JP6704747B2 - 合金材料の評価方法 - Google Patents

Description

本開示は、例えば耐熱部材として用いられる合金材料の評価方法に関する。

従来から、ボイラ等の高温機器に使用されている鋼材の寿命を、クリープ損傷の程度に基づいて評価することが行われている。例えば、鋼材表面のレプリカを採取し、レプリカを観察してクリープボイドを数え、クリープボイド個数の密度や面密度に基づいて寿命消費率を求めること（レプリカ法）が行われている。

また、クリープ損傷推定方法として、特許文献１が開示する銅添加オーステナイト鋼伝熱管材の損傷推定方法では、伝熱管材から採取されたサンプルが透過型電子顕微鏡により観察される。そして、透過型電子顕微鏡により観察されたＣｕ富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度が求められ、クリープ損傷の程度が推定される。

一方、高温機器では、場所によって温度に大きなばらつきがあり、鋼材の寿命が大きく異なる。そこで、高温機器の保守等を目的として、鋼材の使用温度を評価する方法が提案されている。この種の方法として、特許文献２が開示する鋼材の使用温度推定方法では、鋼材中の析出物の成分が分析され、析出物の成分に基づいて鋼材の使用温度が推定される。

さらに、特許文献３には、耐熱材の組織における析出物間の平均距離と、使用温度及び使用時間に関するパラメータとの間の相関関係に基づいて、耐熱部材の使用温度を求める方法が開示されている。

特許第３９９８０５３号公報 特開２００６−３００６０１号公報 特開２０１５−１２５１１６号公報

従来のレプリカ法は、クリープボイドの個数に基づいて寿命消費率を求めており、クリープボイドがある程度成長してその数が増加しないと、鋼材の寿命消費率を評価できないため、精度上の問題がある。

特許文献１に記載された損傷推定方法では、Ｃｕ富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度に基づいてクリープ損傷の程度を推定しており、銅添加型オーステナイト鋼以外の鋼材への適用の可否が明らかではない。

一方、特許文献２に記載された使用温度推定方法では、特許文献１に記載の方法とは異なり、銅を含まない材料にも適用可能である。しかしながら、特許文献２に記載の方法では、析出物中の成分の変化に基づいて使用温度を推定するものであるため、析出物の構成元素の析出量が時間変化しない鋼材、或いは、その変化が小さい鋼材の場合、使用温度の推定が困難である。また、平衡析出量に到達した後は、析出量変化がないため、使用温度の推定は難しい。

これに対し、特許文献３のように、析出物間距離に着目して評価対象物の使用温度を求める場合、平衡状態到達後においても析出物の粒成長によって析出物間距離が変化するため、特許文献２の使用温度推定方法よりも幅広い材料に適用可能である。

しかしながら、本発明者らの鋭意検討の結果、使用前の析出状態や使用中の析出物の粒成長挙動は、同一規格材料であっても、例えば使用前の材料の化学組成や材料製造時の熱処理履歴等の材料初期条件の影響を受けて異なることが明らかとなった。このため、特許文献３に記載された使用温度推定方法のように、析出物間距離と、使用温度及び使用時間に関するパラメータとの間の相関関係を利用して評価対象物の使用温度を求める場合、相関関係を得るために用いたサンプルと評価対象物との材料初期条件（材料の製造履歴）のずれが、使用温度の推定精度を低下させる要因となる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態の目的は、評価対象物（合金材料）の使用温度を高精度に求めることができる合金材料の評価方法を提供することにある。

（１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る合金材料の評価方法は、
合金材料の評価対象物の評価方法であって、
前記評価対象物の金属組織における析出物間の距離を示す距離パラメータを計測するステップと、
前記合金材料の使用温度及び使用時間に関する熱履歴パラメータと、前記合金材料の金属組織における析出物間の距離を示す前記距離パラメータとの相関を示すマスターカーブに対して、前記評価対象物について計測した前記距離パラメータを当てはめて、前記評価対象物の使用温度を算出するステップと、を備え、
前記マスターカーブは、前記評価対象物と同種の合金材料のサンプルついての、前記熱履歴パラメータと前記距離パラメータとの相関を示す基準マスターカーブを、前記評価対象物の材料初期条件に基づいて補正したものである
ことを特徴とする。

