JPH06109650A

JPH06109650A - 金属材料損傷量算出方法

Info

Publication number: JPH06109650A
Application number: JP4256370A
Authority: JP
Inventors: Itaru Murakami; 上格村; Kazunari Fujiyama; 山一成藤; Hiroaki Yoshioka; 岡洋明吉; Nagatoshi Okabe; 部永年岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1994-04-22

Abstract

(57)【要約】【目的】応力集中部やホットスポットなど、局部的に
損傷が蓄積する部位の損傷量を直接的に算出できるよう
にする。【構成】あらかじめ実験室で損傷の中断試験（１）を
実施し、中断試験片のデンドライト組織を採取し（２
ａ）、前期採取組織を画像処理して（３ａ）デンドライ
ト組織の形状を抽出した結果から、中断試験片のデンド
ライト組織の変型量を算出する（４ａ）。ここで、算出
した変型量を縦軸に、中断試験で与えた損傷量を横軸に
とり、グラフにプロットして損傷マスターカーブ（５）
を作成しておく。実機材料の損傷量の算出にあたって
は、実機材料の組織をレプリカ転写等により採取し（２
ｂ）、前記中断試験片で行ったものと同様に画像処理
（３ｂ）を施し、デンドライト組織の変型量を算出し
（４ｂ）、損傷マスターカーブ（５）と照合して実機材
料の損傷量を算出する（６）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、デンドライト組織を呈
する金属材料の損傷量を算出する方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】高温・高応力の条件下で長時間運用され
る構造物は、クリープ損傷などの金属材料の損傷の蓄積
により、き裂が発生・進展し、その健全性を損なう可能
性が高い。このため、構造物の高温部品の定期検査の際
に、材料の損傷量を定期的に評価して、構造物の健全性
を判定する必要がある。

【０００３】従来の方法では、予め材料に負荷される温
度および応力などの物理量と損傷量の関係を実験により
求めておき、実機部材の使用条件から、実機材料の損傷
量を推定して算出している。なお、本明細書では、構造
物等を実機部材、実機部材に用いられる金属材料を実機
材料と呼ぶことにする。

【０００４】しかし、このような推定手法では、温度お
よび応力の計測や推定に起因する誤差が大きく、確実な
推定が行えなかった。また、使用中の実機部材に作用す
る応力は、応力緩和や、変形に伴う応力の再配分により
変化するが、従来手法によりこれを考慮した推定を行う
ことは困難であった。

【０００５】そこで、近時は金属の結晶粒の変型を計測
して、その変型量から材料の損傷量を推定する試みも成
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、変形量を正確
に測定するためには、複数の結晶粒の観察結果を統計処
理する必要がある。そのため、応力集中部やホットスポ
ットなど、局部的に損傷が蓄積する部位の損傷量を算出
することは困難であった。したがって、このような応力
集中部などの領域の最も損傷が蓄積している部位の損傷
量を、温度および応力の計測または推定を必要とせず
に、直接的に算出する手法の確立が望まれている。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、デンドライト組織を呈する鋳造金属などの金属
材料につき、応力集中部などの局所的な領域の損傷量を
直接的に算出する方法を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として、第１の発明は、所定条件下に置かれる実
機部材に、デンドライト組織を有する金属材料を用いた
場合に、この金属材料の損傷量を、その結晶粒の変形量
の計測に基いて算出する金属材料損傷量算出方法におい
て、前記金属材料のデンドライト組織についての分布状
態を所定画像処理方法によって得るようにし、この分布
状態を示す画像におけるデンドライトコアの縦横比を所
定演算式を用いて演算し、この縦横比から前記金属材料
の損傷量を求めることを特徴とするものである。

