, and the average length, which is the average value of these, was calculated.
そして、１２ＣｒＭｏ鋼の介在物サイズの疲労強度の推定式である、σＷ＝σＷ０×Ａ／｛√（介在物サイズ）｝１／６］の関係を用いて、それぞれの介在物サイズの試験片の疲労強度を推定するとともに疲労強度低下率を算出した。ここで、Ａは材料ごとに実験的に決められる定数である。 Then, using the relationship of σ W = σ W0 × A / {√ (inclusion size)} 1/6 ], which is an estimation formula of the fatigue strength of the inclusion size of 12CrMo steel, each inclusion size test The fatigue strength of the piece was estimated and the fatigue strength reduction rate was calculated. Here, A is a constant determined experimentally for each material.
次に、評価対象材を用いて疲労試験を実施し、実際の疲労強度を求めた。疲労試験は、ＡＳＴＭ Ｅ４６６およびＥ１０１２に準拠して実施した。 Next, a fatigue test was performed using the material to be evaluated, and the actual fatigue strength was obtained. The fatigue test was conducted in accordance with ASTM E466 and E1012.
以上の評価の結果を表１に示す。また、実際に疲労試験を実施して得られた実体疲労強度と、本発明の実施例で行った疲労強度推定方法により得られた推定疲労強度との関係を図６に示す。 The results of the above evaluation are shown in Table 1. FIG. 6 shows the relationship between the actual fatigue strength obtained by actually carrying out the fatigue test and the estimated fatigue strength obtained by the fatigue strength estimation method performed in the example of the present invention.
表１の結果及び、図６に示されるように、疲労強度推定方法により得られた推定疲労強度は、実体疲労強度とほぼ同じであることが確認された。
また、ここでは、σＷ０＝０．５σＢの関係より、σＷ０を算出したが、タービン翼などとして使用した際により安全側の設計をするために、σＷ０＝０．４５σＢなどの０．５より低い値を使用しても良い。
As shown in Table 1 and FIG. 6, it was confirmed that the estimated fatigue strength obtained by the fatigue strength estimation method is substantially the same as the actual fatigue strength.
Here, σ W0 is calculated from the relationship of σ W0 = 0.5σ B. However, in order to design a safer side when used as a turbine blade or the like, 0 such as σ W0 = 0.45 σ B is used. A value lower than .5 may be used.
１０ タービン翼材
１１ 余肉部
Ｓ０１ 健全材疲労強度取得工程
Ｓ０２ 欠陥因子測定工程
Ｓ０３ 疲労強度低下率取得工程
Ｓ０４ 疲労強度算出工程
10
Claims (7)
前記評価対象材における疲労強度に影響を及ぼす欠陥因子として介在物サイズを測定する欠陥因子測定工程と、
予め取得した前記評価対象材における前記疲労強度及び前記健全材疲労強度の比と前記介在物サイズとの関係に基づいて、前記欠陥因子測定工程において取得した前記介在物サイズから、前記疲労強度の低下率を取得する疲労強度低下率取得工程と、を備え、
前記疲労強度低下率取得工程は、介在物を有する場合の前記疲労強度及び前記健全材疲労強度の比と介在物サイズとの関係を、［健全材疲労強度×Ａ／｛√（欠陥サイズ）｝ １／６ ］の関係から求めた曲線に基づいて取得し、前記曲線に前記介在物サイズを対応させて疲労強度の低下率を取得することを特徴とする疲労強度推定方法。
なお、Ａは材料ごとに決められる定数である。 A sound material fatigue strength acquisition step for acquiring a sound material fatigue strength, which is a fatigue strength when there is no defect that affects the fatigue strength of the evaluation target material,
Defect factor measurement step of measuring the inclusion size as a defect factor affecting the fatigue strength in the evaluation target material,
Based on the relationship between the fatigue strength and the ratio of the healthy material fatigue strength and the inclusion size in the evaluation target material acquired in advance, the fatigue strength is reduced from the inclusion size acquired in the defect factor measurement step. A fatigue strength reduction rate acquisition step of acquiring a rate,
In the fatigue strength reduction rate acquisition step, the relationship between the fatigue strength and the ratio of the healthy material fatigue strength and the inclusion size in the case of having inclusions is expressed as [health material fatigue strength × A / {√ (defect size)}. [1/6 ] is obtained based on a curve obtained from the relationship, and a fatigue strength reduction method is obtained by associating the inclusion size with the curve to obtain a fatigue strength reduction rate.
A is a constant determined for each material.
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