上記（１）の方法によれば、評価対象物の材料初期条件に基づいて、評価対象物と同種の合金材料のサンプルについての基準マスターカーブを補正してマスターカーブを得るようにしたので、サンプルと評価対象物との材料初期条件（材料の製造履歴）のずれに起因した使用温度の推定精度の低下を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、
前記合金材料の評価方法は、
前記熱履歴パラメータが互いに異なる複数種の熱履歴条件の下で作製された複数の前記サンプルの各々について前記距離パラメータを計測するステップと、
複数の前記サンプルについてそれぞれ計測した前記距離パラメータと、前記サンプルの各々の前記熱履歴パラメータとの相関から前記基準マスターカーブを取得するステップと、
前記評価対象物の前記材料初期条件に基づいて前記基準マスターカーブを補正して前記マスターカーブを取得するステップと、
をさらに備える。

上記（２）の方法によれば、熱履歴パラメータが互いに異なる複数種の熱履歴条件の下で作製された複数のサンプルの距離パラメータの計測結果を用いて基準マスターカーブを作成するようにしたので、基準マスターカーブを高精度に求めることができる。また、評価対象物の材料初期条件に基づいて基準マスターカーブを補正するようにしたので、上記（１）で述べたように、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度の推定精度の低下を抑制することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の方法において、
前記合金材料の評価方法は、前記サンプルの材料初期条件を入力条件としたシミュレーションにより得られる前記サンプルの前記距離パラメータの計算結果と、前記基準マスターカーブとが整合するような前記シミュレーションの計算条件を決定するステップをさらに備え、
前記マスターカーブを取得するステップでは、決定された前記計算条件の下で、前記評価対象物の前記材料初期条件を入力条件として前記シミュレーションを行うことで、前記評価対象物についての前記熱履歴パラメータに対応する前記距離パラメータを計算することで、前記マスターカーブを取得する。

上記（３）の方法では、サンプルの材料初期条件を入力条件としたシミュレーションにより得られるサンプルの距離パラメータの計算結果と、基準マスターカーブとが整合するようなシミュレーションの計算条件を決定するようになっている。こうして得られた計算条件の下でシミュレーションを行えば、サンプルの材料初期条件を入力条件とした場合には基準マスターカーブを再現可能である。この計算条件の下で、上記（３）のように、サンプルの材料初期条件に替えて、評価対象物の材料初期条件を入力条件とし、評価対象物についての熱履歴パラメータに対応する距離パラメータを計算すれば、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれが考慮されたマスターカーブが得られる。これにより、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度の推定精度の低下を効果的に抑制することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の方法において、
前記材料初期条件（材料の製造履歴）は、前記評価対象物又は前記サンプルの化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、または、結晶粒形状の少なくとも一つを含む。

上記（４）の方法によれば、析出物の粒成長挙動に影響を与える可能性がある化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、または、結晶粒形状等の因子を材料初期条件として考慮し、基準マスターカーブを補正することで、使用温度をより高精度に推定することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の方法において、
前記化学組成は、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ又はＣｕの少なくとも一つの元素の含有率である。

本発明者らの知見によれば、析出物の粒成長挙動に影響を与える元素には、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｕ等がある。そこで、上記（５）で述べたように、材料初期条件としての化学組成として、これらの元素の少なくとも一つの含有率を含めることで、析出物の粒成長挙動を適切に表現可能なマスターカーブを得ることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（４）又は（５）の方法において、
前記固溶化熱処理履歴は、前記評価対象物又は前記サンプルの材料製造時における熱処理温度および熱処理時間を含む。

本発明者らの知見によれば、材料製造時における熱処理温度および熱処理時間は、析出物の粒成長挙動に影響を与える。そこで、上記（６）のように、材料初期条件としての雇用加熱処理履歴として、評価対象物又はサンプルの製造時における熱処理温度および熱処理時間を含めることで、析出物の粒成長挙動を適切に表現可能なマスターカーブを得ることができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（３）乃至（６）の何れかの方法において、
前記シミュレーションの前記計算条件は、前記金属組織における析出物の元素構成比率または析出サイトの少なくとも一方を含む。

上記（７）の方法によれば、シミュレーションの計算条件として、析出物の元素構成比率または析出サイトの少なくとも一方を用いるようにしたので、非平衡過程である析出過程を適切にシミュレートすることができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの方法において、
前記距離パラメータは、前記金属組織における析出物間の平均距離、前記金属組織における析出物の粒径、または、前記金属組織における析出物の数密度の少なくとも一つを含む。