【０００９】また、第２の発明は、所定条件下に置かれ
る実機部材に、デンドライト組織を有する金属材料を用
いた場合に、この金属材料の損傷量を、その結晶粒の変
形量の計測に基いて演算する金属材料損傷量算出方法に
おいて、前記金属材料のデンドライト組織についての分
布状態を所定画像処理方法によって得るようにし、この
分布状態を示す画像における一定数以上のデンドライト
コアについて、その最長ベクトルの傾きの統計量を求
め、この統計量から前記金属材料の損傷量を求めること
を特徴とするものである。

【００１０】

【作用】鋳造により製造される合金材料等の金属の場
合、その凝固は樹形状に進行し、デンドライトコアと呼
ばれる組織を形成する。このデンドライトコアは金属材
料に加わる応力の状態に従って変形するので、デンドラ
イトコアの変形の程度を調べることにより金属材料の損
傷量を求めることができる。

【００１１】したがって、まず、デンドライト組織につ
いての分布状態を所定画像処理方法によって得ることに
より、デンドライトコアの変形の程度を定量化できるよ
うにする。

【００１２】ここで、デンドライトコアの変形の程度を
定量化する手法として、デンドライトコアの形状の縦横
比を用いる手法と、デンドライトコアの形状についての
最長ベクトルの傾きを用いる手法とがある。

【００１３】第１の発明は前者の手法であり、所定演算
式を用いて縦横比を演算し、この縦横比から損傷量を求
めるものである。また、第２の発明は後者の手法であ
り、一定数以上のデンドライトコアについて、最長ベク
トルの統計量を求め、この統計量から金属材料の損傷量
を求めようとするものである。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図１３に基
いて説明する。なお、以下の実施例では、ガスタービン
静翼に用いられるＣｏ基超合金のクリープ損傷量を算出
する場合について説明する。

【００１５】図１は、第１の発明の実施例の内容を示す
概念図である。すなわち、まず、あらかじめ実験室で損
傷の中断試験（１）を実施し、中断試験片のデンドライ
ト組織を採取し（２ａ）、前期採取組織を画像処理して
（３ａ）デンドライト組織の形状を抽出した結果から、
中断試験片のデンドライト組織の変型量を算出する（４
ａ）。ここで、算出した変型量を縦軸に、中断試験で与
えた損傷量を横軸にとり、グラフにプロットして損傷マ
スターカーブ（５）を作成しておく。

【００１６】実機材料の損傷量の算出にあたっては、実
機材料の組織をレプリカ転写等により採取し（２ｂ）、
前記中断試験片で行ったものと同様に画像処理（３ｂ）
を施し、デンドライト組織の変型量を算出し（４ｂ）、
損傷マスターカーブ（５）と照合して実機材料の損傷量
を算出する（６）。

【００１７】本実施例では、中断試験（１）としてクリ
ープ中断試験を実施する。すなわち、まず、クリープ破
断試験を行い、クリープ破断時間を求める。つぎに、ク
リープ破断試験と同一の試験条件の下で、試験材料にク
リープ損傷を与える。ここで、試験片にクリープ損傷を
与えた時間とクリープ破断時間との比をクリープ損傷量
と定義する。

【００１８】鋳造により製造される合金材料の凝固は樹
形状に進行し、デンドライトコアと呼ばれる組織を形成
する。図２は、ガスタービンの静翼に用いられる、Ｃｏ
基超合金の未使用材組織観察写真に基く説明図である
が、図２で白色を呈している部分がデンドライトコアで
ある。一方、図２で黒色を呈している部分（斜線部）は
デンドライトコアが生成された後に凝固した部分で、デ
ンドライト境界と呼ばれる。図２の例ではデンドライト
境界に炭化物を多く含むため、黒色を呈する。

【００１９】図２では、結晶の成長方向に沿って伸びる
１次デンドライトアームと、１次アームとほぼ直交する
方向に伸びる２次デンドライトアームが観察されるが、
さらに高倍率の観察では、３次アーム、４次アームなど
が観察され、自己相似性を呈している。