本発明者らの知見によれば、金属組織における析出物間の平均距離、析出物の粒径および析出物の数密度は、合金材料の使用温度及び使用時間に関する熱履歴パラメータと相関がある。
そこで、上記（８）のように、これらのうち少なくとも一つを熱履歴パラメータとして用いることで、合金材料の使用温度を適切に求めることができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの方法において、
前記合金材料の評価方法は、算出された前記評価対象物の前記使用温度に基づいて、前記評価対象物の余寿命を評価するステップをさらに備える。

上記（１）で述べたように、本発明の幾つかの実施形態に係る合金材料の評価方法によれば、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度の推定精度の低下を抑制することができる。こうして得られた評価対象物の使用温度を上記（９）の方法のように評価対象物の余寿命評価に用いれば、余寿命を高精度に評価することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかの方法において、
前記合金材料は、オーステナイト系ステンレス鋼又はＮｉ基合金である。

例えばオーステナイト系ステンレス鋼やＮｉ基合金は、高温環境下で使用するにつれて析出物の粒成長が起きる。このため、オーステナイト系ステンレス鋼やＮｉ基合金に上記（１）〜（９）の評価方法を適用することで、評価対象物（合金材料）の使用温度を高精度に求めることができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の方法において、
前記評価対象物は、ボイラの伝熱管である。

ボイラ炉内はガスの偏流により炉幅方向の温度アンバランスが生じるため、ボイラの保守管理の観点から伝熱管の使用温度を把握することが望ましい。しかし、ボイラ炉内は過酷な環境であるため、例えば熱電対などの温度センサを用いた計測は困難である。
この点、上記（１）〜（１０）で述べた方法は、過酷な環境であるボイラの炉内に温度センサを設置することなしに、ボイラ伝熱管（評価対象物）の使用温度を高精度に推定することができる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、評価対象物の材料初期条件に基づいて、評価対象物と同種の合金材料のサンプルについての基準マスターカーブを補正してマスターカーブを得るようにしたので、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度の推定精度の低下を抑制することができる。

一実施形態に係る合金材料の評価方法を示すフローチャートである。 距離パラメータ計測工程の概略的な手順の一例を示すフローチャートである。 距離パラメータ計測工程の一部を説明するための図であり、（ａ）は評価対象物の概略的な部分断面を示し、（ｂ）は研磨工程後の評価対象物の概略的な部分断面を示し、（ｃ）は母材エッチング工程後の評価対象物の概略的な部分断面を示し、（ｄ）はレプリカ取得工程の様子を示し、（ｅ）はレプリカ取得工程によって得られたレプリカの概略的な部分断面を示している。 距離パラメータ計測工程の測距工程を説明するための図である。 合金材料が経験する熱履歴に応じて距離パラメータＸが変化する様子を例示した図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の順に熱履歴パラメータが大きくなっている。 熱履歴パラメータλと距離パラメータＸとの相関を示す基準マスターカーブの一例を示すグラフである。 材料初期条件としての化学組成が異なる同一規格材料の２種類の合金材料Ａ，Ｂに対して使用後の平均粒子間距離の計測結果を示す表である。 析出シミュレーションの一例の具体的内容を示す図である。 マスターカーブを例示したグラフであり、（ａ）は評価対象物の合金材料中における析出物の構成元素の含有量が比較的少ない場合のマスターカーブの例を示しており、（ｂ）は評価対象物の合金材料中における析出物の構成元素の含有量が比較的多い場合のマスターカーブの例を示している。 評価対象物の余寿命評価に用いられる、クリープ試験片の破断時間と応力と温度との関係を概略的に示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、一実施形態に係る合金材料の評価方法を示すフローチャートである。

図１に示すように、幾つかの実施形態では、温度及び時間に関する熱履歴パラメータが互いに異なる複数種の熱履歴条件の下で、評価対象物と同種の合金材料を熱処理することで、複数のサンプルを作製する（ステップＳ１）。なお、サンプルは、評価対象物と同一規格材料であってもよい。
ここで、熱履歴パラメータとして、標準試料が加熱されたときの温度（メタル温度）をＴ（単位：Ｋ）とし、加熱されていた時間をｔ（単位：ｈ）としたときに、次式（１）：
λ＝Ｔ（２０＋ｌｏｇｔ）・・・（１）
で表されるパラメータを用いてもよい。

なお、幾つかの実施形態では、ステップＳ１で用いる複数のサンプルは、材料初期条件（材料の製造履歴）が共通したものを用いる。これにより、ステップＳ３で求める基準マスターカーブ１００の精度を高めることができる。