【００２０】部材にクリープ損傷が蓄積すると、デンド
ライト組織は図３に示すように、主応力方向に沿って変
型する。本発明では画像処理（３）によって、デンドラ
イト組織の形状を抽出し、変型を定量化して変型量を求
める（４）。

【００２１】本実施例では、デンドライトコアの長さの
縦横比を図４に示す手順により算出する。すなわち、ま
ず組織写真のノイズを除去した後、微分フィルタをか
け、得られた画像を２値化することにより、デンドライ
トコアの境界を抽出する。図５は、ラプラシアンフィル
タによりデンドライトコアの境界を抽出した例である。

【００２２】次に、上記の境界を抽出した画像に、図６
に示すような格子パターンをかけ、デンドライトコアの
境界と格子の縦線および横線との交点の数をそれぞれ集
計する。本実施例では、Ｖ１〜Ｖｍまでのｍ本の縦線
と、Ｈ１〜Ｈｎまでのｎ本の横線を描画する。デンドラ
イトコアの境界と線ＶｉおよびＨｊの交点の個数をそれ
ぞれａ_Vi、ａ_Hjの様に表現し、縦線および横線の長さを
それぞれＬ_VおよびＬ_Hで表すと、デンドライトコアの
縦横比μは、次式（１）で求められる。

【００２３】 μ＝（Σａ_Vi／Σａ_Hj）・（ｎ／ｍ）・（Ｌ_H／Ｌ_V）……（１）未使用材では、縦横比は結晶粒の方向によらずほぼ１で
あるのにたいし、クリープ損傷材では、クリープ損傷の
蓄積にしたがってμ値が増加する。本実施例では、実験
室的にクリープ破断試験を行い、破断時間の２０％、４
０％、６０％および８０％を経過した時点のデンドライ
トコア縦横比を試験片毎に数点計測して平均値をとり、
未使用材およびクリープ破断材の計測結果を加えて、図
７に示すようなマスターカーブ（５）を得る。

【００２４】このマスターカーブ（５）を、実験室的に
求めたのち、実機材料の組織を評価する。本実施例は、
実機材料の組織採取（２ｂ）は、評価対象部位の表面を
鏡面研磨し、仕上げ面をエッチングした後、組織をレプ
リカフィルム転写することによって行う。前記レプリカ
フィルムを顕微鏡写真で撮影し、マスターカーブ作成用
データ計測手順と同様に、組織画像処理（３ｂ）を行
い、デンドライト組織の変型量μを算出する（４ｂ）。
ここで得られた変型量を前記マスターカーブ（５）と照
し合せることにより、実機材料のクリープ損傷量（６）
を算出することができる。

【００２５】上記手順により、本発明によって最もクリ
ープ損傷が蓄積している部位の局所的なクリープ損傷量
を的確に求めることができる。

【００２６】次に、第２の発明の実施例につき説明す
る。図８に示すように未使用材料のデンドライト１次ア
ームは、結晶粒毎に成長方向が定まっており、Ｃｏ基超
合金の２次アームは１次アームと直交する方向に成長し
ている。そして、通常は、１次アームに関するベクトル
が最長ベクトルとなる。結晶の方位はランダムにばらつ
いているため、１００個程度の結晶粒にわたって、未使
用材のデンドライトアームの最長ベクトルの傾きを測定
すると、図９に示すように、ほぼ均等な分布を示す。と
ころが、クリープ損傷材では、図１０に示すように、主
応力と平行な方向にピークをもつ分布となる。第２の発
明は、このばらつきの度合を標準偏差で表し、これをデ
ンドライト形状の変形のパラメータとして用いるもので
ある。

【００２７】図１１は本実施例によるデンドライトコア
の傾きを求めるための手順を示すフローチャートであ
る。すなわち、まず、図１２（ａ）に示すように組織写
真のノイズを除去した後、図１２（ｂ）のような白・黒
の点情報からなる２値化画像を得るようにする。次い
で、図１２（ｃ）に示すように、この２値化画像の連結
点をブロック化することにより、デンドライトコアの形
状を抽出する。そして、図１２（ｄ）に示すように、ブ
ロック化された各デンドライトコアにおける最長ベクト
ルを求め、このベクトルの傾き角を求めるようにする。
上記手順により１００結晶粒程度、計測を繰り返し、デ
ータの平均および標準偏差を算出する。

【００２８】本実施例においても実験室的にクリープ中
断試験（１）を行い、図１３にしめすようなマスターカ
ーブ（５）を得る。実機材料の組織採取（２ｂ）方法
は、第１の発明の実施例の場合と同様であり、実機材料
の計測により求めたデンドライトコアの傾きの標準偏差
を、前記マスターカーブ（５）と照し合せることによ
り、実機材料のクリープ損傷量（６）を算出することが
できる。

【００２９】本実施例では、標準偏差を変形のパラメー
タとしているため、主応力方向が不明の場合でも、変形
量を求めることができる。また、平均値は主応力方向に
対応すると考えられるため、主応力の方向を推定するこ
とも可能である。また、ガスタービン静翼は、数十枚の
同一形状の翼すべてに、同じ温度・応力が作用している
と考えられるため、データは１部品あたり数結晶粒程度
取得すれば充分であり、局所領域のクリープ損傷の計測
が可能である。したがって、第２の発明によって実機部
材のクリープ損傷量を的確に求めることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明により、応力集中
部など直接的に損傷を計測することが困難であった部位
の損傷量についても、温度および応力の計測または推定
を必要とせずに、直接的かつ的確に算出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の実施例の内容を示す概念図。

【図２】第１の発明の実施例における未使用材のデンド
ライト組織観察写真に基く状態図。

【図３】第１の発明の実施例におけるクリープ損傷材の
デンドライト組織観察写真に基く状態図。

【図４】第１の発明の実施例におけるデンドライト組織
の変形量算出手順を説明するためのフローチャート。

【図５】第１の発明の実施例における画像処理によって
抽出されたデンドライト組織についての状態図。

【図６】図５の画像に格子パターンをかけてデンドライ
ト組織の変形量を求める手順を説明するための説明図。

【図７】第１の発明の実施例におけるデンドライト組織
の変形量とクリープ損傷量との関係を示す特性図。

【図８】第２の発明の実施例におけるデンドライトコア
の最長ベクトルを示す説明図。

【図９】第２の発明の実施例におけるデンドライトアー
ムの傾きの分布例を示すグラフ。

【図１０】第２の発明の実施例におけるデンドライトア
ームの傾きの分布例を示すグラフ。

【図１１】第２の発明の実施例におけるデンドライト組
織の変形量算出手順を説明するためのフローチャート。

【図１２】図１１における各手順を示す説明図。

【図１３】第２の発明の実施例におけるデンドライト組
織の変形量とクリープ損傷量との関係を示す特性図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡部永年神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定条件下に置かれる実機部材に、デンド
ライト組織を有する金属材料を用いた場合に、この金属
材料の損傷量を、その結晶粒の変形量の計測に基いて算
出する金属材料損傷量算出方法において、前記金属材料のデンドライト組織についての分布状態を
所定画像処理方法によって得るようにし、この分布状態を示す画像におけるデンドライトコアの縦
横比を所定演算式を用いて演算し、この縦横比から前記金属材料の損傷量を求めることを特
徴とする金属材料損傷量算出方法。
【請求項２】所定条件下に置かれる実機部材に、デンド
ライト組織を有する金属材料を用いた場合に、この金属
材料の損傷量を、その結晶粒の変形量の計測に基いて演
算する金属材料損傷量算出方法において、前記金属材料のデンドライト組織についての分布状態を
所定画像処理方法によって得るようにし、この分布状態を示す画像における一定数以上のデンドラ
イトコアについて、その最長ベクトルの傾きの統計量を
求め、この統計量から前記金属材料の損傷量を求めることを特
徴とする金属材料損傷量算出方法。