なお、ステップＳ１で採用する複数種の熱履歴条件は任意に設定可能であるが、例えば、６００℃以上７５０℃以下の温度範囲内から選択された複数の温度条件と、１０万時間以下の範囲内から選択された複数の時間条件と、の種々の組み合わせを用いてもよい。

続いて、ステップＳ１にて得た複数のサンプルについて、それぞれ、距離パラメータＸを計測する（ステップＳ２）。以下、図２〜図４を参照して、距離パラメータＸの算出方法について説明する。

図２は、距離パラメータ計測工程の概略的な手順の一例を示すフローチャートである。
図２に示すように、距離パラメータ計測工程（ステップＳ２）は、研磨工程Ｓ２０と、母材エッチング工程Ｓ２２と、レプリカ取得工程Ｓ２４と、レプリカ画像取得工程Ｓ２６と、測距工程Ｓ２８と、距離パラメータ演算工程Ｓ３０とを有する。

図３は、距離パラメータ計測工程（ステップＳ２）の一部を説明するための図であり、図３（ａ）は、評価対象物３０の概略的な部分断面を示し、図３（ｂ）は、研磨工程Ｓ２０後の評価対象物３０の概略的な部分断面を示し、図３（ｃ）は、母材エッチング工程Ｓ２２後の評価対象物３０の概略的な部分断面を示し、図３（ｄ）は、レプリカ取得工程Ｓ２４の様子を示し、図３（ｅ）は、レプリカ取得工程Ｓ２４によって得られたレプリカ３２の概略的な部分断面を示している。図４は、距離パラメータ計測工程の測距工程Ｓ２８を説明するための図である。

距離パラメータ計測工程（ステップＳ２）では、まず研磨工程Ｓ２０にて、図３（ｂ）に示すように検査対象の評価対象物３０の表面が鏡面研磨される。
それから、母材エッチング工程Ｓ２２にて、図３（ｃ）に示すように、析出物３４を溶かさずに、母材３６がエッチングにより除去される。なお、母材３６の粒界３８では、エッチングが早く進行する。

この後、レプリカ取得工程Ｓ２４にて、図３（ｄ）に示すように、レプリカフィルム４０がエッチングされた評価対象物３０の表面に貼られる。それから、析出物３４がレプリカフィルム４０に貼り付いた状態でレプリカフィルム４０を剥がすと、図３（ｅ）に示すように、析出物３４が転写されたレプリカ３２が得られる。この場合、レプリカ３２は、レプリカフィルム４０と、レプリカフィルム４０に付着した析出物３４とからなる。

図４は、距離パラメータ計測工程の測距工程Ｓ２８を説明するための図である。
図４は、走査型電子顕微鏡によってレプリカ３２の表面を観察して得られる画像の一部を概略的に示す図である。この画像中において、合金材料の金属組織中における様々な形状の複数の析出物３４を確認することができる。

幾つかの実施形態では、距離パラメータＸは、合金材料の金属組織における析出物３４間の平均距離、析出物３４の粒径、または、析出物３４の数密度の少なくとも一つである。距離パラメータＸとしての複数の析出物３４間の平均距離（析出物の平均粒子間距離）Ｌｍは、以下のようにして求められる。

まず、画像中において仮想的な直線４２を引き、直線４２と各析出物３４の表面との交点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｉ（ただし、ｉは整数である）の座標を求める。
そして、析出物３４間の距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、・・・、Ｌｋ（ただし、ｋは整数である）が測定される。距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、・・・、Ｌｋは、それぞれ交点Ｐ１と交点Ｐ２、交点Ｐ３と交点Ｐ４、交点Ｐ５と交点Ｐ６、交点Ｐ２ｋ−１と交点Ｐ２ｋの間の直線距離である。

それから、距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、・・・、Ｌｋの算術平均を計算することにより、平均距離Ｌｍが求められる。
Ｌｍ＝（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋・・・＋Ｌｋ）／ｋ

平均距離Ｌｍを求めるとき、析出物３４を成分によって取捨選択あるいは区別するようなことはせず、成分とは無関係に、析出物３４間の平均距離Ｌｍが求められる。距離Ｌｋの測定に用いることができる析出物３４は、例えば、数μｍ程度以上の大きさを有する。
なお、複数の仮想的な直線４２を引き、直線４２毎に距離Ｌｋを求め、それらの距離Ｌｋの算術平均を平均距離Ｌｍとして求めてもよい。

こうして得られた距離パラメータＸは、各サンプルの熱履歴パラメータλと相関を有する。ステップＳ３では、ステップＳ１で作製した複数のサンプルの熱履歴パラメータλと、ステップＳ２で得た各々のサンプルの距離パラメータＸとの相関を求め、この相関を基準マスターカーブとして取得する。

図５は、合金材料が経験する熱履歴に応じて距離パラメータＸが変化する様子を例示した図であり、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）、図５（ｅ）の順に熱履歴パラメータが大きくなっている。図６は、熱履歴パラメータλと距離パラメータＸとの相関を示す基準マスターカーブの一例を示すグラフである。
なお、図５及び図６は、合金材料がオーステナイト系ステンレス鋼である場合を例示している。

図５（ａ）に示すように、未加熱の合金材料では、粒界３８（オーステナイト粒界）は見られるが、母材３６及び粒界３８には析出物３４は無い。加熱を始めると、図５（ｂ）に示すように、炭化物（Ｍ_２３Ｃ_６）からなる析出物３４ｃが析出し始める。
加熱を続けると、図５（ｃ）に示すように、析出物３４ｃが成長するとともに、複合窒化物（ＭＸ）からなる析出物３４ｎが、母材３６中、すなわちオーステナイト粒子の内部に析出する。
更に加熱を続けると、図５（ｄ）に示すように、析出物３４ｃ及び析出物３４ｎの粗大化、及び、σ相からなる析出物３４ｓの粒界３８での析出が始まり、粒界３８が不鮮明になる。そして更に加熱を続けると、図５（ｅ）に示すように、析出物３４ｃ及び析出物３４ｎの粗大化及び凝集、及び、析出物３４ｓの粗大化が進み、粒界３８が更に不鮮明になる。
図５（ａ）〜図５（ｅ）に示すように、熱履歴パラメータλが増加するにつれて、析出物３４（３４ｃ，３４ｎ，３４ｓ）の粒成長挙動に伴って距離パラメータＸが変化するのである。

図６に示すように、複数のサンプルについて、熱履歴パラメータλと距離パラメータＸとの相関を整理することにより、基準マスターカーブ１００が取得される。なお、基準マスターカーブ１００は、熱履歴パラメータλに対応する各サンプルの距離パラメータＸの計測結果（図６中の黒丸）を補間して得られた関数であってもよい。

ここで、材料初期条件が距離パラメータＸ（マスターカーブ）に与える影響について、図７を参照して説明する。

図７は、材料初期条件としての化学組成が異なる同一規格材料の２種類の合金材料Ａ，Ｂに対して使用後の平均粒子間距離の計測結果を示す表である。
図７に示すように、合金材料Ａは、合金材料Ｂに比べて、析出物構成元素であるＣ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｎの含有量が若干多い。このため、合金材料Ａにおいて析出物の数密度が比較的多くなるために、合金材料Ａの平均粒子間距離は合金材料Ｂに比べて小さくなる。
このように、同一規格材料の合金材料間であっても、析出物構成元素の含有量の違いが距離パラメータＸに影響を及ぼし得る。よって、サンプルについて求めた基準マスターカーブ１００をそのまま評価対象物に適用するのではなく、基準マスターカーブ１００を補正する必要がある。

そこで、以下で述べるステップＳ４〜Ｓ６において、シミュレーションを活用して、基準マスターカーブ１００を補正する。

ステップＳ４では、まず、基準マスターカーブ１００が再現されるシミュレーションの計算条件を決定する。なお、ここでいう「シミュレーション」は、非平衡状態である析出過程を計算可能な析出シミュレーションであってもよい。また、「計算条件」は、合金材料の金属組織中における析出物の元素構成比率または析出サイトの少なくとも一方を含む。

図８は、析出シミュレーションの一例の具体的内容を示す図である。
幾つかの実施形態では、図８に示すように、析出シミュレーションは、合金材料の材料初期条件（材料の製造履歴）を入力条件として、析出物の経年変化を出力するようになっている。
材料初期条件は、合金材料の化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、または、結晶粒形状の少なくとも一つを含む。
図８に示す例示的な実施形態では、析出シミュレーションでは、最初に、合金材料の化学組成を入力条件として平衡計算を行って、各温度における析出物の種類と体積を求める（ステップＳ１００）。この際、合金材料の化学組成として、例えば、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｕ等の析出物構成元素の含有量を入力条件としてもよい。そして、合金材料の固溶化熱処理履歴（例えば、合金材料が配管である場合には配管加工時の熱処理履歴（熱処理温度及び時間））を入力条件としてＳｃｈｅｉｌ計算を行い、凝固時における析出相の有無を確認する（ステップＳ１０２）。続いて、合金材料の金属組織を観察することで得られた結晶粒の粒径および／または粒形状を入力条件とし、析出物の計算を行う（ステップＳ１０４）。ここでいう「結晶粒」とは、オーステナイト（γ）粒子である。こうして、析出物の種類、粒径、体積分率および粒子間距離等について、析出物の経年変化についての計算結果が得られる（ステップＳ１０６）。

ステップＳ４において、析出シミュレーションの計算条件を決定するためには、複数のサンプルの材料初期条件（例えば、サンプルの合金材料の化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、結晶粒形状等）を入力条件として析出シミュレーションを行ってみて、析出シミュレーションによる距離パラメータＸの計算結果が基準マスターカーブ１００に整合するまで、計算条件を変更してもよい。析出シミュレーションの実行および計算条件の変更を繰り返すことにより、析出シミュレーションによる距離パラメータＸの計算結果と基準マスターカーブ１００とのずれが許容範囲内に収まったら、そのときの計算条件をそれ以降使用するようにしてもよい。

続いて、ステップＳ４にて決定された計算条件の下で、評価対象物の材料初期条件（例えば、評価対象物の合金材料の化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、結晶粒形状等）を入力条件として析出シミュレーションを行う（ステップＳ５）。この際、析出シミュレーションは、ステップＳ４にてサンプルについて行った析出シミュレーションと同じ手順（図８参照）で行う。

析出シミュレーションにより、評価対象物についての熱履歴パラメータλに対応する距離パラメータＸの計算結果が得られる。評価対象物について行った析出シミュレーションの結果を、熱履歴パラメータλと距離パラメータＸとの相関として整理することで、評価対象物についてのマスターカーブ２００が得られる（ステップＳ６）。
こうして得られたマスターカーブ２００は、基準マスターカーブ１００を再現可能である析出シミュレーションに対して、サンプルの材料初期条件に替えて、評価対象物の材料初期条件を入力することで得られたものであるから、評価対象物の材料初期条件に基づいて基準マスターカーブ１００を補正したものであると捉えることができる。

図９はマスターカーブ２００を例示したグラフであり、図９（ａ）は評価対象物の合金材料中における析出物の構成元素の含有量が比較的少ない場合のマスターカーブ２００の例を示しており、図９（ｂ）は評価対象物の合金材料中における析出物の構成元素の含有量が比較的多い場合のマスターカーブ２００の例を示している。
評価対象物の合金材料中の析出物構成元素（例えば、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｕ等）の含有量が、サンプルの合金材料に比べて少ない場合、評価対象物の高温環境下での使用し伴い生成される析出物（ＣｒＮｂＮやσ相等）の析出量が少なくなる。この場合、図９（ａ）に示すように、サンプルについての基準マスターカーブ１００に対して、評価対象物のマスターカーブ２００Ａは上方にずれる（即ち、距離パラメータＸが大きくなる）。
逆に、評価対象物の合金材料中の析出物構成元素（例えば、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｕ等）の含有量が、サンプルの合金材料に比べて多い場合、評価対象物の高温環境下での使用し伴い生成される析出物（ＣｒＮｂＮやσ相等）の析出量が多くなる。この場合、図９（ｂ）に示すように、サンプルについての基準マスターカーブ１００に対して、評価対象物のマスターカーブ２００Ｂは下方にずれる（即ち、距離パラメータＸが小さくなる）。

続いて、ステップＳ７において、評価対象物について距離パラメータＸを計測する。この際、ステップＳ２にてサンプルについて行った距離パラメータＸの計測方法と同様にして、評価対象物について距離パラメータＸを計測してもよい。
すなわち、評価対象物について、研磨工程Ｓ２０と、母材エッチング工程Ｓ２２と、レプリカ取得工程Ｓ２４と、レプリカ画像取得工程Ｓ２６と、測距工程Ｓ２８と、距離パラメータ演算工程Ｓ３０と、を順に行うことで、距離パラメータＸを計測してもよい。

そして、ステップＳ８において、ステップＳ６で求めた評価対象物についてのマスターカーブ２００に対して、ステップＳ７にて評価対象物について計測した距離パラメータＸを当てはめて、評価対象物の評価時点における熱履歴パラメータλを求める。そして、熱履歴パラメータλと、既知である使用時間ｔとを上記式（１）に代入することで、評価対象物の使用温度Ｔを算出することができる。

幾つかの実施形態では、図１のステップＳ９に示すように、算出された評価対象物の使用温度Ｔに基づいて、評価対象物の余寿命を評価する。この際、評価対象物と同種の合金材料のクリープ試験片の破断時間と応力と温度との関係を予め求めておき、この既知に関係に評価対象物の使用温度Ｔ及び評価対象物に作用する応力を当てはめることで、評価対象物の余寿命を算出してもよい。

図１０は、評価対象物の余寿命評価に用いられる、クリープ試験片の破断時間と応力と温度との関係を概略的に示すグラフである。同図に示される関係は、複数のクリープ試験片について、異なる温度（図１０に示す例では、６００℃、６５０℃、７００℃、７５０℃、８００℃）でクリープ強度試験を行うことにより取得することができる。
ステップＳ９では、図１０のような既知の関係から、評価対象物の使用温度Ｔおよび評価対象物に作用する応力に対応する破断時間を読取って、評価時点までの累積使用時間を破断時間から差し引くことで評価対象物の余寿命を求めることが可能である。図１０に示す例において、評価対象物の使用温度Ｔが６５０℃であり、評価対象物に作用する応力が１１０ＭＰａであれば、評価対象物の破断時間は１０００００時間である。評価対象物の使用時間ｔが１００００時間であれば、評価対象物の寿命消費率は、１００００×１００／１０００００＝１０（％）となる。
なお、評価対象物に作用する応力は、評価対象物がボイラの伝熱管である場合、ボイラの運転圧力及び評価対象物の形状に基づいて求めることができる。

上述の実施形態では、評価対象物の材料初期条件に基づいて、評価対象物と同種の合金材料のサンプルについての基準マスターカーブ１００を補正してマスターカーブ２００を得るようにしたので（ステップＳ６）、サンプルと評価対象物との材料初期条件（材料の製造履歴）のずれに起因した使用温度Ｔの推定精度の低下を抑制することができる。

また、熱履歴パラメータλが互いに異なる複数種の熱履歴条件の下で作製された複数のサンプルの距離パラメータＸの計測結果を用いて基準マスターカーブ１００を作成するようにしたので（ステップＳ１〜Ｓ３）、基準マスターカーブ１００を高精度に求めることができる。また、評価対象物の材料初期条件に基づいて基準マスターカーブ１００を補正するようにしたので、上述のように、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度Ｔの推定精度の低下を抑制することができる。

また、ステップＳ４では、サンプルの材料初期条件を入力条件としたシミュレーションにより得られるサンプルの距離パラメータＸの計算結果と、基準マスターカーブ１００とが整合するようなシミュレーションの計算条件を決定するようになっている。こうして得られた計算条件の下でシミュレーションを行えば、サンプルの材料初期条件を入力条件とした場合には基準マスターカーブ１００を再現可能である。この計算条件の下で、サンプルの材料初期条件に替えて、評価対象物の材料初期条件を入力条件とし、評価対象物についての熱履歴パラメータに対応する距離パラメータＸを計算すれば、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれが考慮されたマスターカーブ２００が得られる。これにより、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度Ｔの推定精度の低下を効果的に抑制することができる。

さらに、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれの影響を低減して、使用温度Ｔを高精度に推定可能であるから、ステップＳ９において、使用温度Ｔの推定結果に基づいて評価対象物の余寿命を高精度に評価することができる。

幾つかの実施形態では、評価対象物は、オーステナイト系ステンレス鋼又はＮｉ基合金である。ここで、オーステナイト系ステンレス鋼は、例えば、１８Ｃｒ−８Ｎｉ系ステンレスや２０―２５Ｃｒ系ステンレスであってもよい。
オーステナイト系ステンレス鋼やＮｉ基合金は、高温環境下で使用するにつれて析出物の粒成長が起きる。このため、オーステナイト系ステンレス鋼やＮｉ基合金に上述の評価方法を適用することで、評価対象物（合金材料）の使用温度を高精度に求めることができる。

幾つかの実施形態では、評価対象物は、火炉壁を構成する伝熱管（蒸発管）や、過熱器や再熱器の伝熱管を含む、ボイラの伝熱管であってもよい。

ボイラ炉内はガスの偏流により炉幅方向の温度アンバランスが生じるため、ボイラの保守管理の観点から伝熱管の使用温度を把握することが望ましい。しかし、ボイラ炉内は過酷な環境であるため、例えば熱電対などの温度センサを用いた計測は困難である。
この点、上述の評価方法は、過酷な環境であるボイラの炉内に温度センサを設置することなしに、ボイラ伝熱管（評価対象物）の使用温度を高精度に推定することができるので有用である。

本発明は上述した幾つかの実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、上述の実施形態では、基準マスターカーブ１００を補正してマスターカーブ２００を取得するために、ステップＳ４〜ステップＳ６においてシミュレーションを活用するようになっていたが、シミュレーションを用いずに基準マスターカーブ１００を補正してもよい。
具体的には、材料初期条件（例えば、合金材料の化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、結晶粒形状など）が互いに異なる複数のサンプル群のそれぞれについて複数の基準マスターカーブ１００を求めることで、材料初期条件とマスターカーブの相間を予め取得する。そして、この相関に、評価対象物の材料初期条件を当てはめることで、評価対象物のマスターカーブ２００を求めてもよい。

３０ 評価対象物
３２ レプリカ
３４，３４ｃ，３４ｎ，３４ｓ 析出物
３６ 母材
３８ 粒界
４０ レプリカフィルム
４２ 直線
１００ 基準マスターカーブ
２００，２００Ａ，２００Ｂ マスターカーブ
Ａ，Ｂ 合金材料
Ｘ 距離パラメータ
Ｔ 使用温度
ｔ 使用時間

Claims (9)

1. 合金材料の評価対象物の評価方法であって、
   前記評価対象物の金属組織における析出物間の距離を示す距離パラメータを計測するステップと、
   前記合金材料の使用温度及び使用時間に関する熱履歴パラメータと、前記合金材料の金属組織における析出物間の距離を示す前記距離パラメータとの相関を示すマスターカーブに対して、前記評価対象物について計測した前記距離パラメータを当てはめて、前記評価対象物の使用温度を算出するステップと、を備え、
   前記マスターカーブは、前記評価対象物と同種の合金材料のサンプルについての、前記熱履歴パラメータと前記距離パラメータとの相関を示す基準マスターカーブを、前記評価対象物の材料初期条件に基づいて補正したものであり、
   前記熱履歴パラメータが互いに異なる複数種の熱履歴条件の下で作製された複数の前記サンプルの各々について前記距離パラメータを計測するステップと、
   複数の前記サンプルについてそれぞれ計測した前記距離パラメータと、前記サンプルの各々の前記熱履歴パラメータとの相関から前記基準マスターカーブを取得するステップと、
   前記評価対象物の前記材料初期条件に基づいて前記基準マスターカーブを補正して前記マスターカーブを取得するステップと、
   前記サンプルの材料初期条件を入力条件としたシミュレーションにより得られる前記サンプルの前記距離パラメータの計算結果と、前記基準マスターカーブとが整合するような前記シミュレーションの計算条件を決定するステップと、をさらに備え、
   前記マスターカーブを取得するステップでは、決定された前記計算条件の下で、前記評価対象物の前記材料初期条件を入力条件として前記シミュレーションを行うことで、前記評価対象物についての前記熱履歴パラメータに対応する前記距離パラメータを計算することで、前記マスターカーブを取得する
   ことを特徴とする合金材料の評価方法。
2. 前記材料初期条件は、前記評価対象物又は前記サンプルの化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、または、結晶粒形状の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の合金材料の評価方法。
3. 前記化学組成は、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ又はＣｕの少なくとも一つの元素の含有率であることを特徴とする請求項２に記載の合金材料の評価方法。
4. 前記固溶化熱処理履歴は、前記評価対象物又は前記サンプルの材料製造時における熱処理温度および熱処理時間を含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の合金材料の評価方法。
5. 前記シミュレーションの前記計算条件は、前記金属組織における析出物の元素構成比率または析出サイトの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の合金材料の評価方法。
6. 前記距離パラメータは、前記金属組織における析出物間の平均距離、前記金属組織における析出物の粒径、または、前記金属組織における析出物の数密度の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の合金材料の評価方法。
7. 算出された前記評価対象物の前記使用温度に基づいて、前記評価対象物の余寿命を評価するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の合金材料の評価方法。
8. 前記合金材料は、オーステナイト系ステンレス鋼又はＮｉ基合金であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の合金材料の評価方法。
9. 前記評価対象物は、ボイラの伝熱管であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の合金材料の評価方法。

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